2017. Стратегия развития

Ключевая фишка Бекхоффа — это использование обычного ПК в качестве промышленного контроллера. Плюс собственное производство, тестирование, то есть полный конвейер. Давайте для разогрева посмотрим, как они двигались по этому пути.

• 1982. P1000 — одноплатный контроллер управления движением.
• 1986. PC Control — первый основанный на ПК контроллер ЧПУ станка.
• 1988. S1000 — программный ПЛК/NC персональный компьютер (операционная система DOS).
• 1989. Lightbus — высокоскоростная шина на оптоволокне.
• 1990. All-in-one — персональный ПК типа "всё-в-одном" на материнской плате.
• 1995. Bus Terminal — модульная архитектура шины на основе модулей расширения — терминалов.
• 1996. TwinCAT — программный комплекс под Windows с функцией ПЛК и управлением движением.
• 1998. IPC Control Panel — панельные компьютеры с графическим дисплеем для удаленной установки и установки по месту.
• 1999. Fieldbus Box — защищенные IP 67 модули ввода/вывода.
• 2002. CX1000 — модульные встраиваемые ПК для монтажа на дин-рейку.
• 2003. EtherCAT — промышленная шина реального времени на базе Ethernet.
• 2005. TwinSAFE — компактные решения для промышленной безопасности труда.
• 2005. AX5000 — сервоусилители на базе EtherCAT.
• 2007. Industrial Motherboards — собственное производство в Германии.
• 2008. XFC — сверхскоростная технология обработки ввода/вывода (eXtreme Fast Control).
• 2009. HD Bus Terminals — компактные многоканальные терминалы ввода/вывода (16-каналов, ширина 12 мм).
• 2010. TwinCAT 3 — продвинутая технология автоматизации.
• 2011. AM8000 — синхронные сервомоторы с однокабельной технологией (One Cable Technology).
• 2012. Multi-touch — второе поколение панелей управления и панельных ПК с поддержкой сенсорного мультитач дисплея.
• 2012. XTS — продвинутая технология транспортировки (eXtended Transport System).
• 2014. Multicore — многоядерные системы управления и промышленные серверы для ускорения промышленных вычислительных возможностей.
• 2014. AX8000 — много-осевые сервоусилители.
• 2014. EtherCAT Plug-in Modules — подключаемые модули или терминалы шины для монтажа на печатные платы.
• 2015. EtherCAT P — однокабельная технология для автоматизации в целом.
• 2015. TwinCAT HMI — независимые от платформы пользовательские интерфейсы на основе веб-браузера и HTML5.
• 2016. EtherCAT ELM — измерительные модули интегрируемые в систему высокоточных измерительных технологий.

2017.

Теперь ближе к нашим дням, а точнее к тому, что будет завтра.

Изображение: Beckhoff Automation

В этом году на выставке Hannover Messe '2017 Бекхофф в первую очередь пропагандировал:

• Мультитач графические панели с новым красивым дизайном.
• Многоядерные контроллеры на дин-рейку, такие как CX2072 (до 12 ядер).
• "Микрокирпичи" C6015, сертифицированные Microsoft для Microsoft Azure.
• XTS — продвинутая технология транспортировки (eXtended Transport System).
• Анализ облачных данных в TwinCAT Analytics.
• IoT, Индустрия 4.0, облачные технологии и другие современные трендовые слова.

Буквально на днях объявили о грядущем вебинаре на тему новой сборки TwinCAT 3.1.4022. Вероятно там будет рассказано что-то еще.

TwinCAT 3.1...

Версии TwinCAT с нечетным номером 4017–4019 — разрабатываются исключительно для внутреннего тестирования в организации. Для интеграторов и независимых разработчиков — только четные. Поэтому ближайшая будет — 4022, но без нововведений. Устранят ошибки и обновят лицензионные политики.

TwinCAT 2 все еще будет обновляться, но без новинок, только устранение багов.

Начиная с TwinCAT 3.1.4022 прекращается поддержка Windows XP и WES2009. Тем более, что Windows 10 Redstone уже полноценно поддерживается начиная с 4020.x, а с середины 2017 года появится поддержка Redstone 2.

Улучшится поддержка лицензионных USB-ключей, теперь одновременно можно будет использовать несколько TC3 USB-ключей в одной системе. TwinCAT будет распознавать их автоматически, больше не потребуется переконфигурировать систему при каждом изменении лицензионной политики.

Также можно будет условно понижать уровень лицензии: на платформах с более низким уровнем производительности (TC3 performance class) можно использовать лицензии от платформ с более высоким уровнем производительности.

ADS через MQTT

Новый способ отправки пакетов ADS — теперь через MQTT (ADS-over-MQTT). Преимущества:

• Использует только исходящие подключения.
• Не требует настройки фаервола, либо использует настройки по умолчанию, что упрощает работу для системных администраторов (или, как обычно, вообще без них).
• Хорошо чувствует себя находясь за NAT.
• Можно использовать в недоверенных сетях.
• При участии шифрованных каналов TLS-PSK.
• Нет жестко заданного подключения сокет-сокет.
• Реализован как надстройка для Mosquitto Broker.

В итоге мы получаем полноценную виртуальную AMS-сеть (Virtual AMS Networks), которая умеет делать ADS-роутинг, а это дает такие стандартные возможности, как поиск TwinCAT устройств (в том числе и широковещательный) или обычная передача данных через ADS. Если взять текущие и более старые приложения, использующие протокол ADS, то они ничего не заметят, для них все будет выглядеть по старому. Процесс трансляции данных берет на себя ADS-роутер и скрывает от приложений. Так что данные теперь могут спокойно транслироваться через MQTT, что в новых приложениях, что в старых.

Независимые ПЛК программы

Появится новый вид TwinCAT проектов — независимый ПЛК проект (Standalone PLC). Проекты такого типа создаются и программируется независимо от конфигурации, то есть они могут существовать как отдельный проект в солюшене XAE. Впоследствии можно создавать множество экземпляров данного проекта, просто прикрепляя независимый проект к конфигурации через файл TMC, по аналогии с файлами TPY в TwinCAT 2.

Symbolic Mapping

Можно будет линковать не только пары адрес ↔ адрес, но и имя_переменной ↔ имя_переменной. Имя переменной — это в терминологии TwinCAT "символ" (symbol), что чуть шире, но не принципиально.

Распределенные типы данных

В оригинале — Shared Datatypes. Можно импортировать и экспортировать типы данных туда-сюда между ST и C++, ST и ST, а можно отправить по почте в виде TMC-файла или выложить в TFS (Team Foundation System), или воспользоваться любым другим способом передачи файлов.

TMC-файлы становятся все интереснее, так как все меньше ограничивают нас языком программирования.

Power Monitoring

Новая ПЛК библиотека для анализа сырых данных мониторинга электричества с модулей EL3773 и EL3783:

• RMS, Peak, среднее значение для тока, напряжения, мощности.
• Анализ гармоник и частот.
• 1-фазные и 3-фазные.

Будет доступна в конце 2017 года

Библиотека и дизайнер фильтров

Новая библиотека для разработки фильтров будет интегрироваться в TwinCAT Measurement Project и позволит практически рисовать собственные цифровые фильтры. Предназначается в первую очередь для совместной работы с модулями ELM и TC3 Filter Library.

Кстати, Filter Library будет полностью ООП. Все функциональные блоки будут использовать ряд методов, такие как, например: Call, Configure, Reset (вызвать, настроить, сбросить). Функциональные блоки смогут принимать параметры и коэффициенты, предварительно нарисованные в Filter Designer. Очень похоже на принцип работы с кулачковыми механизмами и таблицами движения NC (Tables, Motion Diagram). Кроме них будут и просто готовые к использование функции со встроенными фильтрами.

Этих библиотек уже не будет в TwinCAT 2!

Многоклеточные

С середины 2017-го выйдут в серию многоядерные монстры на дин-рейку:

• 4 ядра — CX2042, процессор Xeon D-1529 @1.3 ГГц, кэш 6Mb LL-Cache, оперативная память 8Гб.
• 8 ядер — CX2062, процессор Xeon D-1539 @1.6 ГГц, кэш 12Мб, память 16Гб.
• 12 ядер — CX2072, процессор Xeon D-1559 @1.5 ГГц, кэш 18Мб, память 32Гб.

В каждом будет выделенная графическая подсистема AMD с 2Гб памяти GDDR5. Оперативную память типа DDR4 можно варьировать от 8 до 32Гб. Из интерфейсов подарят: 4xUSB3, 2xEthernet Gbit LAN, 1xDVI-I, один интерфейс опционален, в том числе появится Display Port. Операционная система Windows 10 IoT Enterprise 2016 LTSB 64-разрядная. TwinCAT, конечно же, третий.

Монстры будут совместим с модулями серии CX2000. Ну, и вентилятор с контролем температуры, как в CX2040.

Новые интересные блоги

Стефан Хеннекен (Stefan Henneken) ведущий программист из Германия ведет кулинарный блог, посвященный рецептам на C# и ST в TwinCAT 3: ООП, паттерны, шаблоны программирования и другие современные вещи, но пока еще без функциональщины и других лямбда функций. Языки блога английский и немецкий. Гугл транслейт в помощь.

JoVAn — проектировщик из Португалии ведет блог Um PLC sem WatchDog (ПЛК без цензуры?) со сборной солянкой из руководств, туториалов и видео- уроков под разных производителей и сферы автоматизации.


Ранее в сериале:

• 2016. TwinCAT и все о нем
• 2015. С чего начать?

Иногда RETAIN возвращаются

Переменные RETAIN снова с нами: они стали удобными, полезными и простыми как барабан. Если вы не знали или забыли — ранее они были объявлены как устаревшие и зарезервированные, а нам предлагалось использовать PERSISTENT:

Retain Variables: RETAIN is a reserved keyword in IEC61131-3. In TwinCAT 3 RETAIN is reserved. If RETAIN is used a compile error will be generated automatically. Use PERSISTENT instead.

Синоним NOVRAM

Интересным нововведением в TwinCAT 3.1.4020 стало автоматическое сохранение переменных, объявленных как VAR RETAIN, в области NOVRAM. Если в TwinCAT 2 необходимо вручную линковать ПЛК переменную с аналогичной в NOVRAM ветке, либо вызывать специализирванный ФБ, то теперь достаточно указать системе на наличие таких переменных вообще, а все остальное TwinCAT сделает сам: отследит изменения, сохранит и восстановит данные в случае провала электропитания.

NOVRAM состоит из двух областей памяти, одна — оперативная и энергоЗАвисимая, другая область — длительного хранения и энергоНЕзависимая. Оперативная часть питается от источника питания ПЛК. Когда электричество пропадает, энергия, накопленная в ионисторе, дает дополнительные несколько секунд работоспособности для сброса данных из оперативной части NOVRAM в ее энергонезависимую флэш часть. Таким образом экономится ресурс флэш памяти NOVRAM (постоянное обновление и перезапись данных происходит только в оперативной части). При восстановлении электропитания, данные переписываются из постоянной половины в оперативную.

Минимальный размер NOVRAM составляет 128 килобайт, но для энергонезависимого хранения будет доступно только 64Кб (65504 байта): вторая половина оперативная и мы имеем доступ только к ней (половине всего объема NOVRAM). В то же время NOVRAM может быть опционально расширен до 512 килобайт (будет доступно для хранения 256Кб), но обойдется это в чуть меньше, чем 499 евро, поэтому для таких объемов можно использовать PERSISTENT. Подробнее об этом можно прочитать в статье с кратким названием NOVRAM.

Retain Handler

Для проверки я использовал следующую конфигурацию:

• ПЛК: CX2030 XAR TwinCAT 3.1.4020.32
• Среда разработки: XAE TwinCAT 3.1.4020.32

Главный акцент на версию TwinCAT — 3.1.4020.32. Конкретно в этой версии-сборке у меня все заработало, а раньше не

В общем случае последовательность действий такая:

1. При сканировании конфигурации оставьте "галку" для включения устройства NOV-DP-RAM в конфигурацию.
2. После сканирования добавьте к этому устройству — Beckhoff Automation GmbH → Retain Handler.
   
   
   
   
   
3. Необходимые для автоматического сохранения переменные объявляейте как VAR RETAIN.
4. Соберите проект (Build Solution).
5. Предположим, что проект называется Untitled1. Ткните мышой в Untitled1 Instance (смотрите на картинку с деревом проекта выше).
6. В закладке Data Area в столбце Retain Hdl для PlcTask Retains выберите из выпадающего списка созданный на шаге (2) соответствующий Retain Handler.

Все переменные ПЛК-проекта, обозначенные как RETAIN, теперь будут контролироваться TwinCAT. Причем не важно сколько у вас программ и подпрограмм — все переменные будут сохраняться и восстанавливаться с помощью одной области NOVRAM.

При удалении RETAIN переменных из программы, необходимо очистить и пересобрать проект, а затем вручную обновить NOVRAM. Для этого кликните правой кнопкой мыши по Retain Handler в разделе конфигурации NOV-DP-RAM, затем пункт Optimize Retain Variables. Это официальная рекомендация справочной системы. Неофициальная — удалите Retain Handler, очистите и пересоберите проект, а затем повторите все шаги начиная со второго (2).

Многозадачность

Как будет вести себя область памяти NOVRAM, если в проекте несколько "рантаймов", то есть несколько, параллельно работающих задач? Начнем с того, что для каждой задачи необходимо персонально назначить область памяти Retain Hdl. Этот шаг ничем не отличается от описанного выше.

В общем случае, TwinCAT различает задачи по номеру их ADS-порта: 851, 852, ... И даже если в разных задачах будут совпадать имена переменных, функциональных блоков или программ, номер порта задачи по прежнему будет отличать переменную от ее тезки в другой задаче. 

Несмотря на то, что область памяти NOVRAM одна на все задачи, XAE спокойно и равномерно распределяет все переменные RETAIN всех задач по единственной области памяти NOVRAM. При условии, что этой памяти достаточно.

Посмотрите на адресацию (Address) и номер порта в [квадратных скобках] поля Name:

Быстродействие

На копирование данных все-равно будет затрачиваться какое-то время. В статье Note the write speed of the Retain Handler утверждается, что на 512Кб (a это максимум для NOVRAM, на данный момент) потребуется около 3,6 миллисекунды (3600 мкс). На 8Кб около 0,4 миллисекунды (400 мкс). При стандартном цикле ПЛК задачи в 10 миллисекунд — это очень даже неплохие показатели, но я все-равно проверил.

Для начала, у меня под рукой был только "толстый" ПЛК CX2030 с быстрым процессором и "широкой" шиной. Это плохо, так как он всегда быстрый, но пока только так. На контроллере установлен минимальный NOVRAM объемом 128Кб, поэтому XAE при сборке ограничила меня 65504 байтами.

Первое замечание: очень долгая сборка проекта для массива из 64000 ячеек BYTE и быстрая сборка для 8000 ячеек LREAL. Возможно, на продолжительность сборки влияет количество переменных, так как объем данных у меня не менялся. Вероятно XAE пытается вставить в дерево проекта каждую ячейку массива по отдельности, что дает неслабую нагрузку на процессор-память.

В итоге, как и ожидалось, получилось очень быстро и практически никакой нагрузки на процессор:

• Ожидание — 213,7 микросекунд на цикл. Заполнение массива varPack и ожидание команды start (читайте Приложение ниже).
• Сохранение — 245,2 микросекунд на 64Кб данных. Заполнение массива retPack и сохранения в NOVRAM.

Какая-то нагрузка видна, но она практически не заметна — нужен ПЛК помедленнее. Пока же буду считать, что RETAIN вполне себе полезная вещь, хотя бы для критических настроек.

Приложение

Для черновых испытаний использовались два массива: один (varPack) я изменял постоянно, но не сохранял в NOVRAM, другой же (retPack) изменялся по требованию (start) и, следовательно, в этом же цикле сохранялся системой в NOVRAM. Попеременное использование двух массивов позволяет исключить из тестирования производительности затраты на заполнение массива данными (занимает порядка 180 микросекунд).

PROGRAM MAIN
VAR
    counter  : UINT;
    i        : UINT;
    start    : BOOL;
    Max100ns : UDINT;
    varPack  : ARRAY [1..HOWMANYRETS] OF LREAL;
END_VAR
VAR RETAIN
    retPack  : ARRAY [1..HOWMANYRETS] OF LREAL;
END_VAR
VAR CONSTANT
    HOWMANYRETS : UINT := 8000;
END_VAR

[...]

counter := counter + 1;

Max100ns := MAX(_TaskInfo[1].LastExecTime, Max100ns);

IF start THEN
    start := FALSE;
    
    FOR i := 1 TO HOWMANYRETS DO
        retPack[i] := counter + i;
    END_FOR
ELSE
    FOR i := 1 TO HOWMANYRETS DO
        varPack[i] := counter + i;
    END_FOR
END_IF

Длительность работы цикла берется из глобальной системной структуры _TaskInfo[1].LastExecTime в 100 наносекундных интервалах.

Холодный и взрывопожароэлектробезопасный

Бекхофф расширил цветовую гамму дифференциации терминалов — теперь у нас есть модули холодных синих оттенков (blue terminals). Желтые модули серии ELx9xx обеспечивают безопасность, но синяя серия ELX — уже, сама по себе, безопасна.

Изображение: Beckhoff Automation GmbH

Синие модули позиционируются как специализированные модули для опасных зон обрабатывающей промышленности:

• нефтяная и газодобывающая
• химическая и нефтехимическая
• фармацевтическая промышленность
• водоснабжение и очистка
• текстильная промышленность
• горнодобывающая промышленность и металлургия
• пищевая промышленность
• табачная промышленность
• целлюлозно-бумажная промышленность
• и другие.

Стандарты безопасности

В России, Беларуси, Казахстане, Армении и Кыргызстане взрывозащищенное оборудование должно соответствовать требованиям технических регламентов Таможенного союза (ТР ТС). Российские стандарты взрывобезопасности были приведены в соответствие со стандартами IEC, а также с европейскими директивами ATEX 95 и ATEX 137 и соответствующими европейскими стандартами (EN).

Если оборудование сертифицировано по стандартам ATEX, IECEx, UL, FM или CSA, проверка с целью получения сертификата соответствия на взрывозащищенное оборудование согласно ТР ТС может быть сведена к анализу документов без проведения дополнительных лабораторных испытаний.

Классификация опасных зон

Чтобы лучше понимать что-где-и-зачем, разберемся, что эти зоны опасности обозначают. Подробнее можно найти в интернете, а для примера возьмем Классификация взрывоопасных зон ATEX, взрывоопасная среда, Директива 2014/34/ЕС. В [квадратных скобках] стандарт для Северной Америки (США и Канада).

Газы и пары (летучие соединения):

• Zone 0 [Class I Division 1 (gases)] — взрывоопасная зона, в которой взрывоопасная смесь присутствует постоянно или в течение длительных периодов.
• Zone 1 [Class I Division 1 (gases)] — взрывоопасная зона в которой существует вероятность присутствия взрывоопасной газовой смеси в нормальных условиях эксплуатации.
• Zone 2 [Class I Division 2 (gases)] — взрывоопасная зона в которой маловероятно присутствие взрывоопасной газовой смеси в нормальных условиях эксплуатации, а если она возникает, то редко, и существует очень непродолжительное время.

Пыль:

• Zone 20 [Class II Division 1 (dusts)] — зона, в которой горючая пыль в виде облака присутствует постоянно или частично при нормальном режиме работы оборудования в количестве, способном произвести концентрацию, достаточную для взрыва горючей или воспламеняемой пыли в смесях с воздухом, и/или где могут формироваться слои пыли произвольной или чрезмерной толщины. Это может быть облака внутри области содержания пыли, где пыль может образовывать взрывчатые смеси часто или на длительный период времени.
• Zone 21 [Class II Division 1] — зона, в которой горючая пыль в виде облака не может присутствовать при нормальном режиме работы оборудования в количестве, способном произвести концентрацию, достаточную для взрыва горючей пыли в смесях с воздухом.
• Zone 22 [Class II Division 2] — взрывоопасная зона, в которой облака горючей пыли могут возникать редко и сохраняются только на короткий период или в которых накопление слоев горючей пыли может иметь место при ненормальном режиме работы, что может привести к возникновению способных воспламеняться смесей пыли в воздухе.

На пальцах:

• Zone 0 — вы в подземной цистерне с бензином.
• Zone 1 — вы рядом с топливопроводом из подземной цистерны с бензином.
• Zone 2 — вы рядом с заправочной колонкой на автозаправочной станции.

Серия ELX

Если раньше между датчиком в Zone 0 и модулем ввода/вывода ПЛК находящемся в Zone 2/22 необходимо было ставить промежуточное безопасное и сертифицированное оборудование, то теперь цепочку можно сократить. Для этого и служат синие модули серии ELX. Устанавливать модули непосредственно в Zone 0/1 конечно же нельзя, но к ним можно напрямую подключать датчики, расположенные в Zone 0/20.

Кроме модулей ввода/вывода существуют сертифицированные графические панели и панельные ПК серии CPX. Они также предназначены для установки в зонах 2/22.

Изображение: Beckhoff Automation GmbH

Отправной точкой по серии ELX послужит самый толстый широкий терминал из всей линейки модулей расширения — ELX9560. Это модуль питания обеспечивающий требования стандарта Ex i:

• Гальванически развязанный.
• Защищенный от переполюсовки.
• Ограничивает по напряжению и току подключенные ELX терминалы.
• Создает требуемое воздушное пространство в 50мм между обычными и безопасными цепями.
• Выходной ток ограничен 1 Ампером.

Изображение: Beckhoff Automation GmbH

Кратко о других (но не всех) модулях расширения:

• ELX1052 — двухканальный терминал входных сигналов NAMUR.
• ELX2002 — двухканальные выхода 24V DC, 40mA для управления магнитными задвижками и другими исполнительными механизмами зон 0/20, 1/21.
• ELX3152 — двухканальный аналоговый входа 0/4..20mA, NAMUR NE43.
• ELX3162 — двухканальный аналоговый вход 0..10В.
• ELX3181 — аналоговый вход 4..20mA, HART.
• ELX3202/3204 — 2-/4-канальные резистивные термоэленты RTD, 2-3-4- проводные.
• ELX5151 — энкодер NAMUR.
• ELX9012 — крышечка для изоляции контактов шины E-bus и питания на последнем в цепочке терминале. Ее наличие — это требование IEC 60079-11.

Существуют жесткие правила по установке и размещению синих модулей:

• Все синие терминала всегда расположены после синего модуля питания ELX9560 (от которого и запитываются).
• Запрещается размещать обычные модули после синих терминалов (они всегда идут последними на шине).
• Нельзя смешивать ELX терминалы с EL терминалами. Возможна только такая и никакая другая последовательность: CX...EL_EL_ ELX9560__ELX__ELX__ELX9012].
• Обязательно наличие крышки-терминатора ELX9012.

NAMUR и HART

Сигнал типа NAMUR автоматически подразумевает: "искробезопасный сухой контакт с контролем на короткое замыкание и обрыв".

HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4—20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. HART-протокол — это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков. По этим же проводам может передаваться сигнал 4—20 мА.

Википедия

Спецификации FDT/DTM

Чтобы все было еще проще, в TwinCAT XAE встроена FDT-надстройка для настройки HART-протокола с помощью компьютерной мышки. Производители оборудования стараются упростить иcпользования их оборудования в проектах других вендоров. С этой целью многие крупные производители объединились в альянс FDT — Field Device Tool technology, который выработал общую для всех архитектуру. Задача данной архитектуры упростить настройку и управление разнородного оборудования.

Сложность оборудования постоянно растет. Инженеры вынуждены постоянно изучать новые разновидности конфигурационных и программных средств. Даже если эти средства являются "дружественными" пользователю, число различных программ и руководств к ним, которые должен изучить инженер, разрастается неимоверно, и обучение отъедает значительную часть рабочего времени. Потому было решено свести все основные параметры по настройке и управлению оборудованием в понятные конечному пользователю экраны и таблицы с расшифровкой назначения того или иного параметра.

Следуя спецификации DTM, производители измерительного оборудования создали программное обеспечение, которое они также назвали DTM. В случае когда производитель измерительного средства говорит о своем DTM, он фактически ссылается на программу ActiveX, которая соответствует спецификации DTM и описывает его измерительный прибор или другое средство нижнего уровня. DTM является инструментальным средством управления и конфигурирования и содержит в себе все параметры устройства, все графические пользовательские диалоги, выполняет конфигурирование и диагностику устройства, а также обеспечивает его полное документирование.

DTM по желанию производителя аппаратуры может быть как простой, так и сложной, может быть небольшой программой, состоящей из нескольких сотен килобайтов, или гораздо большей. DTM создаётся производителем аппаратуры (или, как это часто случается, сторонним производителем программного обеспечения для данной аппаратуры) как средство, предоставляющее конфигурационные данные для конечного пользователя.

FDT является спецификацией, которая определяет, каким образом DTM будет взаимодействовать с управляющим компьютером. Конечный пользователь "видит" DTM, но FDT является скрытой внутри вычислительной или управляющей системы.

Подробный рассказ про FDT/DTM в статье Виктора Жданкина — Спецификации FDT/DTM и консорциум PACTware.

Мастер Modbus RTU на шине RS485

Ненадолго станем мастером Modbus RTU на шине RS485, будем читать регистры устройств, например, ряда электросчетчиков или насосов, связанных двумя проводами и контролируемых ПЛК.

Если вам нужно наоборот — побыть подчиненным, выставляя данные наружу, читайте — Сервер Modbus TCP, про адресацию — Взгляд со стороны клиента ModbusTCP.

Для удобства и отсутствия пайки возьмем EL6021, который оснащен клемником, а не D-sub разъемом, хотя это вряд ли имеет значения — все модули организованы одинаково, включая системные, расположенные на "теле" контроллера, такие как -N031. Для RS232 и RS422 все аналогично, кроме линии связи и электрической части.

Для модулей под разъем (D-sub, 9-pin) характерно:

• RS232, разъем на модуле — "папа" (plug), на кабеле — "мама" (socket).
• RS485 / RS422, разъем на модуле — "мама" (socket), на кабеле — "папа" (plug).

Бекхофф пропагандирует первенство программной части, поэтому начнем от программы. Подробно про линковку переменных и прочие пошаговые прохождения квеста можно узнать из русскоязычной методички — Modbus_Step-by-step.pdf

Лицензии и библиотеки

Для TwinCAT 2 библиотека поставляется отдельно и за деньги: TS6255 | TwinCAT PLC Modbus RTU. Результатом будет библиотека TwinCAT — ModbusRTU.lib.

Библиотека для TwinCAT 3 TF6255 | TC3 Modbus RTU — "Already included in the basis setup", — то есть она уже включена в стандартную поставку, но потребует дальнейшего лицензирования при выводе проекта в "поле". Резюмирую: пока пишете проект или "щупаете" возможности библиотеки — можно не покупать и пользоваться возобновляемой семидневной лицензией. После готовности проекта, заказываете лицензию и активируете ее на постоянной основе.

Буферы данных и PDO

Первое, что необходимо сделать, это связать программу технологического процесса и "железо". Для этого объявляется ФБ типа:

VAR
    mb : ModbusRtuMasterV2_KL6x22B;
END_VAR

Тип ФБ выбирается, исходя из размера буфера данных модуля связи:

• ModbusRtuMasterV2_KL6x22B — с буфером в 22 байта.
• ModbusRtuMasterV2_KL6x5B — с буфером в 5 байт.
• ModbusRtuMasterV2_PcCOM — с буфером в 64 байта, рассчитано на системный порт контроллера.
• ModbusRtuMasterV2 — для использования только внутри библиотеки, но можно попробовать задействовать как универсальный ФБ для буферов произвольных размеров (буферы адресуются через указатели pComIn и pComOut).

Размер буфера данных можно изменять в разделе PDO, но не нужно — это востребовано только при портировании старых проектов. Поэтому часть наборов помечено как Legacy — это наследие старых систем, а часть как Standart — это нормальные, современные возможности по трансляции данных в реальном времени.

Для примера, возьмем EL6022 (EL6021). Справочная система говорит, что этот модуль содержит:

    Data buffer 864 bytes receive buffer, 128 bytes transmit buffer
    Bit width in the process image 22 x 8 bit input, 22 x 8 bit output, 16 bit control, 16 bit status

Это означает, что на борту модуля есть аппаратный буфер на прием и отправку данных (Data buffer 864 bytes...), часть аппаратного буфера отражается (или мапится) в PDO-образы TwinCAT (process image 22 x 8 bit input...).

В случае с так называемым системным портом, например, модули -N031 или порт панели P205|CP6606-..., с буферами немного сложнее: необходимо вручную добавить последовательный порт Miscellaneous → Serial Communication Port в устройства ввода-вывода I/O Devices. После этого, по умолчанию, будет включен режим совместимости с коплерами BK8xx0 Mode. Нам же необходим режим совместимости с KL6xx1 Mode (Emulation). KL-EL — без разницы: разная шина — одинаковый принцип работы.

В режиме совместимости с KL6xx1 мы работаем с системным портом, как с модулем расширения EL6022, где Data Bytes — это размер PDO области, а Buffer Size — как бы аппаратный буфер. но не обязательно по настоящему аппаратный — он может эмулироваться операционной системой. Размер в Data Bytes будет влиять на тип структуры данных для линковки с ПЛК-программой. Для стандартных 64-байт подойдет ModbusRtuMasterV2_PcCOM. Как такового, требования не существует, но пусть аппаратный буфер будет как минимум в два раза больше буфера PDO. Помните, что все это не точно и требует плотного тестирования на вашей конкретной системе.

Модули EL60xx умеют становиться виртуальными COM-портами операционной системы: соседняя вкладка EL60xx → Virtual Com Port. После установки драйвера и активирования конфигурации, Windows обнаружит новый последовательный порт, к которому можно будет подключить произвольное внешнее устройство, не имеющее никакого отношения к TwinCAT (сканер штрих кодов, например).

После линковки Input/Output (COM TxPDO-Map Inputs и COM RxPDO-Map Outputs) частей со структурами типа:

TYPE MB_KL6inData22B
STRUCT
    Status: WORD;
    D: ARRAY [0..21] OF BYTE;
END_STRUCT
END_TYPE

...которые различаются только размером буфера, дальнейшая работа целиком ведется через экшены функционального блока. В TwinCAT 3 библиотека по прежнему работает через экшены: модных классов и методов, к сожалению, не завезли.

Экшены

ReadCoils — функция модбас #1, считать дискретный выход подчиненного (Read Coils), результат будет упакован (8 бит в байте).
ReadInputStatus — #2, прочитать дискретный вход подчиненного (Read Input Status), результат будет упакован (8 бит в байте).
ReadRegs — #3, прочитать регистр хранения (Read Holding Registers).
ReadInputRegs — #4, прочитать регистр ввода (Read Input Registers).
WriteSingleCoil — #5, записать (задать) состояние дискретного выхода подчиненного (Write Single Coil), данные должны быть упакованы (8 бит в байте).
WriteSingleRegister — #6, записать в регистр хранения (Write SingleRegister).
WriteMultipleCoils — #15, записать в несколько дискретных выходов подчиненного (Write Multiple Coils), данные должны быть упакованы (8 бит в байте).
WriteRegs — #16, записать в несколько регистров подчиненного (Preset Multiple Registers).
Diagnostics — #8, диагностика (Diagnostics).

Диагностика

Поле Error в ModbusRtuMasterV2_KL6x22B сигнализирует об ошибке, а код ошибки содержится в поле ErrorId. Заниматься диагностикой удобно где-нибудь за пределами приема-передачи данных, заодно подсчитывая статистику пакетов.

VAR
    LastError    : MODBUS_ERRORS;
    CountError   : DINT;
    CountSuccess : DINT;
    Error        : BOOL;
    trigBusy     : F_TRIG;
END_VAR

// обмен данными начинается
// [...]
// обмен данными заканчивается
END_CASE

trigBusy(CLK := mb.BUSY );
IF trigBusy.Q THEN
    IF mb.Error THEN
        Error := TRUE;
        LastError := mb.ErrorId;          // Запоминаем код последней ошибки
        CountError := CountError + 1;     // Подсчитываем количество ошибок
    ELSE
        Error := FALSE;
        CountSuccess := CountSuccess + 1; // Количество удачных пакетов
    END_IF
END_IF

Список всех ошибок есть в статье Modbus RTU Error Codes. Все названия констант "говорящие" и вполне понятные.

Практика

Для обмена данными понадобятся как минимум два буфера, которые могут быть как массивами, так и структурами. Можно читать пачки регистров в структуры, но не забывайте — Modbus оперирует регистрами размером в "слово" (WORD, uint, sint, int).

VAR
    ReadData  : ARRAY [1..10] OF WORD; // массив из данных десяти регистров
    WriteData : ARRAY [1..10] OF WORD; // массив данных для десяти регистров
END_VAR
VAR CONSTANT
    WORDS_TO_READ  : // [...] сколько слов (WORD) прочитать
    WORDS_TO_WRITE : // [...] сколько слов (WORD) отправить
END_VAR

Сбрасываем блоки перед применением, и после применения тоже сбрасываем:

CASE state OF
    INIT_STATE:
        mb.ReadRegs(Execute := FALSE);
        mb.WriteRegs(Execute := FALSE);

Читаем:

READ_STATE:
    mb.ReadRegs(
        UnitID      := 1,                 // адрес подчиненного, начинается с 1
        Quantity    := WORDS_TO_READ,     // сколько слов (WORD) прочитать
        MBAddr      := 0,                 // адрес модбас, может отсчитываться как от нуля,
                                          // так и от единицы, читайте документацию на подчиненного
        cbLength    := WORDS_TO_READ * 2, // сколько прочитать, но уже в байтах
        pMemoryAddr := ADR(ReadData),     // локальный буфер куда будут записаны прочитанные регистры
        Execute     := TRUE,
        Timeout     := T#5s               // таймаут на выполнение операции
    );

    IF NOT mb.BUSY THEN
        mb.ReadRegs(Execute := FALSE);
        IF mb.Error THEN
            state := INIT_STATE;      // обрабатываем ошибки
        ELSE
            state := // [...]         // продолжаем работу 
        END_IF
    END_IF

Пишем:

WRITE_STATE:
    mb.WriteRegs(
        UnitID      := 1,
        Quantity    := WORDS_TO_WRITE,     // сколько слов (WORD) записать
        MBAddr      := 0,
        cbLength    := WORDS_TO_WRITE * 2, // сколько записать, но уже в байтах
        pMemoryAddr := ADR(WriteData),     // локальный буфер данные которого
                                           // будут записаны в регистры подчиненного
        Execute     := TRUE,
        Timeout     := T#5s                // таймаут на выполнение операции
    );

    IF NOT mb.BUSY THEN
        mb.WriteRegs(Execute := FALSE);
        IF mb.Error THEN
            state := INIT_STATE;           // обрабатываем ошибки
        ELSE
            state := // [...]              // продолжаем работу 
        END_IF
    END_IF

И не забывайте про время обработки цикла ПЛК-задачи: его продолжительность должна быть достаточной для вычитывания буферов, иначе начнет происходить периодическое переполнение и вы будете терять актуальную информацию.

EtherCAT SyncUnit

По умолчанию, TwinCAT старается как можно более эффективно распределить системные ресурсы, нагрузку на шину и, как следствие, оптимально обмениваться данными. Это означает, что данные, передающиеся циклично, должны быть собраны вместе, в одну или несколько датаграмм. По возможности, этих датаграмм должно быть как можно меньше: это приведет к снижению нагрузки шину и увеличению скорости передачи данных, а следовательно и к увеличению реакции системы в целом (увеличится быстродействие).

TwinCAT старается объединить все данные в одну единственную большую датаграмму и только затем отправить ее по шине. Тем не менее существуют ситуации, когда должен вмешаться специалист чтобы изменить компоновку фрейма, разбивая его на две, три или даже большее количество частей-фреймов. Для этого у специалиста есть инструмент под названием SyncUnit (SU) — модуль синхронизации.

SU необходимы и работают только для циклического обмена данными.

Модули синхронизации

• Для циклического обмена данными с подчиненными устройствами, каждому SU отводится отдельная команда EtherCAT. Можно сказать, что модули синхронизации добавляют отдельные команды во фрейм или что они выделяют соответствующие PDO в отдельную команду EtherCAT и позволяют обособить один PDO от другого.
• Можно комбинировать данные разных подчиненных устройств.
• Каждый SU имеет свою собственную диагностику.
• Выполняет контроль ошибок и целостности циклической передачи данных.
• Осуществляет независимый контроль ошибок: ошибка в одном модуле, не влияет на другой.
• В случае ошибки, можно продолжать работать даже когда недоступна часть системы.
• SU позволяет вмешиваться в работу TwinCAT, в то же время оставаясь полностью автоматической и самостоятельной системой, не требующей настройки.
• Каждый подчиненный может сформировать свой собственный операционный образ, которому гарантируется целостность и синхронность передачи.
• Количество независимых операционных образов зависит от реализации EtherCAT Slave Controller (ESC), то есть от количества SyncManager и доступных каналов FMMU.
• Команда BRD отправляется в задаче с самым низким приоритетом.
• Создавать и управлять новыми SU можно как из настроек подчиненного, так и настройками всей шины EtherCAT.

Не забывайте, что SyncManager и SyncUnit — это разные вещи! Несмотря на то, что на картинке ниже для операционного образа (PDO) используются разные SyncManager (SM): один для входящих, другой для исходящих данных; модуль синхронизации (SU) у них одинаковый, то есть он синхронизирует как ввод, так и вывод данных фрейма.

Для диагностики ошибок существует система счетчиков работоспособности (Working Counter, WkC, WC). Мастер отправляет датаграмму с WC = 0 и ожидает, что датаграмма вернется со счетчиком WC > 0 и WC равному определенному значению, которое мастер определил еще на этапе конфигурации.

В случае если на одном из подчиненных произойдет ошибка или авария, мастер просто отбросит все данные соответствующей датаграммы. Это может стать проблемой, так как в отброшенной датаграмме могут одновременно присутствовать данные двадцати устройств (или ста двадцати) и не все они будут находится в аварийном состоянии. Чтобы такого не происходило, можно разбить устройства на группы и назначить каждой группе свой собственный SyncUnit, но злоупотреблять не стоит — ресурсы шины не безграничны.

Справочная система о Sync Unit Assignment.

SyncTask

Всего доступно четыре задачи синхронизации (Sync Tasks) — это задачи осуществляющие обмен данными через шину. Максимально доступное число задач можно изменить в настройках EtherCAT-шины, см. Sync Tasks.

Каждая такая задача TwinCAT (Task with I/O), осуществляющая циклический обмен данным, имеет свой собственный SyncUnit-фрейм. Ее данные отправляются независимым фреймом так, что чтение/запись операционных данных может происходить с разным временем цикла. Это значительно снижает нагрузку шины, а дробление на фреймы производится автоматически, не затрудняя разработчика.

Одна задачи = один фрейм Ethernet = от одной до 15 датаграмм (один фрейм Ethernet способен передавать до 1480 байт). Обычно создается новый фрейм, когда передается больше 15 датаграмм (здесь и только здесь, датаграмма будет соответствовать команде EtherCAT). Также новый фрейм будет создан, если передается больше 1480 байт. Новый фрейм будет иметь аналогичное время цикла.

По умолчанию, можно создать до четырех задач с независимым вводом/выводом. Если же сложится ситуация, когда должно быть создано большее количество фреймов, то все низкоприоритетные задачи ввода/вывода помещаются в один фрейм с временем цикла самой низкоприоритетной задачи.

Практика и работа над ошибками

Возьмем два 16-разрядных модуля ввода дискретных сигналов EL1809 и аналогично вывода EL2809. Создадим дополнительную задачу (Additional Tasks) с временем цикла 10 миллисекунд:

#0 LWR, 4 байта, SyncUnit <default>, 10 мсек — модули выходов, два раза по 16 входов = 32 бита / 8 = 4 байта.
#0 LRD, 4 байта, SyncUnit <default>, 10 мсек — модули входов
#0 BRD, 2 байта, SyncUnit <default>, 10 мсек — пока не интересно

Теперь будем читать входа каждые 10 мсек, а отправлять задания на выхода каждые 100 мсек, то есть в десять раз реже, чем ввод (очень похоже на оверсамплинг, только медленнее). Для этого создадим отдельную задачу Task 2:

#0 LRD, 4 байта, SyncUnit <default>,  10 мсек.
#1 LWR, 4 байта, SyncUnit <default>, 100 мсек.
#1 BRD, 2 байта, SyncUnit <default>, 100 мсек.

Так как время цикла задачи отличается — TwinCAT создает второй фрейм #1. Команда BRD при этом уходит во фрейм низкоприоритетной задачи #1.

Низкий приоритет не означает более длинное временем цикла. Не путайте приоритет и время цикла!

Теперь я хочу контролировать каждый модуль ввода по отдельности. Для этого через Sync Unit Assigment... я назначаю новый модуль синхронизации для Term4. Добавляю к имени SyncUnit символы @R — означающие повторную отправку фрейма мастером, в случае, если первый раз отправить не удалось.

Для этого подчиненный должен поддерживать эту возможность, о чем изготовитель модуля указывает в ESI-спецификации модуля. Включить поддержку этой функции в мастере можно через:
EtherCAT → Advanced Settings... → State Machine → Slave Settings → Cyclic Frames → Frame Repeat Support.

После этого TwinCAT добавляет во фрейм #0 еще одну команду LRD (теперь во фрейме две команды LRD):

#0 LRD, 2 байта,SyncUnit <default>, 10 мсек — один модуль дискретных входов Term2.
#0 LRD, 2 байта, Term4, 10 мсек — другой модуль дискретных входов Term4.
#1 LWR...
#1 BRD...

Теперь диагностика этих модулей будет происходить раздельно.

Новый эксперимент — я хочу одним из модулей выходов управлять быстрее. Для этого будет использоваться третья задача Task3 с временем цикла 15 миллисекунд:

Появляется третий фрейм #2 с командой LWR:

#0 LRD...#0 LRD...
#1 LWR, 2 байта, SyncUnit <default>, 100 мсек.
#2 LWR, 2 байта, SyncUnit <default>, 15 мсек.
#2 BRD, 2 байта, SyncUnit <default>, 15 мсек.

Приоритет задачи Task3 ниже чем у Task1 и Task2, поэтому команда BRD уползла во фрейм #2 задачи Task3:

EtherCAT Device Protocol

EtherCAT Device Protocol используется только для обмена данными между подчиненным устройством и мастером.

Фрейм

Фрейм целиком обрабатывается аппаратно с помощью специального микрочипа EtherCAT Slave Controller (ESC). Поэтому учитываются только фреймы с EtherType = 0x088A4 и EtherCAT Type = 1 (см. EtherCAT Automation Protocol).

Изображение: Beckhoff Automation GmbH (EtherCAT Slave Controller v2.2 2014-07-07)

EtherCAT телеграмма состоит из нескольких EtherCAT датаграмм, которые, в свою очередь, состоят из заголовка (header), данных (data) и 16-разрядного счетчика работоспособности WC (WkC, Working Counter).

Каждый подчиненный, выполнивший EtherCAT команду (чтение или запись — не важно), увеличивает значение счетчика WC на единицу или больше, в зависимости от типа команды. Получая пакет обратно, мастер знает сколько у него подчиненных и может сравнить ожидаемое значение счетчика с актуальным значением. Это позволяет системе определить полноценность исполнения EtherCAT команды.

Для представления данных датаграммы (Data) используется Mailbox Protocol. Кроме родного протокола ADS и его пакетов, в эту структуру можно уложить пакеты другого протокола, достигая трансляции вообще любых протоколов через EhterCAT. Например: CANOpen, SERCOS, PROFIbus и т. п.

Наиболее интересным будет заголовок EtherCAT датаграммы (Datagram Header). Он состоит из команды (Cmd) и адреса данных (Address). Адрес может быть автоинкрементальным, фиксированным (физическим) или логическим. Команда EtherCAT диктует, что делать с данными, расположенными по указанному адресу. Кроме этих двух полей, в заголовке расположены другая полезная информация:

• Index (индекс) — номер датаграммы, для контроля за дублированием или повторением датаграмм.
• Length (длина) — длина данных в датаграмме.
• R — зарезервирован.
• C (флаг циркуляции) — в случае обрыва соединения с мастером, фрейм может начать бегать по кольцу из подчиненных. Это не корректно.
• M (последняя ли датаграмма?) — последняя ли это датаграмма в EtherCAT-фрейме.
• IRQ (EtherCAT Event Request) — это поле необходимо для уведомления мастера о событиях, произошедших на подчиненных. Неизвестно кто из подчиненных непосредственно был инициатором события, поэтому программное обеспечение мастера должно самостоятельно разобраться с этим.

Команды

Нет смысла перечислять все команды, так как их аббревиатуры подчиняются ряду правил.

Действия:

• NOP — нет операции, подчиненный игнорирует эту команду.
• ..RD — записать в датаграмму считанные модулем данные (например, модуль дискретных входов).
• ..WR — запись данные из датаграммы в память по заданному адресу (например, де/активация выходов модуля дискретных выходов).
• ..RW — обмен данными датаграмма-память.

Адресация:

• AP.. — подчиненный наращивает автоинкрементальный адрес и что-то делает, если автоадрес получился равным нулю.
• FP.. — что-то сделать, если адрес в датаграмме соответствует одному из сконфигурированных адресов подчиненного.
• L.. — что-то сделать, если адрес в датаграмме соответствует логическому адресу FMMU-области (см. ниже).
• B.. — все подчиненные наращивают позицию.

Примечания:

• BRD — подчиненные помещают в датаграмму логическое ИЛИ между данными из памяти и данными из датаграммы.
• BRW — обычно не используется (аналогично команде BRD только данные помещаются в память).
• ARMW — подчиненный наращивает автоинкрементальный адрес и помещает в датаграмму  прочитанные данные, если адрес получился равен нулю. Иначе подчиненный сохраняет данные датаграммы в свою память. Например, эта команда используется для DC: прочитал "часы" на "эталоне" и передал дальше для всех подчиненных, которые сохранили его.
• FRMW — если адрес в датаграмме соответствует одному из сконфигурированных адресов подчиненного, то помещает в датаграмму прочитанные данные. Иначе подчиненный сохраняет полученные данные в свою память.

Упрощенно используется два вида адресации:

• Автоинкрементальная (Auto Inc Addr) — используется для идентификации физического (реального) положения устройства на шине EhterCAT. Он наращивается автоматически и необходим для автоматического назначение адреса для каждого подчиненного шины. Первый подчиненный получает автоматический адрес = 0 (0x0000); второй подчиненный — автоадрес = 0xFFFF, третий = 0xFFFE.
• Фиксированный адрес (EtherCAT Addr) — нужен для работы с модулем как с отдельным устройством (например, через CoE, CAN over EtherCAT). Если рассматривать внешнюю адресацию AmsNetId, то фиксированный адрес соответствует номеру порта устройства на шине (AmsNetId-подчиненного = AmsNetId-мастера).

Отображение

После обработки команды нужно как-то распределить данные в памяти. Все дальнейшие блоки и устройства нужны чтобы разгрузить процессор, но по прежнему быстро обмениваться данными память-шина-память.

FMMU (Fieldbus Memory Management Unit). Эти модули находятся между соответствующим SyncManager (SMx) и физическим уровнем. Задача FMMU в отражении локального адресного пространства подчиненных модулей на глобальное адресное пространство мастер-контроллера и наоборот. Другими словами — FMMU транслирует и раскидывает данные из логического операционного образа (фрейма, датаграммы) в физическую память и обратно. FMMU умеет работать вплоть до битовых полей.

Изображение: EtherCAT Technology Group (ETG.2200 V2.1.4)

SyncManager

Обеспечивает согласованность передачи данных, синхронизирует их, предотвращая одновременный доступ к памяти контроллера (DPRAM). Всего SyncManager может быть до 16 штук. Они могут работать в двух режимах:

Режим почтового ящика (Mailbox):

• Один буфер с режимом установки связи (handshake).
• Защита от переполнения буфера.
• Передающая сторона должна записать в буфер, перед тем как принимающая сторона сможет читать буфер.
• Принимающая сторона должна "вычитать" буфер, перед тем как передающая сторона сможет записать буфер.
• Используется для обмена данными "от случая к случаю" (иногда, нерегулярно) требуемых в данный момент данных.
• Стандартный способ для обмена параметрами данных, диагностики, конфигурации рабочего образа данных.
• Полнодуплексный.
• Подчиненный может инициировать передачу.
• Доступен уже из состояния Pre-Operational (Pre-OP).
• Позволяет реализовать множество протоколов:
• EoE (Ethernet через EtherCAT) — туннель Ethernet через EtherCAT.
• CoE (CANopen через EtherCAT) — для передачи словарей объектов (словарей PDO)
• FoE (Передача файлов через EtherCAT) — передача файлов, например, для перепрошивки устройства.
• SoE (SERCOS через EtherCAT) — доступ к параметрам сервоусилителей.
• VoE (уникальный протокол разработчика (Vendor specific) — разработчик может самостоятельно разработать свой собственный протокол.

Буферизированный режим (Buffered):

• Менеджер синхронизации с тремя буферами гарантирует целостность данных и доступ к новым данным в произвольный момент времени.
• Всегда доступный буфер для записи.
• Буфер чтения всегда заполнен гарантированно целостными данными (за исключением момент старта, то есть перед первой записью в буфер чтения).
• Используется для циклического обмена заранее сформированного списка данных (PDO).

Стандартное распределение SyncManager:

• Mailbox
• SM0 — Mailbox-вывод.
• SM1 — Mailbox-ввод.
• SM2 — PDO-вывод.
• SM3 — PDO-ввод.
• Buffered
• SM0 — PDO-вывод (или PDO-ввод, если отсутствует вывод).
• SM1 — PDO-ввод.

PDO всегда точно умещается в буфере соответствующего SyncManager. Поэтому размер PDO всегда ограничен.

PDO и SDO

PDO в терминах TwinCAT — это заранее подготовленный пакет с описанием набора параметров которые будут передаваться или синхронизироваться совместно. PDO заимствованы из CANOpen.

Словарь объектов — это не подсистема, а словарь который используется всеми подсистемами и описывает целевые данные которыми надлежит обмениваться, а также правила обмена. Словарь может храниться в различных местах, но в итоге объекты должны быть настроены одинаково.

Синхронизация обмена данными (ключевое слово SYNC) — необязательная, но целесообразная подсистема. При использовании данной подсистемы в сети существует генератор синхросообщений, периодически передающий высокоприоритетное сообщение SYNC. После появления в сети такого сообщения все синхронизируемые устройства производят обмен данными в течение заданного временного интервала(окно синхронного обмена данными). Коллизии (одновременная передача данных двумя и более устройствами) разрешаются на уровне физического уровня протокола CAN. Словарь объектов содержит перекрёстные ссылки откуда какие данные взять, и какие куда положить. Таким образом приложения не занимаются самостоятельно сбором данных — просто с точки зрения приложения в определённых переменных периодически оказываются свежие данные.

При обмене PDO, с точки зрения приложения, всё происходит автоматически по определённым правилам, и приложение, не обращаясь к сетевым примитивам, получает данные из переменных, как будто бы данные появляются внутри этого самого прибора. Для получения данных по принципу SDO приложение должно при помощи сетевых сервисов запросить данные у другого устройства, и только потом, получив ответ, использовать данные для работы. Поэтому основу обмена данными следует строить на PDO-обмене. К сожалению имеются ограничения на размер данных(8 байт для PDO, но можно использовать несколько таких PDO).

SDO стоит использовать только по необходимости. При SDO обмене данными, устройство, к которому обратились с запросом на получение или запись(dowload/upload) данных, называется SDO сервером, а устройство которое инициировало обмен — называется клиентом. В зависимости от объема передаваемых данных, обмен производится по разным алгоритмам, и может быть не менее эффективен чем PDO обмен. SDO обмен допускает производить контроль безошибочности данных, что позволяет даже загрузку отдельных порций исполняемого кода.

PDO в TwinCAT

Зоны в закладках System Manager → Process Data:

• Download
• PDO Assignment — можно изменять список готовых PDO (добавлять или исключать объекты-пакеты).
• PDO Configuration — можно изменять PDO (дополнять, убирать параметры в объект-пакет).
• SyncManager — какие SM и какого типа доступны для данного устройства.
• PDO Assignment — список PDO доступных для данного SyncManager и объектов которые включены для обмена. В зависимости от доступности, которое видно в зоне Download → PDO Assignment, это содержимое можно изменять.
• PDO List — словарь PDO, доступных для данной железки.
• Index — индекс PDO.
• Size — размер в байтах.битах (через точку).
• Name — Имя PDO. Если данный PDO закреплен за SyncManager, то данный PDO появится как параметр/переменная в дереве конфигурации контроллера с данным именем.
• Flags.
• F — неизменяемый PDO (Fixed), нельзя изменить состав данного PDO.
• M — обязательный (Mandatory).
• SM — номер SyncManager за которым закреплен данный PDO. Если не закреплен, то PDO не участвует в обмене данными.
• SU — номер SyncUnit за которым закреплен данный PDO.
• PDO Content — содержимое PDO (набор параметров которые будут передаваться или синхронизироваться совместно). В зависимости от доступности, которое видно в зоне Download → PDO Configuration, это содержимое можно изменять.

Полностью конфигурируемые PDO выглядят как:

Фиксированный набор PDO модуля дискретных сигналов:

• Predefined PDO Assigment — заранее подготовленные профили или наборы PDO.
• Load PDO info from device — выгрузить информацию о PDO из устройства, иначе будут использоваться локальные словари из каталога x:\TwinCAT\Io\EtherCAT.
• Sync Unit Assigment... — распределить PDO по фреймам.

Подробнее о настройках можно прочитать в справочной системе EtherCAT Slave Device.

EtherCAT Automation Protocol

Пробежим по EtherCAT от транспортировки пакетов, до синхронизации на уровне переменных в размеченных областях памяти.

Транспорт

Данные EtherCAT передаются в виде пакетов, которые полностью совместимы с Ethernet-пакетами. Это означает, что EtherCAT-пакеты на физическом (PHY) и MAC-уровне построены так, что для Ethernet-сетей они выглядят как родные и устройства типа роутеров, свичей и хабов могут передавать их не задумываясь, наравне с остальными пакетами Ethernet. Если же необходимы более высокоуровневые фишки (типа IP-роутинга), то без проблем можно перейти на уровень выше и поместить фрейм EtherCAT в UDP/IP датаграмму.

Изображение: beckhoff.com

Фрейм

Упрощенно EtherCAT фрейм состоит из заголовка и данных, но сейчас нам будет интересен только заголовок (header), который в свою очередь состоит из поля длины и поля типа данных, который определяет протокол передачи данных внутри пакета:

1. EtherCAT Device Protocol
• Тип 1: данные EtherCAT.
2. EtherCAT Automation Protocol (EAP)
• Тип 4: Синхронный обмен операционным пакетом, PD (Process Data Communication).
• Тип 5: Асинхронный обмен через "почтовые ящики" (Mailbox communication). Для асинхронного обмена доступен только протокол AoE (ADS over EtherCAT). Остальные протоколы, такие как CAN, SERCOS, PROFIBUS и т. п., передаются "внутри" его фреймов.

При непосредственном подключении EtherCAT-подчиненного к мастеру всегда используется EtherCAT Device Protocol (тип 1). Для этого на подчиненном устройстве устанавливается специальный микрочип — EtherCAT Slave Controller (ESC). Для остальных видов связи, в том числе и для построения сложных маршрутов, используется EtherCAT Automation Protocol (EAP, тип 4 или 5). Оба протокола могут использоваться как синхронно, так и асинхронно.

Подробнее о структуре фрейма EAP можно прочитать в справочной системе — EAP telegram structure.

Синхронный обмен

Ключевые слова — PD, PDO. Максимальная длина EtherCAT-телеграммы — 1472 байта. Синхронный обмен происходит с помощью следующей сетевой матрешки:

Изображение: beckhoff.com

Телеграмма состоит из заголовка Process Data Header (PDH) и одного или нескольких операционных наборов данных Process Data (PD). Заголовок содержит Publisher Id — уникальный идентификатор устройства отправителя (издатель, publisher) данных. Кроме него есть счетчик, нарастающий каждый цикл, и поле с общим количеством блоков, расположенных в PD.

Каждый операционный набор (PD, Process Data) состоит из одного или нескольких PDO. Каждый PDO состоит из заголовка PDO Header и одной или нескольких переменных PDO Variables. PDO Header содержит идентификатор переменной и ряд других полей: версия PDO, длина PDO, свежесть данных в 100 микросекундных интервалах.

Если асинхронный обмен может происходить в произвольные моменты времени, то синхронный обмен обязан происходить через равные промежутки времени, что достигается двумя способами:

1. Pushed Data Exchange (способ проталкивания) — когда "издатель" (Publisher) отправляет PD в сеть через равные промежутки времени или при изменении своего состояния, а "подписчик" (Subscriber) принимает и обрабатывает. Таким образом работают "сетевый переменные" (Network Variables) в TwinCAT 2. За один раз отправляется и принимается один фрейм данных.
2. Polled Data Exchange (опросный способ) — когда "клиент" отправляет запрос, в котором содержится его PD, а в ответ получает отдельный фрейм ответа с PD информацией сервера. Работает клиент-серверная архитектура, поэтому суммарно в общении участвуют два сетевых фрейма.

Здесь внезапно проявляется различие в работе протоколов EtherCAT Device Protocol и EAP, так как в случае с Device Protocol формируется один единственный большой пакет, в котором заранее предусмотрено место для данных подчиненных устройства. По мере прохождения пакета через кольцо EtherCAT-шины в эти пустые места EtherCAT-фрейма "на лету" будут вставляются данные подчиненного устройства. Это очень быстро.

В случае же с EAP можно достичь 10 миллисекундного отклика, если применяются свичи и гигабитный Ethernet; и 100мс отклик, в случае применения UDP/IP роутинга. Это медленнее, но более гибко и можно запускать через интернет. При этом не стоит забывать, что параллельно в сетях Ethernet могут общаться и другие устройства, что в свою очередь может привести к нарушении синхронности обмена сообщениями.

Pushed (1) способ передачи позволяет передаваться данные как на одно устройство, так и на группу устройств:

• Unicast: один издатель — один подписчик.
• Multicast: один издатель — группа заданных подписчиков.
• Broadcast: один издатель — все доступные устройства.

Polled (2) способ передачи связывает только два конкретных устройства.

Триггеры

Отправка EAP телеграм основана на механизме триггеров: происходит какое-то событие и если условие выполнено — происходит отправка ответа. Не рекомендуется использовать одновременно несколько условий для срабатывания триггера, так как система не может гарантировать их взаимодействие между собой.

Существует пять различных условий для срабатывания триггеров:

1. Poll Request Rx PD — пришла телеграмма опроса.
2. Divider/Modulo — регулярная отправка. Divider — это множитель для времени цикла отправки, Modulo — множитель для ожидания перед первой отправкой (смещение первой телеграммы).
3. Cycle Time — отправка через заданный интервал в микросекундах. Отношение интервала цикла передачи и длительность цикла задачи должны быть кратны целому числу.
4. Изменение состояния по таймауту (Change of State, CoS) — отправка происходит при изменении значения переменной. Если значение не менялось в течении заданного времени (в миллисекундах), то происходит повторная отправка того же значения, что и в прошлый раз.
5. Изменение состояния с гарантированным интервалом (Change of State, CoS) — отправка происходит при изменении значения переменной. Между отправкой старого и нового значений должно пройти не меньше заданного времени  (в миллисекундах).

В любом случае интервал или промежуток времени для условий должен быть равен или больше времени цикла задачи, опрашивающей устройство.

Подробнее о механизме триггеров — EAP Send Mechanism.

Конфигурирование

Ранее, в TwinCAT 2, такая модель называлась "сетевыми переменными" (Network Variables). В TwinCAT 3 ее назвали своим именем EtherCAT Automation Protocol. Так или иначе, в начале вы создаете несколько переменных базовых типов или даже структур, а затем TwinCAT автоматически транслирует их через Ethernet на другие устройства (контроллеры, ПЛК, и т. п). Тем самым вы получаете более-менее синхронные данные на обеих сторонах, без необходимости в написании кода для поддержки сетевой передачи данных программой.

Создание EAP-конфигурации:

• Добавление EAP устройства.
• Отправка переменных (источник данных).
• Подписка на переменные.
• Использование типов данных пользователя (структуры).

Конфигурирование EAP-устройства:

• EAP устройство.
• Издатель (Publisher Box).
• Переменные издателя.
• Подписчик  (Subscriber Box).
• Переменные подписчика.
• EAP между TwinCAT 2 и TC3 — обмен данными работает в обе стороны. Автоопределение сетевых переменных (Browse for Computer, Browse for File) работает только в одну сторону: TwinCAT 3 автоматически подхватывает переменные из TwinCAT 2.