高效和可靠—鱼和熊掌可以兼得!

在工业通信领域,性能(通信效率)和可靠性(系统错误带来的影响)有着紧密联系。基于可靠的网络设计的基础EtherCAT,确保效率和可靠性兼得。

在我们的日常感觉中,通常具有超高性能的系统都是很敏感的,而强健的系统又不会很快。这一点也适用于计算机、相机和汽车:赛车相对脆弱,而强大的越野车却比较慢。同样,在工业通信领域,性能(通信效率)和可靠性(系统错误带来的影响)有着紧密联系。然而,取决于不同的技术,其关系是令人惊讶的:高效导致系统在发生错误时变得不稳定的观点并不完全适用于所有场合。以下文章将证明使用EtherCAT所展示出的不同情况。

在工业通信中,不同通信方式中的错误情况将带来不同的影响。一旦发生错误,何时、何地、发生什么情况以及发生的原因是关键问题,并必须迅速找到答案(这并不容易)。另一方面,在处理错误问题时,人们必须关注数据的一致性。

以太网已经盛行于很多应用中。采用100 Mbit/s(快速以太网)的物理数据传输,其物理数据传输的强健性已经在工业领域得到证实。因此,我们需要讨论的是物理层之上协议层的效率及相关可靠性。

给每个I/O一个独立的数据帧意味着巨大的带宽开销和高错误率

一种评估效率的方法是针对协议开销的调查。如果每个网络参与者都使用一个单独的以太网帧将导致巨大的协议开销,因为即使发送最小帧也有84 byte (如图1 ),而每个网络参与者(节点)典型的有效负载是小于8 byte(比如CAN是1到8之间),这导致了超过90%的带宽开销。

 

17个例子中的有6个因为一个随机的周期错误对独立的数据帧造成影响。

机器设备通常使用线性拓扑的通信系统。然而快速以太网架构要求有源耦合的接口。耦合由所谓的桥接局域网的设备或交换机实现,其中交换机经常被集成到网络节点(如I/O设备或者伺服驱动器)中。因为所有数据会在每个节点被处理一次,即每个节点都可以获取一个共用帧上的完整的用户数据信息——就如同EtherCAT的运行机制——帧在系统中传输的同时被处理,这种处理协议的方法可以被命名为共享帧解决方案(图2)。其结果是即使连接的网络节点数量很少的情况下,也会有小于50%的协议开销。如果系统的总有效负载超过400个字节,这会使共享帧解决方案中数据帧开销小于10%。

 

2:共享数据帧机制下,7个例子中只有1个会因为一个随机周期错误对数据帧造成影响。

 

尽管以太网物理层通常是强健的,但强的电磁干扰信号还是可以导致通信错误。相比传统的独立帧传输方式对干扰带来的影响,共享帧的方式在一个网络周期内错误概率要小得多。

正常情况下,大多数的网络应用程序可以克服单一的错误而不造成任何损失。但是如果紧挨着有两个错误,则是很严重的情况。因此,每个周期的通信错误之间的关联都会造成严重情况。在本文开头介绍的比较现实的例子中,独立帧方式比共享帧方式会造成更多的损坏帧,因为共享帧只使用了1/6的传输时间,因此共享帧受到的影响只是7种例子中的一种。

位错误的数量不会对处理质量产生影响

在运动控制应用中,出现单个通讯错误时,需要使用困难的算法来插入目标值和实际值。独立数据帧的通讯方式会带来几乎不可预见的结果,尤其当几个轴耦合时。因此这种有更高错误周期率的级联会产生危险。此外,该解决方案底至10%的效率甚至增加了错误周期率,使得实现可靠的应用控制更为困难。

速度和位置的控制问题也关系到运动控制本身。位置值控制比仅有小变化的速度值更为重要。早期的方式是在相互作用下错误可以互补。而且编程的原则“只要没有变化,保持数值不变”,有助于减少一般的错误影响,以及避免捆绑错误。

所提到的情况表明,一个周期中的错误数量和所得到的控制误差没有直接的依赖关系。单独的错误甚至可能比捆绑错误还要危险。

独立帧的方式不能阻止多种错误

每个节点对应一个单独的数据帧的传输方式的另一个问题是错误隔离。一般来说以太网可以避免传播干扰,因为每个连接点都是由一个特殊的收发器控制。现在的以太网物理层不是总线型的,而是对等接口的集合,无论如何错误都可能产生,例如电源干扰可以在同一个时刻影响多个节点。另一个有可比性的错误源是在直接屏蔽的方式中保护导体的接触不良。虽然EtherCAT不推荐这样使用,但尤其对于支持多协议的设备,必须要遵循这个方法,且不可以使用替代的方法。由于机柜接地有时会比预期差,对屏蔽的干扰可能会出现在电缆连接的不同部分。在这种情况下,诊断是非常困难的,因此,应尽可能避免这种干扰的传播。

如果你使用类似EtherCAT这样的普通数据帧,那么这种干扰传输只会影响同一帧几次

短的独立帧使用IEEE标准定义的典型交换机转发,这种方式至少要比EtherCAT慢10倍,因为它要同时将不同的帧发送给不同的网络参与者。这个过程会产生很大的时间延迟,并导致干扰传输的情况下影响多个不同的的数据帧。因此,不同周期或通信类型的数据会被影响。出于这个原因,干扰传播是一个非常关键的因素,它某种形式上总是意味着多米诺效应。

EtherCAT技术则相反,转发时间非常短,以至于即使干扰发生在数据帧头的位置,也不会影响旁边站点上的前一个帧的末尾数据。

当几个独立帧被影响,产生的错误类型很难定义。一些输入数据是新的,其他是旧的,从而判断只有单独错误的方法是不正确的,它需要特别复杂的错误处理策略。

此外,大多数交换机/桥在接收到正确数据帧后才会转发(存储和转发),这会导致每个接口会接受不同的数据帧,这样干扰传播会影响大量的数据帧。

反馈可以帮助加快错误处理

出于效率的原因,独立帧方式一般不提供及时的反馈。需要有主站将更新的输出数据请求发给从站,然后由从站返回直接反馈。这种重复的转发时间是对周期时间的一个限制。而且对于丢失单个输出数据帧的反应也限制在单个站点上——而不能直接通知控制单元。在这种情况下,主站不能采取任何措施。这种错误最早会在一个周期后获得,直到错误超时触发系统,通常需要三个周期。

 

3:慢速处理多个数据帧的影响

相反地,EtherCAT从站可以直接进行反馈。快速的转发使得输入数据在输出数据传输完成后出现在主站当中。如果反馈失败,主站可以立即开启对应处理,而且得益于超小的转发变动使得精确的超时成为可能。

原则上, EtherCAT的形式像一个传统现场总线,可以安排立即重发。因为后者在主站进行更加复杂的错误处理,实际过程数据的可用性上需要更多的带宽(使用EtherCAT只有15%),或者使用处理器的性能来修复旧的过程数据。EtherCAT更关注短的周期时间,这样会减少错误的可能。

更高的效率可以获得更短的周期时间和更好的故障排除

最后且同样重要的是:相比独立数据帧,EtherCAT可以达到非常短的周期时间,这带来了更高的精度并增加数据处理的鲁棒性。这也使得产品具有更好的质量及更快的错误反应。通过减少的周期时间来提高提高产品质量是非常好的方法,甚至是在出现错误的情况下。如果没有错误发生则质量还能进一步提升。因此,即使在有干扰的环境中,EtherCAT也可以成功的运行。

 

4:EtherCAT直接反馈方式

总结

总之,EtherCAT是可靠的网络设计的基础,降低了带宽使用量,从而减少了错误频率,快速的数据帧转发避免了干扰的传播。得益于以太网的对等连接,反射和其它干扰被避免了,使得错误概率极低,错误发生的地方也很容易检测,从而通信更可靠。

此外,一个系统的可靠性会在很大程度上受较低的协议复杂性和降低通讯接口上帧流量的影响。简明的设计是好的控制系统的基础,也是他的耐用性的必要条件。

EtherCAT印证了自动化技术的基本原则:效率和可靠性可以兼得!

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