SERCOS III

SERCOS III és un interfaç digital obert globalment estandardisada per a la comunicació entre controls industrials, dispositius de moviment (motion devices), i dispositius d'entrades/eixides (I/O), és la tercera generació de l'interfaç de SERCOS. SERCOS III unix els aspectes de temps-real de l'interfaç de SERCOS en Ethernet. Està basada sobre i conforme als estàndarts de “Ethernet” (IEEE 802.3 i ISO/IEC 8802-3). SERCOS III es va escomençar a elaborar en el 2003, en proveïdors llançant els primers productes soportant-ho en el 2005. Ademés de les característiques estàndar de SERCOS citades en descripció general d'interfaç SERCOS, SERCOS III també proveïx:

• Actualisacions cíclicas a dispositius en temps tan baixos com 31.25 µsec
• Soport para fins a 511 dispositius esclaus en una sola ret
• Redundància: Sense protuberància nivell físic de recuperació en solament una-falla
• Detecció d'una caiguda d'una conexió física dins de 25 µsec (menys que l'actualisació d'un cicle)
• Hot plugging: inserció i configuració de dispositius en una ret mentres la comunicació cíclica està activa

SERCOS III
Any de creació:	2003
Número de dispositius:	511
Velocitat:	100 Mbit/s
Hotplugging:	Sí
Redundància:	Sí
Consell d'Administració:	SERCOS International i.V.
Sitie web:	http://www.sercos.com

Arquitectura General

En la finalitat de conseguir els requeriments de rendiment i “jitter” requerits en les aplicacions per la qual es va dissenyar l'interfaç, SERCOS III opera principalment en un apany de Mestre/Esclau (“Master/Slave”) intercanviant senyes cíclicos entre nodos. El “Master” inicia totes les senyes de transmissió durant un cicle de temps real de SERCOS. Totes les senyes de transmissió comencen i terminen en el “Master” (circular).

Cicle de SERCOS III

Cicle bàsic de SERCOS III

La comunicació a través d'una ret de SERCOS III ocorre en intervals cíclicos estrictes. Un temps cíclico és elegit per l'usuari per a una aplicació donada, en un ranc de 31.25 µsec a 65 msecs. Dins de cada cicle, les senyes són intercanviades entre els nodos de SERCOS III usant dos tipos de telegrames: MDTs i ATs (vore Tipos de Telegrames). En acabant de que tots els telegrames MDTs i ATs s'han transmés, els nodos de SERCOS III permeten que el temps que sobra en un cicle siga usat com un canal NRT(“Senar Real Clave” o No Temps Real), el qual pot ser usat per a intercanviar senyes en atres formats, tal com IP.

La ret permaneix disponible per al tràfic de NRT fins que comença el pròxim cicle, moment en el que el nodo de SERCOS III tanca els nodos per al tràfic NRT una atra volta. Esta és una distinció important. A propòsit SERCOS està dissenyat per a proveir accés obert a tots els ports per a atres protocols entre els mensages cíclicos de temps real. No es requerix de túnel. Açò proveïx la ventaja de que qualsevol nodo de SERCOS III estiga disponible, si SERCOS III esta en modo cíclico o no, per a usar atres protocols, tal com TCP/IP, sense cap tipo d'hardware adicional per a processar túnel. Els nodos de SERCOS són especificats per a proveir un método de “buffering” d'almagasenar i alvançar mensages que no són SERCOS si són rebuts en el nodo mentres la comunicació cíclica estiga activa.

Telegrames

SERCOS III Estructura del telegrama

Format de Telegrames

Tots els telegrames de SERCOS III ser al format de trama de EEE 802.3 i ISO/IEC 8802-3 MAC (Control d'accés al mig).

Direcció de Destí

La direcció de destí per a tots els telegrames de SERCOS III sempre és 0xFFFF FFFF FFFF (tots un’s), la qual és definida com la direcció de difusió per als telegrames de Ethernet. Açò és perque tots els telegrames són emesos per el “Master” i són destinats per a tots els “Slaves” de la ret.

Direcció d'Orige

La direcció d'orige per a tots els telegrames de SERCOS III és la Direcció MAC de el “Master”, ya que emet tots els telegrames.

Tipo de Ethernet

Un valor únic de “EtherType” ha segut assignat via el “IEEE EtherType Field Registration Authority for SERCOS III (0x88CD)” o IEEE EtherType Autoritat de Registración de Camp per a SERCOS III (0x88CD).

Capçalera de SERCOS III

L'inici de les senyes de camp definit per Ethernet sempre comencen en una capçalera de SERCOS III, el qual contenen l'informació única de control i status de SERCOS.

Senyes de Camp de SERCOS III

La Capçalera de SERCOS III és seguit per les Senyes de Camp de SERCOS III, el qual conté una série configurable de variable definits per a cada dispositius de la ret.

Tipos de Telegrames

Dos tipos principals de telegrames són usats dins del Cicle de SERCOS III. El “Master Data Telegrama (MDT)” o Telegrama de Senyes Mestres i el “Acknowledge Telegram (AT)” o Telegrama de Reconeiximent. Abdós tipos de telegrames són emesos per el “Master” (control). El MDT conté informació proporcionada per el “Master” als “Slaves”. És fet per el “Master” i llegit pels “Salves”. El AT és emés per el “Master”, pero en realitat poblades per cada “Slave” en les seues senyes apropiades de resposta (realimentació, valors, estats d'entrada, etc.). Més d'un “Slave” usa el mateix “AT”, omplint la seua àrea predeterminada en el telegrama “AT”, actualisant “check sums” o sumes de comprovació, i després passant el telegrama al dispositiu següent. Este método reduïx l'impacte de la trama de ret en l'eixercite de la ret sense comprometre IEEE 802.3 & ISO/IEC 8802-3. la cantitat de senyes enviades de el “Master” als “Slaves”, aixina com la suma de senyes retornat pels “Salves”, pot ser que excedixca la màxima especificada per 802.3 de senyes de camp de 1500 bytes. Per a complir en este llímit, SERCOS III pot usar més d'un telegrama de MDT en un cicle, aixina com més d'un telegrama de AT (fins a 4 en cada cas).

Sincronisació de SERCOS III

Sincronisació

Per a conseguir característiques verdaderament en temps real, SERCOS III, com en SERCOS I i SERCOS II, usa una forma de sincronisació que depén d'un marcador de sincronisació expedit pel control “Master” en intervals exactes de temps equidistants. Tots els nodos en una ret de SERCOS usen este telegrama per a sincronisar totes les activitats en el nodo. Per a prendre en conte totes les variacions en els components de la ret, els “delays” (retarts) són medits en la transmissió de nodo-a-nodo durant la “phase-up” (fase d'inicialización) de la ret de SERCOS, i eixos valors compensats durant l'operació normal. A diferència de SERCOS I i SEROCS II, a on un telegrama a banda de “Master Sync Telegram” (Telegrama de Sincronisació Mestre), o MST (per les seues sigles en anglés) és usat per a este propòsit, SERCOS III inclou el MST en el primer MDT transmés. No s'emet un telegrama separat. El temps entre dos MSTs és exactament igual a Temps de Cicle de SERCOS, (tScyc), designat.

Nomenclatura d'Interfaç Físic de SERCOS III

Nivell Físic i Capa d'Enllaç de Senyes

SERCOS III soporta les entitats de l'estàndart IEEE 802.3 I ISO/IEC 8802-3 100 Base-TX o 100Base-FX (100Mb/s Banda base) nivell físic “Full Duplex” (PHY -sigles en anglés). Els sub-nivells compatibles usats són 802.3 “Mija-Access Controllers (MAC)”. L'intersecció automàtica (MAU[Mija Attachment Unit] – Embedded) és especificada entre els dos unitats dels Mijos Físics Adjunts ( PMA - per les seues sigles en anglés) presents en un port dúplex. Estes dos unitat són referides com el Canal Primari i Canal Secundari en les especificacions de SERCOS III. Interfaços dobles són requerides (dos interfaços dúplex per dispositiu). Dins de l'especificació de SERCOS III, els interfaços dobles són referides com P1 i P2 (Port 1 i Port 2).

Pila (“Stack”) SERCOS III

Tota la funcionalitat requerida per a configurar un interfaç SERCOS III està continguda en una pila (“stack”) en versions “hard” i “soft”. La versió “hard” és àmpliament usada per a aplicacions integrades (tals com: “drives”, mòduls d'I/S i microcontroladors de control de moviment), a on:

• • És important que el maneig general dels nodos de SERCOS III no siga posat sobre el processador del dispositiu.
  • “Jitter” de nanosegundos és requerit.

La pila de “hardware” està disponible en diferents formes. Estos actualment inclouen:

• • Un fluix de bits per a Xilinx FPGAs
  • Un fluix de bits per a Altera FPGAs
  • Una llista Net para Altera FPGAs
  • El chip controlador de muli-ret, “netX, de Hilsher, GMBH

El “jitter” màxim permés basat en “hard-stack” del Mestre i Esclau és menys d'1 µsec. Usant estos “stacks” rendix un “jitter” similar a el de SERCOS II (35-70 nanosegundos).

SERCOS III també soporta un “Soft Master”, usant un interfaç “master” completament basada en “software stack”. Des de que el “jitter” màxim en esta configuració depén del sistema operatiu de el “Master”, el màxim “jitter” pot ser fixat per una variable per a la ret de SERCOS III quan un “Soft Master” és amprat.

Per a “Slaves” bàsics, com a dispositius d'entrada/eixida, un “core” en lliure de llicència és disponible. Este Easy-I/O “core”, fàcil d'usar, pot ser descarregat i carregat a un dispositiu “Xilinx Spartan-3 FPGA.”

Consistència de Senyes

Consistència de senyes és un terme usualment usat en l'indústria de Tecnologies d'informàtica i comunicació (TI), pero també aplica a control en temps real (per eixemple comunicació de ret de parells - “peer to peer”). Per esta raó, SERCOS III especifica que cap senya pot ser sobre escrit (destruït) durant una transmissió. Tots els esclaus en la ret poden accedir senyes d'entrada i eixits per a qualsevol atre esclau en la ret.

Direcció

Els dispositius deuen soportar la direcció MAC de Ethernet, més la direcció de SERCOS III. Atres esquemes de direccions són opcionals.

Direcció SERCOS III

Cada dispositiu de SERCOS III conté una direcció numèrica usada per atres dispositius en la ret de SERCOS III per a intercanviar senyes. La direcció pot ser qualsevol número entero de l'1 al 511.

Direcció IP

SERCOS III no usa la direcció de IP per a la seua pròpia operació. Si un dispositiu conté un direcció IP o no depén del seu soport d'atres especificacions, ya siga independent (exclusiu) de SERCOS IIII, o via la porció NRT del cicle.

Topología de Ret

Les especificacions de SERCOS III definixen dos possibles topología de ret, d'Anell i Llínea. Per a aquells familiars en atres rets, pot aparéixer per a abdós de ser configurades com a ret d'Anell. Tots els telegrames escomencen i terminen en el “Master”. La característica de “Full Duplex” de la capa física és usada per a conseguir açò.

Topología de Llínea

SERCOS III Topología de Llínea

La topología de llínea és la més simple dels dos possibles apanys, i no proporciona redundància. No obstant, esta configuració aforra el cost d'un cable. En ell, només una dels dos interfaços és usada. Els telegrames són emesos pel transmissor PMA en el port actiu de el “Master”.Qualsevol port de el “Master” pot ser l'actiu. SERCOS III determina açò durant inicialización (“phase-up”). El primer esclau (“Salve”) rep el telegrama en el seu interfaç de conexió de rebre PMA, modifica el telegrama com siga requerit, i mana el telegrama en el segon interfaç de transmetre PMA. Cada esclau (“Slave”) en cascada fa aixina mateix fins a aplegar a l'últim esclau en la ret de Llínea. Eixe esclau, detectant que no hi ha una conexió de SERCOS III en el seu segon port, retorna el telegrama en el port de transmissió de l'interfaç de recepció. El telegrama fa el seu camí a través de cada esclau fins a aplegar a el “Master”. Note que l'últim esclau també emet tots els telegrames de SERCOS III en el segon port, a pesar de que no es va detectar una conexió de SERCOS III. Açò és per a “snooping”, el tancament d'anell (vore avall), també per a “hot-plugging”. Prenguen en conte que ya que el camp destinat de Ethernet en tots els telegrames de SERCOS III són transmesos en una direcció de 0xFFFF FFFF FFFF (tots 1), tots els telegrames emesos per este port seran vists per atres dispositius com a telegrames de transmissió. Este comportament és, per disseny, i no pot ser deshabilitado. Para evita un imposició de rets, conectats a un port obert de SERCOS, un enchufe-NRT pot ser utilisat, o un “switch” commutador de Ethernet programant per a bloquejar telegrames transmesos pel port de SERCOS III.

Topología d'Anell SERCOS III

Topología d'Anell

Una topología d'anell simplement tanca la ret adjuntant el port no usat de l'últim dispositiu al port no usat de el “Master”. Quan el “master” de SERCOS III detecta que l'anell existix, establix dos telegrames contra-rotatoris. Les mateixes senyes són emesos simultàneament dels transmissors PMA d'abdós ports de el “Master”. D'allí, abdós telegrames són manejats essencialment idèntics a través del seu camí entre cada esclau, terminant en el port opost de el “Master” del com varen ser emesos. Les ventages a esta topología inclouen una sincronisació més estricta, aixina com una infraestructura de redundància automàtica (vore avall).

Atres Topología de Ret

En abdós estructures, la de llínea i d'anell, SERCOS III opera en un enfocament “circular”. Tots els telegrames ixen de l'el “Master” i retornen allí. Com qualsevol ret que opera d'esta manera, estructures modificades poden ser construïdes per a semblar com una ret d'arbre o ret d'estrela, utilisant “hardware” que manege les branques, pero l'estructura seguix sent circular.

Infraestructura de “Hardware”

SERCOS III està dissenyat de tal manera que no es requerix cap infraestructura de ret (commutadors Ethernet estàndart, Concentrador, etc) adicional. De fet, cap component adicional de Ethernet estàndar (no SERCOS III compatible) es pot colocar dins d'una ret de SERCOS III, ya que la seua presència causaria perjuí al temps i sincronisació de la ret.

Característiques

Capa d'Aplicació (perfils)

L'especificació de SERCOS III definix una àmplia gama de variables desenrollat per un consorci de proveïdors de productes per a proporcionar interoperabilidad entre els components (controls de moviment, “drives”, etc.). Tot el tràfic a través d'una ret de SERCOS III consistix de “Indents” (paràmetros) en atributs. Este método va ser definit per primera volta en SERCOS I, com un conjunt pla essencialment de “Indents”. Despuix, varen ser agrupats en conjunts d'aplicació per a ajudar en la selecció de “Indents” pertinents requerits per a una indústria donada, tal com “Pack Profile” per a l'us de màquines d'embalage. Durant el desenroll de l'especificació SERCOS III, esta metodologia es va perfeccionar per a agrupar llògicament els "Idents" per un dispositiu de classe. La definició de “Indents” llegats ha permaneixcut pràcticament intacte; més be els seus grups han segut revaluados per a una arquitectura més entendible. Açò també ha permés la separació de “Indents” de comunicació en un subconjunt llògic, simplificant la migració de SERCOS I/II a SERCOS III, i aixina proporcionant una visió clara als usuaris.

SERCOS III Redundància sanación una ruptura d'anell

Redundància

Quan una ret en anell és amprada, SERCOS III proporciona l'infraestructura per a la redundància automàtica. Si algun punt d'interconexió en l'anell deixa de funcionar, els nodos SERCOS III associats detectaran una “ruptura d'anell” i “tancaran” els nodos finals, aixina efectivament operen com dos llínees en lloc d'un anell.

Esta operació és sense protuberància, com la detecció i temps de recuperació a una ruptura és menys de 25µ-seg, que és menys que el mínim d'un cicle de temps de SERCOS III. SERCOS III també pot recuperar-se de ruptura d'anell i “sanar” sense interrupció en l'operació. Com els telegrames de SERCOS III continuen sent emesos per transmetre “PMAs” en els ports no conectats, i rebre “PMAs” en els ports no contactats, ya que seguix monitoreando per senyes d'entrada, quan un port de SERCOS III reconeix que l'anell ha segut tancat físicament, re-activarà els telegrames en contra-rotació per a funcionalmente tancar els anells de nou. Esta operació també és sense protuberància.

Comunicacions Peer

Per a assegurar el determinisme necessari, la majoria dels estàndarts Ethernet en temps Real imponen un método d'únicament-Mestre-a-Esclau de comunicacions. Açò pot crear conflicte en la necessitat d'un nodo en el sistema per a intercanviar senyes de manera eficient en un nodo que no siga el mestre (màster) de la ret. El método convencional per a conseguir açò en una ret de mestre-esclau és passar senyes d'un nodo esclau al mestre (màster), a on es torna a reemitir a un o més esclaus diferents. Per eixemple, si vàries unitats (drives) de servo en una ret es van a sincronisar a una senyal d'una atra unitat (drive) en la ret, el mestre (màster) deu extraure la senyal d'esta unitat (drive) i tornar a emetre a totes les atres unitats en la ret. Les desventages d'este método són que els retarts s'induïxen pels cicles múltiples requerits, i la càrrega de processament del mestre (màster) s'incrementa, ya que deu participar activament en la funció, a pesar de que no contribuïx en res. Senyes de qualsevol esclau i cap a qualsevol esclau poden accedir a un atre nodo en la ret sense cap retart de cicle adicional o intervenció del mestre (màster), ya que les senyes no es destruïxen en un telegrama de SERCOS III. Ademés, com a telegrames passen cada nodo dos voltes en un cicle (per a abdós tipos d'topología), un nodo pot inclús té l'oportunitat d'accedir a les senyes suministrades per un nodo subsegüent. Dos métodos de comunicació “peer” es definixen en l'especificació SERCOS III: Controlador a Controlador (C2C) per a que es comuniquen entre sí múltiples mestres (màsters) i Comunicació Creuada (CC) per a esclaus múltiples.

Conexió en Calenta (Hot-Plugging)

Una atra característica de SERCOS III és “hot-plugging”, que és la capacitat per a agregar dispositius a una ret activa. En les característiques descrites per a la redundància, una ret pot detectar quan un dispositiu nou és conectat a una ret activa. Existixen processos que configuren el dispositiu nou, i anuncia la seua disponibilitat per al control mestre (màster). Despuix d'això, el control mestre (màster) pot seleccionar per a fer us del dispositiu nou basat en l'aplicació actualment en eixecució.

Canal No-Temps Real (NRT- Senar-Real Clave)

El temps entre el final de la transmissió de tots els telegrames cíclicos SERCOS III en Temps Real (RT) i el començ del següent cicle de la comunicació es definix com a “Canal No-Temps Real de SERCOS III” (Canal NRT). Durant este periodo de temps, la Ret SERCOS s'obri per a permetre la transmissió de trames compatibles en Ethernet per a atres servicis i protocols. Per eixemple:

Els servidors Web poden ser incorporats (“embedded”) en dispositius compatibles en SERCOS III per a respondre als mensages estàndar del Protocol de Transferència d'Hipertext (HTTP) rebuts a través del Canal NRT.

Trama de reds d'atres bus de camp estàndar que conformen al format de trames de Ethernet poden ser transmesos a través d'una ret SERCOS III. Cada nodo compatible de SERCOS III deu permetre el pas de trama de NRT a través del seu interfaç de SERCOS III. Si un nodo de SERCOS III activament fa us de la característica de NRT està determinada pel conjunt de característiques del producte. Si, per eixemple, el dispositiu té un servidor web incorporat, podria posar a disposició la seua direcció IP per a l'accés d'atres dispositius.

Una ret SERCOS III passarà sempre trames NRT, inclús quan el funcionament cíclico no s'ha inicializado. Açò significa que els dispositius sempre tenen accés a la ret per a mensages NRT, sempre i quan els ports estiguen alimentats.

Canal NRT

SERCOS III no definix si un port deu operar en cort a través de conmutación (cut-through switching) o modo d'almagasenar i reenviar (store-and-forward mode) la manipulació de trames de NRT. Actualment en el mercat hi ha productes de SERCOS III que soporten abdós modos. Igualment, SERCOS III no definix si un port deu processar inteligentment telegrames NRT, com deprendre la topología de la ret.

El temps assignat per a NRT és dictada per la cantitat de senyes transmeses durant la porció RT (Temps Real) del cicle. En aplicacions del món real, hi ha una cantitat considerable d'ample de banda disponible per als marcs de NRT. Per eixemple, en una aplicació típica en 8 eixos de moviment i una velocitat de cicle de 250 microsegons, l'equivalent a 85Mbps està disponible per a l'us NRT. Esta cantitat de temps significa que la trama de NRT en este eixemple pot ser tan llarga com el màxim definit per a Ethernet (Unitat Màxima de Transmissió [MTU]= 1500). Usant el mateix eixemple, de 8 eixos, pero en un temps de cicle de 62.5 microsegons, l'ample de banda efectiu disponible per a la trama de NRT seria de 40 Mbps, i el MTU es reduiria a 325. De la mateixa manera que en qualsevol ret a on el temps en el bus és compartit, els valors de MTU deuria ser configurat per a assegurar una comunicació fiable. Correctament configurat rets SERCOS s'establixca el paràmetro SERCOS "MTU Requerit " (S-0-1027.0.1 “Requested MTU”) al valor de MTU recomanat, que després poden ser llegits per atres dispositius per a que coincidixca en la seua configuració de MTU. Independentment del valor d'este paràmetro, un nodo SERCOS permetrà que el tràfic no-SERCOS passar tot el temps del periodo del canal NRT (és dir, és dir, telegrames més llarc que el valor de MTU no es descarten per la pila de SERCOS). El paràmetro de SERCOS S-0-1027.0.1 està configurat per defecte a 576 el valor mínim s'indica en el RFC 791.

Accés NRT a través d'un port obert

Accés NRT a través d'una Conexió-NRT