Endüstriyel Protokoller. Tezgâh Ölçümü
Tezgâhta ÖlçüldüEtherCAT Hattında Gecikme, Jitter ve Paket Kaybı Ölçümü
Ortalama 19,2 µs gidiş-dönüş · jitter ≤ 1 µs · %0 paket kaybı
TI Sitara AM572x IDK · TI-RTOS · Acontis EC-Master v3.2 · TMS320F28388D
01Problem
Neden EtherCAT? Standart Ethernet Nerede Yetmiyor?
Bir makinede eksenlerin birlikte hareket etmesi, her çevrimde verinin aynı süre içinde gidip gelmesini gerektirir. Standart Ethernet bunu yapı gereği garanti etmez: paket bir switch kuyruğuna girer, işletim sistemi zamanlayıcısını bekler ve ne zaman varacağı yükle birlikte değişir. EtherCAT bu iki belirsizliği de ortadan kaldırır, tek bir çerçeve tüm hattı dolaşır, her slave çerçeve üzerinden geçerken kendi verisini donanımda işler, switch yoktur. Biz de bunun pratikte ne kadar tuttuğunu görmek için hattı kurup ölçtük.
- 01Standart Ethernet'te varış zamanı switch kuyruğuna ve işletim sistemi zamanlayıcısına bağlıdır, çevrim başına sabit bir süre garantisi yoktur
- 02Kuyruk taştığında paket düşer; yeniden iletim gecikmeyi sıçratır ve kontrol döngüsü bir çevrimi kaçırır
- 03Her cihaza ayrı paket gönderen protokollerde cihaz sayısı arttıkça çevrim süresi doğrusal büyür
- 04TCP/IP yığını, çevrimsel proses verisi için gereğinden ağırdır, başlık yükü ve kopyalama kritik yolu uzatır
- 05Özel fieldbus donanımı determinizmi çözer ama tedarikçi ekosistemine bağlar ve maliyeti yükseltir
02Tezgâh Kurulumu
03Ölçüm Sonuçları
Hat üzerinde bir çevrim
Master çerçeveyi hatta bırakır; her slave çerçeve üzerinden geçerken kendi verisini “on the fly” yazar ve okur. Çerçeve hattın sonundan master'a döner. Ölçtüğümüz süre, çerçevenin gönderilmeye başlanmasından son baytının geri alınmasına kadar geçen süredir.
Standart Ethernet ile karşılaştırma
| Ölçüt | Standart Ethernet | EtherCAT (ölçtüğümüz) |
|---|---|---|
| Jitter | Garanti edilmez, switch kuyruğu ve işletim sistemi zamanlayıcısına bağlı olarak değişir | En fazla 1 µs |
| Paket kaybı | Kuyruk taşmasında paket düşer; yeniden iletim gecikmeyi sıçratır | Ölçümlerimizde %0 |
| Veri gecikmesi / döngü süresi | Yük altında değişken; milisaniye mertebesine çıkabilir | Ortalama 19,2 µs, 1 kHz ile 10 kHz arasında sabit |
EtherCAT sütunu kendi tezgâhımızda ölçülmüştür. Ethernet sütunu ölçümümüz değildir, standart switch'li Ethernet/TCP-IP yığınının yapısal davranışını tarif eder, referans olarak verilmiştir.
Veri boyutunun gecikmeye etkisi
1 slave · 10 kHz · çift yönlü veri boyutu
Gecikmeyi belirleyen baskın etken veri boyutu. Sürenin çoğu hat üzerindeki iletimde geçiyor; 100 Mb/s yerine Gb/s bir arayüz bu süreyi doğrudan aşağı çeker.
| Veri boyutu | En düşük | Ortalama | En yüksek | Toplam | Bant genişliği |
|---|---|---|---|---|---|
| 32 B | 17,40 | 18,00 | 27,70 | 24,30 | 5,798 Mb/s |
| 64 B | 18,50 | 19,20 | 29,10 | 25,50 | 8,230 Mb/s |
| 128 B | 20,40 | 21,20 | 32,10 | 27,30 | 13,122 Mb/s |
| 512 B | 33,20 | 34,10 | 43,40 | 40,30 | 42,419 Mb/s |
| 1024 B * | 49,60 | 50,60 | 62,00 | 56,80 | 54,321 Mb/s |
* Çift yönlü veri, tek bir EtherCAT çerçevesinin sınırını aştığı için iki çerçeveye bölünür. Değerler iki çerçeveden biri içindir ve döngü frekansı stabil iletim için düşürülmüştür (1024 B → 6,6 kHz, 2×512 B → 5 kHz).
Slave sayısının gecikmeye etkisi
2 slave · 10 kHz · slave başına çift yönlü veri boyutu
Eşit toplam veri yükünde ikinci slave ortalama gecikmeye yalnızca 0.1 µs ekliyor (2 × 32 B: 19,3 µs, 1 × 64 B: 19,2 µs). Acontis'in slave başına verdiği ~1 µs referans değerinin altında.
| Veri boyutu | En düşük | Ortalama | En yüksek | Toplam | Bant genişliği |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 × 32 B | 18,50 | 19,30 | 33,30 | 25,50 | 8,230 Mb/s |
| 2 × 64 B | 20,40 | 21,20 | 35,10 | 27,40 | 13,122 Mb/s |
| 2 × 128 B | 24,50 | 25,50 | 40,00 | 31,80 | 22,888 Mb/s |
| 2 × 512 B * | 49,50 | 50,50 | 64,30 | 56,70 | 40,740 Mb/s |
* Çift yönlü veri, tek bir EtherCAT çerçevesinin sınırını aştığı için iki çerçeveye bölünür. Değerler iki çerçeveden biri içindir ve döngü frekansı stabil iletim için düşürülmüştür (1024 B → 6,6 kHz, 2×512 B → 5 kHz).
Döngü frekansının gecikmeye etkisi
1 slave · 64 B çift yönlü
1 kHz ile 10 kHz arasında ortalama gecikme 19,7 µs'den 19,2 µs'ye iniyor, pratikte sabit. Döngüyü hızlandırmak gecikmeyi artırmıyor.
| Frekans / döngü | En düşük | Ortalama | En yüksek | Toplam | Bant genişliği |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 kHz · 1000 µs | 19,10 | 19,70 | 28,50 | 26,10 | 0,823 Mb/s |
| 2 kHz · 500 µs | 18,60 | 19,40 | 29,30 | 25,70 | 1,646 Mb/s |
| 5 kHz · 200 µs | 18,50 | 19,20 | 28,70 | 25,50 | 4,115 Mb/s |
| 10 kHz · 100 µs | 18,50 | 19,20 | 30,90 | 25,50 | 8,230 Mb/s |
04Bu Sayılar Ne Anlama Geliyor?
Ölçtüğümüz hat, standart Ethernet donanımı üzerinde çevrim başına öngörülebilir bir süre veriyor: veri 100 Mb/s bir hatta ortalama 19,2 µs'de gidip dönüyor, yazılım yükü dahil uygulamanın gördüğü süre 25,5 µs. Bu rakamların büyüklüğünden çok değişmemesi önemli, kontrol mühendisi için kullanışlı olan, sürenin kısa olması kadar her çevrimde aynı olmasıdır.
- 01Döngüyü 1 kHz'den 10 kHz'e çıkarmak gecikmeyi artırmıyor, kontrol çevrimini hızlandırmanın bedeli yok
- 02İkinci slave ortalama gecikmeye 0,1 µs ekliyor; hat büyüdükçe çevrim süresi doğrusal şişmiyor
- 03Gecikmeyi belirleyen baskın etken veri boyutu. PDO haritasını sadeleştirmek doğrudan süre kazandırıyor
- 04100 Mb/s hattın yerini Gb/s bir arayüz alırsa iletim süresi doğrudan aşağı iner; tezgâhtaki slave ESC'si 100 Mb/s ile sınırlı
- 05Özel fieldbus donanımı yerine standart Ethernet PHY, tedarik esnekliği ve BOM maliyeti korunuyor
Endüstriyel Protokoller. Tezgâh Ölçümü ihtiyacınızı kendi platformunuzda değerlendirmek için gömülü sistem mimari denetimi planlayabilir ya da sistem gereksinim hesaplayıcısı ile platform sınıfınızı belirleyebilirsiniz.
Metodoloji ve Kapsam Notu
- Ölçümler master cihazı üzerinde yapılmıştır; değerler tüm hattı dolaşan çerçevenin sonuçlarıdır
- Gecikme, çerçevenin gönderilmeye başlanmasından son baytının geri alınmasına kadar geçen süredir. “Toplam” sütunu buna ortalama master yazılımı çalışma süresini ekler
- Jitter (slave senkron hatası) en fazla 1 µs'dir; bu değer gecikme tablosundaki en düşük–en yüksek aralığıyla aynı şey değildir
- Kullanılan master stack EC-Master v3.2 Class B'dir ve dağıtılmış saat (DC) kullanmaz, bu yüzden DC senkron rakamı yayınlamıyoruz
- Testlerin tamamına yakınında paket kaybı gözlenmedi. İstisna, çift yönlü verinin tek EtherCAT çerçevesini aştığı durumlardır; frekans düşürülünce iletim stabil hale gelir
- Standart Ethernet karşılaştırması bizim ölçümümüz değildir; protokolün yapısal davranışını tarif eder ve tabloda böyle etiketlenmiştir
- Sonuçlar nihai değildir, kullanılan karta, koda ve hat yapısına göre değişir
Hattınızda çevrim süresi ve senkronizasyon sorunları mı var?
Ücretsiz teknik değerlendirme ile sisteminizdeki gecikme ve deterministik kontrol sorunlarını birlikte inceleyelim.
Performans verileri kendi tezgâhımızda, yukarıda künyesi verilen kurulumda ölçülmüştür. Ölçüm koşulları ve ham tablolar bu sayfada yayınlanmıştır; metodoloji dökümanı talep üzerine paylaşılır.