EtherCAT va ser desenvolupat primer per un gran PLCs fabricant, és a dir, Beckhoff Automation, que s'utilitza en sistemes de control en temps real i automatització industrial . Beckhoff Automation va desenvolupar la seva pròpia versió Fieldbus com LightBus a la dècada de 1980 per abordar el problema de l'ample de banda d'altres interfícies. El treball addicional en aquest protocol va donar lloc finalment a la invenció d'EtherCAT. Beckhoff va llançar el protocol EtherCAT l'any 2003 a tot el món. Després d'això, van aportar els drets al Grup Tecnològic EtherCAT (ETG) l'any 2004. ETG té un desenvolupador extremadament actiu així com un grup d'usuaris. Aquest article tracta una visió general de Conceptes bàsics d'Ethercat - Treballar amb aplicacions.
Què és un Ethercat?
EtherCAT o Ethernet Control Automation Technology és un sistema de xarxa industrial que depèn del sistema Ethernet utilitzat per aconseguir comunicacions molt ràpides i més eficients. Per tant, EtherCAT és una xarxa molt ràpida que s'utilitza per processar dades amb maquinari i programari dedicats. Aquesta xarxa utilitza una configuració de dúplex complet mestre-esclau amb qualsevol topologia de xarxa .
El temps necessari per processar 1000 punts d'E/S és de 30 segons i es comunica amb 100 eixos servo en 100 us. Els servoeixos obtindran valors establerts per controlar les dades i informar de l'estat real. Aquests eixos es sincronitzen mitjançant un mètode de rellotge distribuït que és una versió simple IEEE 1588 i disminueix la fluctuació per sota d'1 us. L'EtherCAT ofereix una sortida ràpida perquè els missatges es processen dins del maquinari abans de traslladar-los al següent esclau.
Arquitectura EtherCAT
A continuació es mostra l'arquitectura de xarxa EtherCAT que utilitza el principi mestre/esclau per controlar l'accés al mitjà. En aquesta arquitectura, el mestre EtherCAT és normalment el sistema de control que utilitza un port Ethernet típic, així com la informació de configuració de la xarxa emmagatzemada dins del fitxer ENI (EtherCAT Network Information).
El fitxer d'informació de la xarxa EtherCAT es crea simplement a partir dels fitxers ESI (EtherCAT SlaveInformation) que proporcionen els comerciants per a cada dispositiu. Aquí, el node mestre transmet les trames als nodes esclaus que poden inserir i eliminar dades d'aquestes trames. Els dispositius esclaus són nodes com les unitats de motor EPOS3 que contenen els ports Ethernet per comunicar-se mitjançant un mestre EtherCAT. Aquí, el mestre EtherCAT és un dispositiu informàtic utilitzat per mantenir la comunicació de dades entre el mestre i diferents esclaus.
Com funciona EtherCAT?
EtherCAT s'utilitza per superar les fallades típiques d'Ethernet Industrial mitjançant el seu mode d'operació d'alt rendiment, on normalment una única trama és suficient per transmetre i rebre dades de control des de i cap a tots els nodes. El protocol EtherCAT es basa en la capa física d'una Ethernet, però EtherCAT utilitza un enfocament de processament sobre la marxa per al transport i l'encaminament de missatges que també s'anomena comunicació sobre la marxa en lloc d'utilitzar TCP/IP.
A continuació es mostren les configuracions mestre i esclau EtherCAT. En aquesta configuració, el mestre d'Ethercat transmet un paquet de dades (telegrama) per cada esclau que també s'anomena node.
La característica principal d'EtherCAT és que els esclaus de la configuració anterior poden llegir, en cas contrari, extreure simplement les dades relacionades requerides del telegrama i afegir informació al telegrama abans que es mogui al segon node o esclau. Per tant, el telegrama es mou per tots els esclaus connectats i després torna al mestre.
El protocol EtherCAT envia un telegrama des del dispositiu mestre a tots els esclaus connectats a la xarxa. Cada esclau de la xarxa simplement pot llegir les dades aplicables a aquest esclau i pot afegir dades al telegrama abans que es mogui al segon node.
La lectura i escriptura de dades simplement s'habilita mitjançant un ASIC especial a cada esclau d'EtherCAT. En aquest enfocament, cada esclau introduirà un retard mínim en el procediment i les col·lisions no són factibles.
El protocol EtherCAT simplement proporciona una comunicació determinista i en temps real que és compatible amb el control de moviment sincronitzat i multieix sense necessitat de maquinari addicional per aconseguir la sincronització entre diversos eixos.
Falta de tolerància
A la configuració mestre i esclau d'EtherCAT, si la sortida de l'últim node no està aliada amb el mestre, les dades es retornen automàticament en una altra direcció mitjançant el protocol EtherCAT. Per tant, es manté la marca de temps.
Cada node de la configuració anterior marca les dades una vegada que s'obtenen i, després d'això, torna a estampar-les un cop les transmet al segon node. En conseqüència, sempre que el mestre recupera les dades dels diferents nodes, determina fàcilment la latència de cada node. La transmissió de dades des del mestre obté una marca de temps d'E/S de cada node per fer que l'EtherCAT sigui molt més determinista i precís.
La tolerància a fallades significa que les xarxes d'EtherCAT no s'han de connectar en una xarxa d'anell tal com es mostra al diagrama anterior, però es pot connectar de diferents maneres, com ara topologia d'arbre, topologia de línia, topologia d'anell, topologia d'estrella i també amb combinacions.
Per descomptat, entre els esclaus i el mestre, hi ha d'haver un carril de connexió. Un cop els desconnecteu, no poden funcionar, tot i que la topologia de la xarxa és molt flexible i tolera els errors a un nivell excel·lent.
En els sistemes EtherCAT, els commutadors no són necessaris com el que hem trobat a Ethernet. Es poden aconseguir longituds de cable entre nodes de fins a 100 metres. La senyalització diferencial de baixa tensió dels cables de coure de parell trenat funciona a velocitats màximes amb molt menys consum d'energia. Per tant, també és factible utilitzar cables de fibra òptica (FOC) per millorar la velocitat i incloure aïllament galvànic entre dispositius.
EtherCAT utilitza un cable Ethernet que pot tenir un rang de fins a 100 m entre dos nodes. A més, el protocol permet la transmissió de dades i l'alimentació mitjançant un cable. Aquest tipus de connexió s'utilitza per connectar diferents dispositius com sensors amb una sola línia. Si la distància del node és superior a 100 m, s'utilitza el cable de fibra òptica com 100BASE-FX. Per a EtherCAT, també està disponible la gamma completa de cablejat Ethernet.
Marc EtherCAT
El protocol EtherCAT utilitza una trama Ethernet típica que inclou un mínim d'un datagrames o més. En aquest marc, la capçalera del datagrama especificarà quin tipus d'entrada voldria fer el dispositiu mestre:
- Llegir, escriure, llegir-escriure.
- Dret d'entrada a un dispositiu esclau determinat mitjançant adreçament directe o dret d'entrada a diversos dispositius esclaus mitjançant adreçament lògic.
L'adreçament lògic s'utilitza per al procés d'intercanvi de dades cíclic on cada Datagrama s'adreça a una fracció exacta de la imatge del procés dins del segment del protocol EtherCAT.
Cada dispositiu esclau s'assigna amb una o més adreces en aquest espai d'adreces global a tota la xarxa establerta. Es pot considerar un únic datagrama si s'assignen adreces a diversos dispositius esclaus dins d'una regió similar.
A EtherCAT, els Datagrames inclouen la informació relacionada amb l'accés a les dades, de manera que el dispositiu mestre pren una decisió sobre quan accedir a les dades.
Protocol de seguretat
Actualment, la seguretat és una de les principals característiques fins i tot en l'àmbit de l'automatització tant per a la transferència de dades com per a la comunicació. Per tant, EtherCAT utilitza el protocol Safety amb finalitats de seguretat, ja que permet un únic sistema de comunicació tant per a la seguretat com per al control de les dades. Aquesta funció de seguretat també modifica les dades de manera flexible i amplia l'arquitectura del sistema de seguretat, etc.
La tecnologia de seguretat del protocol EtherCAT està certificada TÜV i es va desenvolupar basant-se en IEC 61508 i és idèntica a IEC 61784-3. Aquest protocol és aplicable en aplicacions de seguretat mitjançant un nivell d'integritat de seguretat igual al SIL 3.
Ethercat vs Ethernet
Les diferències entre EtherCAT i Ethernet es comenten a continuació.
|
EtherCAT |
Ethernet |
| EtherCAT és un sistema de bus de camp basat en Ethernet. | Ethernet és una tecnologia de xarxa d'ordinadors per cable. |
| S'aplica als requisits de computació en temps real tant suaus com durs dins de la tecnologia d'automatització. | És aplicable a LAN, MAN i WAN. |
| La norma internacional Ethercat és IEC 61158 | L'estàndard internacional Ethernet és IEEE-802.3. |
| Requereix operació mestre/esclau. | No requereix operació mestre/esclau. |
| Necessita una topologia basada en anells. | No necessita una topologia basada en anells. |
| Està optimitzat especialment per al control en temps real. | No està optimitzat per al control en temps real. |
| Està optimitzat per evitar col·lisions de dades. | No està optimitzat per mantenir-se allunyat de col·lisions de dades. |
Ethercat Vs Profinet
Les diferències entre EtherCAT i Profinet es discuteixen a continuació.
|
EtherCAT |
Profinet |
| EtherCAT és un tipus de protocol utilitzat per aportar la flexibilitat i la potència d'Ethernet a l'automatització industrial, sistemes de control en temps real, control de moviment i sistemes d'adquisició de dades. | Profinet és un protocol de comunicació utilitzat per intercanviar dades entre controladors i dispositius. |
| EtherCAT ofereix una solució oberta a un cost molt inferior en comparació amb PROFINET IRT i SERCOS III. | Profinet no ofereix una solució oberta a un cost molt inferior. |
| El seu temps de resposta és de 0,1 ms. | El seu temps de resposta és <1 ms. |
| La fluctuació d'Ethercat és < 0,1 ms. | El jitter de Profinet és < 1 ms. |
Ethercat vs CANopen
Les diferències entre EtherCAT i CANopen es discuteixen a continuació.
|
EtherCAT |
CANopen |
| La velocitat del bus a Ethercat és de 100 Mbps. | La velocitat del bus a CANopen és d'1 Mbps. |
| El mode de transferència utilitzat a Ethercat és un full duplex. | El mode de transferència utilitzat a CANopen és semidúplex. |
| El determinisme o la fluctuació entre dispositius és baix com 1ns. | El determinisme o la fluctuació entre dispositius és normalment de 100 a 200 ns. |
| S'utilitza un únic mestre amb un o molts esclaus. | S'utilitza un únic/multi-master amb un o molts esclaus. |
| La distància màxima entre dispositius és de 100 metres. | La distància màxima entre dispositius depèn principalment de la velocitat del bus. |
| El port de comunicació utilitzat com a secundari és un USB. | El port de comunicació utilitzat com a secundari és RS232. |
Ethercat vs Modbus
Les diferències entre EtherCAT i Modbus es comenten a continuació.
|
EtherCAT |
Modbus |
| EtherCAT és un sistema de bus de camp basat en Ethernet. | Modbus és un protocol de comunicació de dades en sèrie |
| Utilitza el principi de processament sobre la marxa. | Utilitza línies de comunicació en sèrie de caràcters. |
| EtherCAT es basa en el model mestre i esclau. | Modbus es basa en un model de petició-resposta. |
| Admet tots els topologies de xarxa gairebé. | Només admet topologies de línia i estrella. |
| Ethercat és determinista. | Modbus no és determinista perquè es basa en TCP. |
Avantatges i inconvenients
Els avantatges del protocol Ethercat inclouen els següents.
- EtherCAT és un bus de camp excel·lent utilitzat en aplicacions de control de moviment.
- Es verifica per optimitzar el rendiment de la màquina a través de la seva topologia flexible, rendiment determinista i diferents conjunts de característiques.
- Simplement és compatible amb tota la família CANopen i el perfil d'accionament de Sercos. Així, això ajuda els usuaris a organitzar fàcilment les xarxes EtherCAT a l'aplicació exacta canviant els perfils fonamentals predefinits.
- La seva redundància també és possible mitjançant una topologia en anell. EtherCAT també utilitza estrella, arbre, línia i topologia de bus .
- Aquest protocol proporciona alta velocitat, menys trànsit de dades, menys cost de maquinari i més mecanisme de precisió i sincronització del rellotge en comparació amb Ethernet.
- Aquesta velocitat de xarxa també es pot gestionar perquè els ordinadors poden tenir problemes per manejar la millor quantitat de cicles, per la qual cosa es pot aconseguir l'optimització dins d'EtherCAT.
- Admet gairebé totes les topologies de manera que es pot utilitzar en una àmplia gamma d'aplicacions amb el típic commutador basat en topologia en estrella Ethernet.
- Protocols Ethernet són molt segurs, fan servir màsters simplificats, l'espai de dades és més gran i el processament és al vol.
Els desavantatges del protocol Ethercat inclouen els següents.
- El principal inconvenient d'EtherCAT és que els dispositius esclaus requereixen inserir un maquinari ASIC específic per executar EtherCAT. El seu model de dades és extremadament diferent i també molt difícil d'entendre.
Aplicacions
El aplicacions d'EtherCAT incloure el següent.
- L'EtherCAT és aplicable en diferents camps a causa de moltes característiques com ara un rendiment excel·lent, simplicitat, robustesa, assequibilitat, seguretat integrada i topologia flexible. S'utilitza en diferents camps com màquines eina, robòtica, premses d'impressió, premses, centrals elèctriques, subestacions, bancs d'assaig, màquines de soldadura, maquinària agrícola, grues i ascensors, aerogeneradors, fresadores, màquines Pick and Place, màquines d'envasat, mesurament. sistemes, siderúrgia, màquines de paper i pasta, sistemes de control d'escenari, sistemes de control de túnels, etc.
- És aplicable en el mesurament d'equips, dispositius mèdics, control de màquines, màquines mòbils, nombrosos sistemes integrats i automòbils.
- Té un rendiment extremadament alt, és senzill d'instal·lar i obre el protocol basat en la capa d'aplicació utilitzat en aplicacions Ethernet
- Es tracta d'un sistema de comunicació obert i en temps real, molt utilitzat en la fabricació d'automatització.
Així, això és una visió general d'Ethercat - Treballar amb aplicacions. EtherCAT fa que els sistemes i les màquines siguin més senzills, ràpids i rendibles. És un estàndard IEC internacional que no només representa estabilitat, sinó també obertura: fins ara, les especificacions EtherCAT mai s'han alterat, sinó que s'han ampliat només de manera compatible. EtherCAT es considera el 'Ethernet Fieldbus' ja que fusiona els avantatges d'Ethernet amb la simplicitat dels sistemes de Fieldbus estàndard i evita la complexitat de les tecnologies de TI. Aquí teniu una pregunta per a vosaltres, què és Ethernet?
