Ce este un EtherCAT: arhitectură, lucru și aplicațiile sale

EtherCAT a fost dezvoltat mai întâi de un major PLC-uri producător și anume Beckhoff Automation, care este utilizat în sisteme de control în timp real și automatizare industriala . Beckhoff Automation și-a dezvoltat propria versiune Fieldbus precum LightBus în anii 1980 pentru a rezolva problema lățimii de bandă pentru alte interfețe. Munca suplimentară asupra acestui protocol a dus în cele din urmă la invenția EtherCAT. Beckhoff a lansat protocolul EtherCAT în 2003 în întreaga lume. După aceea, au contribuit cu drepturile EtherCAT Technology Group (ETG) în 2004. ETG are un dezvoltator extrem de activ, precum și un grup de utilizatori. Acest articol discută o prezentare generală a Bazele Ethercat – lucrul cu aplicații.

Ce este un Ethercat?

EtherCAT sau Ethernet Control Automation Technology este un sistem de rețea industrială care depinde de sistemul Ethernet utilizat pentru a obține comunicații foarte rapide și mai competente. Deci, EtherCAT este o rețea foarte rapidă folosită pentru a procesa date cu hardware și software dedicat. Această rețea folosește o configurație master-slave, full duplex cu oricare topologie de rețea .

Timpul necesar procesării a 1000 de puncte I/O este de 30 de secunde și comunică cu 100 de axe servo în 100 us. Axele servo vor primi valori setate pentru a controla datele și pentru a raporta starea reală. Aceste axe sunt sincronizate printr-o metodă de ceas distribuită care este o versiune simplă IEEE 1588 și scade fluctuația la sub 1 us. EtherCAT oferă rezultate rapide, deoarece mesajele sunt procesate în hardware înainte de a fi mutate la următorul slave.

Arhitectura EtherCAT

Arhitectura de rețea EtherCAT este prezentată mai jos, care utilizează principiul master/slave pentru controlul accesului la mediu. În această arhitectură, masterul EtherCAT este în mod normal sistemul de control care utilizează un port Ethernet tipic, precum și informațiile de configurare a rețelei stocate în fișierul ENI (EtherCAT Network Information).

Fișierul EtherCAT Network Information este creat pur și simplu pe baza fișierelor ESI (EtherCAT SlaveInformation) care sunt date de comercianți pentru fiecare dispozitiv. Aici, nodul master transmite cadrele către nodurile slave care pot introduce și elimina date din aceste cadre. Dispozitivele slave sunt noduri precum unitățile de motor EPOS3 care conțin porturile Ethernet pentru a comunica printr-un master EtherCAT. Aici, masterul EtherCAT este un dispozitiv de calculator folosit pentru a menține comunicarea de date între master și diferiți slave.

Cum funcționează EtherCAT?

EtherCAT este folosit pentru a depăși defecțiunile tipice ale Ethernetului industrial prin modul său de funcționare de înaltă performanță, unde de obicei un singur cadru este suficient pentru a transmite și a primi date de control de la și către toate nodurile. Protocolul EtherCAT este construit pe stratul fizic al unui Ethernet, cu toate acestea, EtherCAT utilizează o abordare de procesare din mers pentru transport și rutare a mesajelor, care se mai numește și comunicare din mers, mai degrabă decât utilizarea TCP/IP.

Configurațiile EtherCAT master și slave sunt prezentate mai jos. În această configurație, masterul Ethercat transmite un pachet de date (telegramă) în fiecare slave, care este numit și nod.
Caracteristica principală EtherCAT este că slavii din configurația de mai sus pot citi, altfel extrag pur și simplu datele aferente necesare din telegramă și adăuga informații la telegramă înainte ca aceasta să se mute în al doilea nod sau slave. Deci, telegrama se deplasează prin toți sclavii conectați și după aceea revine la master.

Protocolul EtherCAT trimite o telegramă de la dispozitivul master către toți slave conectați în rețea. Fiecare slave din rețea poate citi pur și simplu datele aplicabile acelui slave și poate adăuga date la telegramă înainte ca aceasta să se mute la al doilea nod.

Citirea și scrierea datelor sunt pur și simplu activate printr-un ASIC special pe fiecare slave al EtherCAT. În această abordare, fiecare slave va introduce o întârziere minimă procedurii și coliziunile nu sunt fezabile.

Protocolul EtherCAT oferă pur și simplu o comunicare în timp real și deterministă, care este compatibilă cu controlul mișcării sincronizat și pe mai multe axe, fără a fi nevoie de hardware suplimentar pentru a obține sincronizarea între mai multe axe.

Toleranță la erori

În configurația master și slave a EtherCAT, dacă ieșirea ultimului nod nu este aliată cu masterul, atunci datele sunt returnate automat în altă direcție prin protocolul EtherCAT. Deci, marcarea temporală este menținută.

Fiecare nod din configurația de mai sus amplifică datele odată ce sunt obținute și, după aceea, ștampilă din nou odată ce le transmite pe al doilea nod. În consecință, ori de câte ori masterul primește datele de la diferite noduri, atunci determină cu ușurință latența fiecărui nod. Transmisia datelor de la master obține o ștampilă de timp I/O de la fiecare nod pentru a face EtherCAT mult mai determinist și mai precis.

Toleranța la eroare înseamnă că rețelele EtherCAT nu trebuie să fie conectate într-o rețea inelă, așa cum se arată în diagrama de mai sus, totuși pot fi conectate în diferite moduri, cum ar fi topologia arborescentă, topologia liniei, topologia inelului, topologia în stea și, de asemenea, cu combinatii.

Desigur, între sclavi și stăpân, trebuie să existe o bandă de legătură. Odată ce le deconectați, atunci nu pot funcționa, deși topologia rețelei este foarte flexibilă și tolerează erorile la un nivel excelent.

În sistemele EtherCAT, comutatoarele nu sunt necesare așa cum am găsit în Ethernet. Lungimile cablurilor între noduri de până la 100 de metri sunt realizabile. Semnalizarea diferențială de joasă tensiune pe cablurile de cupru perechi răsucite funcționează la viteze maxime cu un consum de energie foarte mic. Prin urmare, este posibil să se utilizeze cabluri de fibră optică (FOC) pentru a îmbunătăți viteza și pentru a include izolarea galvanică între dispozitive.

EtherCAT folosește un cablu Ethernet care poate avea o rază de până la 100 m între două noduri. În plus, protocolul permite transmiterea datelor și alimentarea printr-un singur cablu. Acest tip de conexiune este folosit pentru a conecta diferite dispozitive, cum ar fi senzori, cu o singură linie. Dacă distanța nodului este mai mare de 100 m, atunci cablul de fibră optică este utilizat ca 100BASE-FX. Pentru EtherCAT este disponibilă și gama completă de cabluri Ethernet.

Cadru EtherCAT

Protocolul EtherCAT utilizează un cadru Ethernet tipic care include minimum una sau mai mult datagrame. În acest cadru, antetul datagramei va specifica ce fel de intrare ar dori să efectueze dispozitivul principal:

• Citește, scrie, citește-scrie.
• Dreptul de intrare la un anumit dispozitiv slave prin adresare directă sau dreptul de intrare la diferite dispozitive slave prin adresare logică.

Adresarea logică este utilizată pentru procesul de schimb ciclic de date în care fiecare datagramă se adresează unei fracțiuni exacte a imaginii procesului în cadrul segmentului protocolului EtherCAT.

Fiecare dispozitiv slave este alocat cu o singură sau mai multe adrese în acest spațiu de adrese global în întreaga rețea stabilită. O singură datagramă poate fi luată în considerare dacă mai multe dispozitive slave sunt alocate adrese într-o regiune similară.

În EtherCAT, Datagramele includ informațiile legate de accesul la date, astfel încât dispozitivul principal ia o decizie cu privire la momentul în care să acceseze datele.

Siguranța protocolului

În prezent, siguranța este una dintre principalele caracteristici chiar și în domeniul automatizării pentru transferul de date, precum și comunicare. Deci, EtherCAT folosește protocolul Safety în scopuri de securitate, permițând un singur sistem de comunicații atât pentru siguranța, cât și pentru controlul datelor. Această caracteristică de siguranță modifică, de asemenea, datele în mod flexibil și extinde arhitectura sistemului de securitate etc.

Tehnologia de siguranță a protocolului EtherCAT este certificată TÜV și a fost dezvoltată pe baza IEC 61508 și este identică cu IEC 61784-3. Acest protocol este aplicabil în aplicațiile de siguranță printr-un nivel de integritate de siguranță egal cu SIL 3.

Ethercat vs Ethernet

Diferențele dintre EtherCAT și Ethernet sunt discutate mai jos.

Ethercat Vs Profinet

Diferențele dintre EtherCAT și Profinet sunt discutate mai jos.

Ethercat vs CANopen

Diferențele dintre EtherCAT și CANopen sunt discutate mai jos.

Ethercat vs Modbus

Diferențele dintre EtherCAT și Modbus sunt discutate mai jos.

Avantaje și dezavantaje

Avantajele protocolului Ethercat includ următoarele.

• EtherCAT este un Fieldbus remarcabil utilizat în aplicațiile de control al mișcării.
• Este verificat pentru optimizarea performanței mașinii prin topologia sa flexibilă, performanța deterministă și un set diferit de caracteristici.
• Pur și simplu acceptă întreaga familie CANopen și profilul de unitate Sercos. Prin urmare, acest lucru ajută utilizatorii să aranjeze cu ușurință rețelele EtherCAT la aplicația exactă prin schimbarea profilurilor fundamentale predefinite.
• Redundanța sa este posibilă și folosind o topologie inelă. EtherCAT folosește, de asemenea, stea, arbore, linie și topologia magistralei .
• Acest protocol oferă viteză mare, trafic de date mai puțin, cost hardware mai mic și mecanism de sincronizare și precizie mai mare a ceasului în comparație cu Ethernet.
• Această viteză a rețelei poate fi gestionată, de asemenea, deoarece computerele pot avea probleme în gestionarea cantității mai bune de cicluri, astfel încât optimizarea în EtherCAT este realizabilă.
• Acceptă aproape toate topologiile, astfel încât să poată fi utilizat într-o gamă largă de aplicații cu comutatorul tipic Ethernet bazat pe topologie stea.
• Protocoale Ethernet sunt foarte sigure, folosesc master simplificate, spațiul de date este mai mare și procesarea este rapidă.

Dezavantajele protocolului Ethercat includ următoarele.

• Principalul dezavantaj al EtherCAT este că dispozitivele slave necesită inserarea unui anumit hardware ASIC pentru a executa EtherCAT. Modelul său de date este extrem de diferit și, de asemenea, foarte greu de înțeles.

Aplicații

The aplicații EtherCAT includ următoarele.

• EtherCAT este aplicabil în diferite domenii datorită multor caracteristici precum performanță excelentă, simplitate, robustețe, accesibilitate, securitate integrată și topologie flexibilă. Este utilizat în diferite domenii, cum ar fi mașini-unelte, robotică, prese de tipar, prese, centrale electrice, substații, bancuri de testare, mașini de sudură, mașini agricole, macarale și ascensoare, turbine eoliene, mașini de frezat, mașini Pick and Place, mașini de ambalare, măsurători sisteme, fabrici de siderurgie, mașini de hârtie și celuloză, sisteme de control pe scenă, sisteme de control tunel etc.
• Este aplicabil în măsurarea echipamentelor, dispozitivelor medicale, controlului mașinilor, mașinilor mobile, numeroase sisteme încorporate și automobile.
• Are performanțe extrem de ridicate, este simplu de instalat și este deschis un protocol bazat pe strat de aplicație, utilizat în aplicațiile Ethernet
• Acesta este un sistem de comunicare deschis și în timp real, atât de utilizat pe scară largă în producția de automatizări.

Astfel, aceasta este o privire de ansamblu asupra Ethercat – lucrul cu aplicații. EtherCAT face sistemele și mașinile mai simple, mai rapide și mai rentabile. Este un standard internațional IEC care nu reprezintă exclusiv stabilitate, ci și deschidere: până acum, specificațiile EtherCAT nu au fost niciodată modificate, ci extinse doar compatibil. EtherCAT este considerat „Ethernet Fieldbus”, deoarece îmbină beneficiile Ethernet cu simplitatea sistemelor standard Fieldbus și evită complexitatea tehnologiilor IT. Iată o întrebare pentru tine, ce este Ethernet?