Co to jest EtherCAT: architektura, działanie i jego zastosowania

EtherCAT został po raz pierwszy opracowany przez major PLC producenta, a mianowicie Beckhoff Automation, który jest używany w systemach sterowania w czasie rzeczywistym i automatyka przemysłowa . Firma Beckhoff Automation opracowała własną wersję Fieldbus, taką jak LightBus w latach 80-tych w celu rozwiązania problemu przepustowości dla innych interfejsów. Dodatkowa praca nad tym protokołem ostatecznie zaowocowała wynalazkiem EtherCAT. Beckhoff uruchomił protokół EtherCAT w 2003 roku na całym świecie. Następnie w 2004 r. przekazali prawa do EtherCAT Technology Group (ETG). ETG ma niezwykle aktywnego programistę oraz grupę użytkowników. W tym artykule omówiono omówienie Podstawy ethercat – praca z aplikacjami.

Czym jest kot eteryczny?

EtherCAT lub Ethernet Control Automation Technology to przemysłowy system sieciowy, który zależy od systemu Ethernet używanego do uzyskania bardzo szybkiej i bardziej sprawnej komunikacji. Tak więc EtherCAT jest bardzo szybką siecią służącą do przetwarzania danych za pomocą dedykowanego sprzętu i oprogramowania. Ta sieć wykorzystuje konfigurację master-slave, pełny dupleks z dowolnymi Topologia sieci .

Czas potrzebny na przetworzenie 1000 punktów I/O wynosi 30 sekund i komunikuje się ze 100 osiami serwomechanizmu w promieniu 100 us. Osie serwo otrzymają ustawione wartości, aby kontrolować dane i raportować aktualny stan. Osie te są synchronizowane metodą zegara rozproszonego, która jest prostą wersją IEEE 1588 i zmniejsza jitter poniżej 1 us. EtherCAT zapewnia szybkie wyjście, ponieważ komunikaty są przetwarzane w sprzęcie, zanim zostaną przeniesione do następnego urządzenia podrzędnego.

Architektura EtherCAT

Poniżej przedstawiono architekturę sieci EtherCAT, która wykorzystuje zasadę master/slave do kontrolowania dostępu do medium. W tej architekturze, master EtherCAT jest zwykle systemem sterowania, który wykorzystuje typowy port Ethernet, jak również informacje o konfiguracji sieci zapisane w pliku ENI (EtherCAT Network Information).

Plik informacji o sieci EtherCAT jest po prostu tworzony na podstawie plików ESI (EtherCAT SlaveInformation), które są podawane przez sprzedawców dla każdego urządzenia. Tutaj węzeł nadrzędny przesyła ramki do węzłów podrzędnych, które mogą wstawiać i usuwać dane z tych ramek. Urządzenia podrzędne to węzły, takie jak napędy silnikowe EPOS3, które zawierają porty Ethernet do komunikacji za pośrednictwem urządzenia nadrzędnego EtherCAT. Tutaj Master EtherCAT jest urządzeniem komputerowym używanym do utrzymywania komunikacji danych między urządzeniem głównym, a różnymi urządzeniami podrzędnymi.

Jak działa EtherCAT?

EtherCAT służy do przezwyciężania typowych błędów sieci Industrial Ethernet poprzez tryb pracy o wysokiej wydajności, w którym zwykle pojedyncza ramka wystarcza do przesyłania i odbierania danych sterujących ze wszystkich węzłów. Protokół EtherCAT jest zbudowany na fizycznej warstwie sieci Ethernet, jednak EtherCAT wykorzystuje podejście przetwarzania w locie do transportu i routingu komunikatów, które jest również nazywane komunikacją w locie, a nie przy użyciu protokołu TCP/IP.

Konfiguracje urządzeń nadrzędnych i podrzędnych EtherCAT przedstawiono poniżej. W tej konfiguracji master Ethercata przesyła pakiet danych (telegram) przez każdy slave, który jest również nazywany węzłem.
Główną cechą EtherCAT jest to, że urządzenia podrzędne w powyższej konfiguracji mogą odczytywać, w przeciwnym razie po prostu pobierać powiązane dane wymagane z telegramu i dodawać informacje do telegramu, zanim przejdzie on do drugiego węzła lub urządzenia podrzędnego. Tak więc telegram przechodzi przez wszystkie podłączone urządzenia podrzędne, a następnie wraca do urządzenia nadrzędnego.

Protokół EtherCAT wysyła telegram z urządzenia nadrzędnego do wszystkich urządzeń podrzędnych podłączonych w sieci. Każde urządzenie podrzędne w sieci może po prostu odczytać dane dotyczące tego urządzenia podrzędnego i dodać dane do telegramu, zanim przejdzie on do drugiego węzła.

Odczyt i zapis danych jest po prostu włączany przez specjalny układ ASIC na każdym urządzeniu podrzędnym EtherCAT. W tym podejściu każdy slave wprowadzi minimalne opóźnienie w procedurze, a kolizje nie są możliwe.

Protokół EtherCAT po prostu zapewnia komunikację w czasie rzeczywistym i deterministyczną, która jest zgodna z zsynchronizowanym i wieloosiowym sterowaniem ruchem bez konieczności stosowania dodatkowego sprzętu w celu osiągnięcia synchronizacji między kilkoma osiami.

Tolerancja błędów

W konfiguracji EtherCAT master i slave, jeśli dane wyjściowe ostatniego węzła nie są powiązane z masterem, dane są zwracane automatycznie w innym kierunku przez protokół EtherCAT. Tak więc sygnatury czasowe są zachowywane.

Każdy węzeł w powyższej konfiguracji znakuje dane po ich uzyskaniu, a następnie ponownie znakuje po przesłaniu ich do drugiego węzła. W związku z tym za każdym razem, gdy master odzyskuje dane z różnych węzłów, łatwo określa opóźnienie każdego węzła. Transmisja danych z urządzenia nadrzędnego uzyskuje znacznik czasu wejścia/wyjścia z każdego węzła, dzięki czemu EtherCAT jest znacznie bardziej deterministyczny i dokładny.

Odporność na uszkodzenia oznacza, że ​​sieci EtherCAT nie muszą być połączone w sieć pierścieniową, jak pokazano na powyższym schemacie, jednak można je łączyć na różne sposoby, takie jak topologia drzewa, topologia liniowa, topologia pierścienia, topologia gwiazdy, a także z kombinacje.

Oczywiście pomiędzy niewolnikami a masterem musi być linia łącząca. Po odłączeniu nie mogą działać, chociaż topologia sieci jest bardzo elastyczna i doskonale toleruje błędy.

W systemach EtherCAT przełączniki nie są konieczne, jak to, co znaleźliśmy w sieci Ethernet. Możliwe są długości kabli między węzłami do 100 metrów. Sygnalizacja różnicowa niskiego napięcia na skrętkach miedzianych działa przy maksymalnych prędkościach przy bardzo mniejszym zużyciu energii. Dlatego możliwe jest również wykorzystanie kabli światłowodowych (FOC) w celu zwiększenia prędkości i włączenia izolacji galwanicznej między urządzeniami.

EtherCAT wykorzystuje kabel Ethernet, który może mieć zasięg do 100 m między dwoma węzłami. Ponadto protokół umożliwia transmisję danych i zasilanie przez jeden kabel. Ten rodzaj połączenia służy do łączenia różnych urządzeń, takich jak czujniki, za pomocą jednej linii. Jeśli odległość węzła jest większa niż 100m, kabel światłowodowy jest używany jak 100BASE-FX. Dla EtherCAT dostępny jest również kompletny asortyment okablowania Ethernet.

Ramka EtherCAT

Protokół EtherCAT wykorzystuje typową ramkę Ethernet, która zawiera co najmniej jeden lub więcej datagramów. W tej ramce nagłówek datagramu określi rodzaj wejścia, jakie urządzenie nadrzędne chciałoby wykonać:

• Czytaj, pisz, czytaj-pisz.
• Prawo dostępu do konkretnego urządzenia podrzędnego poprzez bezpośrednie adresowanie lub prawo dostępu do różnych urządzeń podrzędnych poprzez adresowanie logiczne.

Adresowanie logiczne jest wykorzystywane w procesie cyklicznej wymiany danych, gdzie każdy Datagram adresuje dokładną część obrazu procesu w segmencie protokołu EtherCAT.

Każdemu urządzeniu podrzędnemu przydzielany jest jeden lub więcej adresów w tej globalnej przestrzeni adresowej w całej ustanowionej sieci. Pojedynczy datagram można rozważyć, jeśli kilka urządzeń podrzędnych ma przydzielone adresy w podobnym regionie.

W EtherCAT Datagramy zawierają informacje związane z dostępem do danych, dzięki czemu urządzenie nadrzędne podejmuje decyzję o tym, kiedy uzyskać dostęp do danych.

Bezpieczeństwo protokołu

Obecnie bezpieczeństwo jest jedną z głównych cech nawet w dziedzinie automatyzacji przesyłania danych i komunikacji. Dlatego EtherCAT używa protokołu Bezpieczeństwo do celów bezpieczeństwa, umożliwiając jedyny system komunikacji zarówno dla bezpieczeństwa, jak i kontroli danych. Ta funkcja bezpieczeństwa również elastycznie modyfikuje dane i rozszerza architekturę systemu bezpieczeństwa itp.

Technologia bezpieczeństwa protokołu EtherCAT posiada certyfikat TÜV i została opracowana na podstawie normy IEC 61508 i jest identyczna z normą IEC 61784-3. Protokół ten ma zastosowanie w aplikacjach bezpieczeństwa na poziomie nienaruszalności bezpieczeństwa równym SIL 3.

Ethercat a Ethernet

Różnice między EtherCAT i Ethernetem omówiono poniżej.

Ethercat kontra Profinet

Poniżej omówiono różnice między EtherCAT i Profinet.

Ethercat kontra CANopen

Poniżej omówiono różnice między EtherCAT i CANopen.

Ethercat a Modbus

Różnice między EtherCAT a Modbus są omówione poniżej.

Zalety i wady

Zalety protokołu Ethercat obejmują następujące elementy.

• EtherCAT to wyjątkowa magistrala Fieldbus wykorzystywana w aplikacjach sterowania ruchem.
• Jest weryfikowany pod kątem optymalizacji wydajności maszyny dzięki elastycznej topologii, deterministycznej wydajności i różnym zestawom funkcji.
• Po prostu obsługuje całą rodzinę CANopen i profil napędu Sercos. W ten sposób pomaga to użytkownikom w łatwym aranżowaniu sieci EtherCAT do konkretnego zastosowania poprzez zmianę predefiniowanych profili podstawowych.
• Jego nadmiarowość jest również możliwa przy użyciu topologii pierścienia. EtherCAT wykorzystuje również gwiazdę, drzewo, linię i topologia magistrali .
• Protokół ten zapewnia dużą szybkość, mniejszy ruch danych, mniejszy koszt sprzętu oraz większą precyzję i mechanizm synchronizacji zegara w porównaniu z Ethernetem.
• Ta szybkość sieci może być również zarządzana, ponieważ komputery mogą mieć problemy z obsługą większej liczby cykli, dzięki czemu możliwa jest optymalizacja w ramach EtherCAT.
• Obsługuje prawie wszystkie topologie, dzięki czemu może być używany w szerokim zakresie aplikacji z typowym przełącznikiem Ethernet opartym na topologii gwiazdy.
• Protokoły Ethernet są bardzo bezpieczne, używają uproszczonych wzorców, więcej miejsca na dane, a przetwarzanie odbywa się w locie.

Wady protokołu Ethercat obejmują następujące elementy.

• Główną wadą EtherCAT jest to, że urządzenia podrzędne wymagają wstawienia określonego sprzętu ASIC do uruchomienia EtherCAT. Jego model danych jest bardzo różny i bardzo trudny do zrozumienia.

Aplikacje

The zastosowania EtherCAT obejmują następujące elementy.

• EtherCAT ma zastosowanie w różnych dziedzinach dzięki wielu cechom, takim jak doskonała wydajność, prostota, solidność, przystępność cenowa, zintegrowane bezpieczeństwo i elastyczna topologia. Jest stosowany w różnych dziedzinach, takich jak Obrabiarki, Robotyka, Prasy drukarskie, Prasy, Elektrownie, Podstacje, Stanowiska testowe, Spawarki, Maszyny rolnicze, Dźwigi i windy, Turbiny wiatrowe, Frezarki, Maszyny Pick and Place, Maszyny pakujące, Pomiary systemy, huty żelaza i stali, maszyny papiernicze i celulozowe, systemy kontroli sceny, systemy kontroli tuneli itp.
• Znajduje zastosowanie w pomiarach sprzętu, urządzeń medycznych, sterowania maszynami, maszyn mobilnych, licznych systemów wbudowanych i samochodów.
• Ma niezwykle wysoką wydajność, jest prosty w instalacji i otwarty protokół oparty na warstwie aplikacji używany w aplikacjach Ethernet
• Jest to otwarty system komunikacji w czasie rzeczywistym, tak szeroko stosowany w produkcji automatyki.

Tak więc jest to przegląd Ethercat – praca z aplikacjami. EtherCAT sprawia, że ​​systemy i maszyny są prostsze, szybsze i bardziej ekonomiczne. Jest to międzynarodowy standard IEC, który nie tylko oznacza stabilność, ale także otwartość: do tej pory specyfikacje EtherCAT nigdy nie były zmieniane, a jedynie rozszerzane w sposób zgodny. EtherCAT jest uważany za „Ethernet Fieldbus”, ponieważ łączy zalety Ethernet z prostotą standardowych systemów Fieldbus i pozwala uniknąć złożoności technologii IT. Oto pytanie do Ciebie, co to jest Ethernet?