Co je to EtherCAT: Architektura, práce a její aplikace

EtherCAT byl poprvé vyvinut majorem PLC výrobce konkrétně Beckhoff Automation, který se používá v systémech řízení v reálném čase a průmyslová automatizace . Společnost Beckhoff Automation vyvinula svou vlastní verzi Fieldbus, jako je LightBus, v 80. letech minulého století pro řešení problému šířky pásma pro jiná rozhraní. Další práce na tomto protokolu nakonec vyústila ve vynález EtherCAT. Beckhoff spustil protokol EtherCAT v roce 2003 po celém světě. Poté v roce 2004 přispěli právy k EtherCAT Technology Group (ETG). ETG má extrémně aktivního vývojáře a také uživatelskou skupinu. Tento článek pojednává o přehledu Základy Ethercat – práce s aplikacemi.

Co je to Ethercat?

EtherCAT nebo Ethernet Control Automation Technology je průmyslový síťový systém, který závisí na použitém systému Ethernet k dosažení velmi rychlé a výkonnější komunikace. EtherCAT je tedy velmi rychlá síť používaná ke zpracování dat pomocí vyhrazeného hardwaru a softwaru. Tato síť používá konfiguraci master-slave, plně duplexní s jakoukoli topologie sítě .

Doba potřebná ke zpracování 1000 I/O bodů je 30 sekund a komunikuje se 100 servoosami do 100 us. Servoosy získají nastavené hodnoty pro řízení dat a hlášení aktuálního stavu. Tyto osy jsou synchronizovány metodou distribuovaných hodin, což je jednoduchá verze IEEE 1588 a snižuje jitter pod 1 us. EtherCAT poskytuje rychlý výstup, protože zprávy jsou zpracovávány v rámci hardwaru, než jsou přesunuty na další slave.

Architektura EtherCAT

Níže je uvedena architektura sítě EtherCAT, která využívá princip master/slave pro řízení přístupu k médiu. V této architektuře je EtherCAT master obvykle řídicím systémem, který využívá typický ethernetový port a také uložené informace o konfiguraci sítě v souboru ENI (EtherCAT Network Information).

Soubor s informacemi o síti EtherCAT je jednoduše vytvořen na základě souborů ESI (EtherCAT SlaveInformation), které dávají obchodníci pro každé zařízení. Zde hlavní uzel přenáší rámce do podřízených uzlů, které mohou vkládat a odebírat data z těchto rámců. Slave zařízení jsou uzly jako motorové pohony EPOS3, které obsahují ethernetové porty pro komunikaci přes EtherCAT master. Zde je EtherCAT master počítačové zařízení používané k udržování datové komunikace mezi masterem a různými slave zařízeními.

Jak EtherCAT funguje?

EtherCAT se používá k překonání typických chyb průmyslového Ethernetu prostřednictvím vysoce výkonného provozního režimu, kde obvykle stačí jediný rámec pro přenos a příjem řídicích dat ze všech uzlů a do nich. Protokol EtherCAT je postaven na fyzické vrstvě Ethernetu, avšak EtherCAT využívá pro přenos a směrování zpráv přístup zpracování za běhu, který se také nazývá komunikace za běhu spíše než pomocí TCP/IP.

Konfigurace master a slave EtherCAT jsou uvedeny níže. V této konfiguraci master Ethercat přenáší datový paket (telegram) skrz každý slave, který se také nazývá uzel.
Hlavní funkcí EtherCAT je, že podřízené jednotky ve výše uvedené konfiguraci mohou číst, jinak jednoduše extrahovat související data požadovaná z telegramu a přidat informace do telegramu předtím, než se přesune do druhého uzlu nebo podřízeného zařízení. Telegram se tedy pohybuje mezi všemi připojenými podřízenými zařízeními a poté se vrací zpět k hlavnímu zařízení.

Protokol EtherCAT posílá telegram z hlavního zařízení všem podřízeným zařízením připojeným v síti. Každý slave v rámci sítě může jednoduše číst data použitelná pro slave a může přidat data do telegramu předtím, než se přesune do druhého uzlu.

Čtení a zápis dat je jednoduše umožněno prostřednictvím speciálního ASIC na každém slave zařízení EtherCAT. V tomto přístupu každý slave zavede do postupu minimální zpoždění a kolize nejsou možné.

Protokol EtherCAT jednoduše poskytuje komunikaci v reálném čase a deterministickou komunikaci, která je kompatibilní se synchronizovaným a víceosým řízením pohybu bez potřeby dalšího hardwaru pro dosažení synchronizace mezi několika osami.

Odolnost proti chybám

V konfiguraci master & slave EtherCAT, pokud výstup posledního uzlu není spojen s masterem, jsou data vrácena automaticky jiným směrem prostřednictvím protokolu EtherCAT. Časové razítko je tedy zachováno.

Každý uzel ve výše uvedené konfiguraci označí data, jakmile jsou získána, a poté je znovu označí, jakmile je přenese do druhého uzlu. Kdykoli tedy master získá zpět data z různých uzlů, snadno určí latenci každého uzlu. Přenos dat z masteru získává I/O časovou značku z každého uzlu, aby byl EtherCAT mnohem determinističtější a přesnější.

Odolnost proti chybám znamená, že sítě EtherCAT nemusí být zapojeny do kruhové sítě, jak je znázorněno na výše uvedeném diagramu, ale mohou být připojeny různými způsoby, jako je stromová topologie, liniová topologie, kruhová topologie, hvězdicová topologie a také s kombinace.

Samozřejmě, že mezi podřízenými a masterem musí být spojovací pruh. Jakmile je odpojíte, nemohou fungovat, ačkoli topologie sítě je vysoce flexibilní a toleruje chyby na vynikající úrovni.

V systémech EtherCAT nejsou přepínače nutné, jako jsme našli v Ethernetu. Délky kabelů mezi uzly jsou dosažitelné až do 100 metrů. Nízkonapěťová diferenciální signalizace na kroucených měděných kabelech pracuje při maximálních rychlostech s velmi nižší spotřebou energie. Je tedy také možné použít kabely z optických vláken (FOC) ke zvýšení rychlosti a zahrnutí galvanické izolace mezi zařízeními.

EtherCAT používá ethernetový kabel, který může mít dosah až 100 m mezi dvěma uzly. Kromě toho protokol umožňuje přenos dat a napájení prostřednictvím jednoho kabelu. Tento druh připojení se používá k připojení různých zařízení, jako jsou senzory, pomocí jedné linky. Pokud je vzdálenost uzlu větší než 100 m, použije se optický kabel jako 100BASE-FX. Pro EtherCAT je k dispozici také kompletní řada ethernetových kabelů.

Rám EtherCAT

Protokol EtherCAT používá typický ethernetový rámec, který obsahuje minimálně jeden nebo více datagramů. V tomto rámci bude záhlaví datagramu specifikovat, jaký druh vstupu chce hlavní zařízení provést:

• Číst, psát, číst a psát.
• Právo vstupu do určitého podřízeného zařízení prostřednictvím přímého adresování nebo právo vstupu do různých podřízených zařízení prostřednictvím logického adresování.

Logické adresování se používá pro proces cyklické výměny dat, kdy každý Datagram adresuje přesnou část obrazu procesu v rámci segmentu protokolu EtherCAT.

Každému podřízenému zařízení je přidělena jedna nebo více adres v tomto globálním adresním prostoru v rámci vytvořené sítě. Pokud má několik podřízených zařízení přidělené adresy v podobné oblasti, lze uvažovat o jediném datagramu.

V EtherCAT datagramy obsahují informace týkající se přístupu k datům, takže hlavní zařízení se rozhoduje, kdy k datům přistoupí.

Bezpečnost protokolu

Bezpečnost je v současnosti jedním z hlavních rysů i v oblasti automatizace přenosu dat i komunikace. Proto EtherCAT používá protokol Safety pro účely zabezpečení tím, že umožňuje jediný komunikační systém pro bezpečnost i kontrolu dat. Tato bezpečnostní funkce také flexibilně upravuje data a rozšiřuje architekturu bezpečnostního systému atd.

Bezpečnostní technologie protokolu EtherCAT je certifikována TÜV a byla vyvinuta na základě IEC 61508 a je identická s IEC 61784-3. Tento protokol je použitelný v bezpečnostních aplikacích prostřednictvím úrovně integrity bezpečnosti rovné SIL 3.

Ethercat vs Ethernet

Rozdíly mezi EtherCAT a Ethernetem jsou diskutovány níže.

Ethercat vs Profinet

Rozdíly mezi EtherCAT a Profinet jsou diskutovány níže.

Ethercat vs CANopen

Rozdíly mezi EtherCAT a CANopen jsou diskutovány níže.

Ethercat vs Modbus

Rozdíly mezi EtherCAT a Modbus jsou diskutovány níže.

Výhody a nevýhody

Mezi výhody protokolu Ethercat patří následující.

• EtherCAT je vynikající sběrnice Fieldbus využívaná v aplikacích řízení pohybu.
• Je ověřen pro optimalizaci výkonu stroje díky své flexibilní topologii, deterministickému výkonu a různé sadě funkcí.
• Jednoduše podporuje celou rodinu CANopen a profil pohonu Sercos. To pomáhá uživatelům snadno uspořádat sítě EtherCAT pro přesnou aplikaci změnou předdefinovaných základních profilů.
• Jeho redundance je také možná pomocí kruhové topologie. EtherCAT také používá hvězdu, strom, linii a topologie sběrnice .
• Tento protokol poskytuje vysokou rychlost, menší datový provoz, nižší náklady na hardware a větší přesnost a synchronizační mechanismus hodin ve srovnání s Ethernetem.
• Tato rychlost sítě může být také řízena, protože počítače mohou mít problém zvládnout větší množství cyklů, takže optimalizace v rámci EtherCAT je dosažitelná.
• Podporuje téměř všechny topologie, takže jej lze použít v široké řadě aplikací s typickým přepínačem založeným na hvězdicové topologii Ethernet.
• Ethernetové protokoly jsou velmi bezpečné, používejte zjednodušené předlohy, datového prostoru je více a zpracování probíhá za běhu.

Nevýhody protokolu Ethercat zahrnují následující.

• Hlavní nevýhodou EtherCAT je, že podřízená zařízení vyžadují ke spuštění EtherCAT vložení specifického hardwaru ASIC. Jeho datový model je extrémně odlišný a také velmi obtížně pochopitelný.

Aplikace

The aplikace EtherCAT zahrnout následující.

• EtherCAT je použitelný v různých oblastech díky mnoha funkcím, jako je vynikající výkon, jednoduchost, robustnost, cenová dostupnost, integrované zabezpečení a flexibilní topologie. Používá se v různých oblastech, jako jsou obráběcí stroje, robotika, tiskařské lisy, lisy, elektrárny, rozvodny, zkušební stolice, svařovací stroje, zemědělské stroje, jeřáby a výtahy, větrné turbíny, frézky, vychystávací stroje, balicí stroje, měření systémy, železárny a ocelárny, stroje na výrobu papíru a celulózy, systémy řízení jevišť, systémy řízení tunelů atd.
• Je použitelný při měření zařízení, lékařských přístrojů, řízení strojů, mobilních strojů, mnoha vestavěných systémů a automobilů.
• Má extrémně vysoký výkon, snadno se instaluje a otevřený protokol založený na aplikační vrstvě používaný v ethernetových aplikacích
• Jedná se o otevřený komunikační systém v reálném čase, který je tak široce používán v automatizační výrobě.

Tedy, toto je přehled Ethercatu – práce s aplikacemi. EtherCAT dělá systémy a stroje jednodušší, rychlejší a nákladově efektivnější. Jedná se o mezinárodní standard IEC, který nejenže znamená stabilitu, ale také otevřenost: až dosud nebyly specifikace EtherCAT nikdy změněny, ale rozšířeny pouze kompatibilně. EtherCAT je považován za „Ethernet Fieldbus“, protože spojuje výhody Ethernetu se standardní jednoduchostí systémů Fieldbus a vyhýbá se složitosti IT technologií. Zde je pro vás otázka, co je to Ethernet?