Čo je to EtherCAT: Architektúra, práca a jej aplikácie

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





EtherCAT bol prvýkrát vyvinutý majorom PLC výrobca konkrétne Beckhoff Automation, ktorý sa používa v riadiacich systémoch v reálnom čase a priemyselná automatizácia . Beckhoff Automation vyvinul svoju vlastnú verziu Fieldbus ako LightBus v osemdesiatych rokoch minulého storočia na riešenie problému šírky pásma pre iné rozhrania. Ďalšia práca na tomto protokole nakoniec vyústila do vynálezu EtherCAT. Beckhoff spustil protokol EtherCAT v roku 2003 na celom svete. Potom v roku 2004 prispeli právami do EtherCAT Technology Group (ETG). ETG má mimoriadne aktívneho vývojára, ako aj skupinu používateľov. Tento článok pojednáva o prehľade Základy Ethercat - práca s aplikáciami.


Čo je to Ethercat?

EtherCAT alebo Ethernet Control Automation Technology je priemyselný sieťový systém, ktorý závisí od použitého systému Ethernet na dosiahnutie veľmi rýchlej a výkonnejšej komunikácie. EtherCAT je teda veľmi rýchla sieť používaná na spracovanie údajov pomocou špeciálneho hardvéru a softvéru. Táto sieť používa konfiguráciu master-slave, plne duplexnú s ľubovoľnou topológie siete .



Čas potrebný na spracovanie 1000 I/O bodov je 30 sekúnd a komunikuje so 100 servoosami v rámci 100 us. Servoosi získajú nastavené hodnoty na riadenie údajov a hlásenie skutočného stavu. Tieto osi sú synchronizované prostredníctvom metódy distribuovaných hodín, čo je jednoduchá verzia IEEE 1588 a znižuje jitter pod 1 us. EtherCAT poskytuje rýchly výstup, pretože správy sú spracované v rámci hardvéru predtým, ako sú presunuté do ďalšieho slave zariadenia.

Architektúra EtherCAT

Nižšie je uvedená architektúra siete EtherCAT, ktorá využíva princíp master/slave na riadenie prístupu k médiu. V tejto architektúre je EtherCAT master zvyčajne riadiaci systém, ktorý využíva typický ethernetový port, ako aj uložené informácie o konfigurácii siete v súbore ENI (EtherCAT Network Information).



  Architektúra EtherCAT
Architektúra EtherCAT

Súbor EtherCAT Network Information je jednoducho vytvorený na základe súborov ESI (EtherCAT SlaveInformation), ktoré poskytujú obchodníci pre každé zariadenie. Tu hlavný uzol prenáša rámce do podriadených uzlov, ktoré môžu vkladať a odstraňovať dáta z týchto rámcov. Slave zariadenia sú uzly ako motorové pohony EPOS3, ktoré obsahujú ethernetové porty na komunikáciu cez EtherCAT master. Tu je EtherCAT master počítačové zariadenie používané na udržiavanie dátovej komunikácie medzi masterom a rôznymi podriadenými zariadeniami.

Ako funguje EtherCAT?

EtherCAT sa používa na prekonanie typických chýb priemyselného Ethernetu prostredníctvom vysokovýkonného prevádzkového režimu, kde zvyčajne stačí jeden rámec na prenos a príjem riadiacich dát zo všetkých uzlov a do nich. Protokol EtherCAT je postavený na fyzickej vrstve Ethernetu, avšak EtherCAT využíva na prenos a smerovanie správ prístup „za behu“, ktorý sa nazýva aj komunikácia za behu namiesto použitia TCP/IP.

Konfigurácie EtherCAT master a slave sú zobrazené nižšie. V tejto konfigurácii master Ethercat prenáša dátový paket (telegram) cez každý slave, ktorý sa tiež nazýva uzol.
Hlavnou vlastnosťou EtherCAT je, že podriadené zariadenia v rámci vyššie uvedenej konfigurácie môžu čítať, inak jednoducho extrahovať súvisiace údaje požadované z telegramu a pridať informácie do telegramu predtým, ako sa presunie do druhého uzla alebo podriadeného zariadenia. Telegram sa teda presunie cez všetky pripojené podriadené jednotky a potom sa vráti späť k nadriadenému.

  Konfigurácia EtherCAT Master & Slave
Konfigurácia EtherCAT Master & Slave

Protokol EtherCAT posiela telegram z hlavného zariadenia všetkým podriadeným zariadeniam pripojeným v sieti. Každý slave v rámci siete môže jednoducho čítať dáta použiteľné pre tento slave a môže pridať dáta do telegramu predtým, ako sa presunie do druhého uzla.

Čítanie a zapisovanie údajov je jednoducho povolené prostredníctvom špeciálneho ASIC na každom podriadenom zariadení EtherCAT. Pri tomto prístupe každý slave zavedie do postupu minimálne oneskorenie a kolízie nie sú možné.

Protokol EtherCAT jednoducho poskytuje deterministickú komunikáciu v reálnom čase, ktorá je kompatibilná so synchronizovaným a viacosovým riadením pohybu bez potreby dodatočného hardvéru na dosiahnutie synchronizácie medzi niekoľkými osami.

Odolnosť proti chybám

Ak v konfigurácii master & slave EtherCAT nie je výstup posledného uzla spojený s masterom, dáta sa automaticky vrátia iným smerom cez protokol EtherCAT. Časová pečiatka je teda zachovaná.

Každý uzol vo vyššie uvedenej konfigurácii označí údaje po získaní časovou pečiatkou a potom ich znova označí, keď ich odošle do druhého uzla. V dôsledku toho vždy, keď master získa späť údaje z rôznych uzlov, ľahko určí latenciu každého uzla. Prenos údajov z mastera získava I/O časovú značku z každého uzla, aby bol EtherCAT oveľa deterministickejší a presnejší.

  Odolnosť proti chybám
Odolnosť proti chybám

Odolnosť voči chybám znamená, že siete EtherCAT nemusia byť zapojené do kruhovej siete, ako je znázornené na vyššie uvedenom diagrame, ale môžu byť prepojené rôznymi spôsobmi, ako je stromová topológia, linková topológia, kruhová topológia, hviezdicová topológia a tiež s kombinácie.

Samozrejme, medzi podriadenými a hlavným musí byť spojovací pruh. Keď ich odpojíte, nemôžu fungovať, hoci topológia siete je vysoko flexibilná a toleruje chyby na vynikajúcej úrovni.

V systémoch EtherCAT nie sú potrebné prepínače, ako to, čo sme našli v Ethernete. Dĺžky káblov medzi uzlami sú dosiahnuteľné až do 100 metrov. Nízkonapäťová diferenciálna signalizácia na medených kábloch s krútenou dvojlinkou pracuje pri maximálnych rýchlostiach s veľmi menšou spotrebou energie. Takže je tiež možné použiť káble z optických vlákien (FOC) na zvýšenie rýchlosti a zahrnutie galvanickej izolácie medzi zariadenia.

EtherCAT používa ethernetový kábel s dosahom až 100 m medzi dvoma uzlami. Okrem toho protokol umožňuje prenos dát a napájanie cez jeden kábel. Tento druh pripojenia sa používa na pripojenie rôznych zariadení, ako sú senzory, pomocou jednej linky. Ak je vzdialenosť uzla väčšia ako 100 m, použije sa kábel z optických vlákien ako 100BASE-FX. Pre EtherCAT je k dispozícii aj kompletný rad ethernetových káblov.

Rám EtherCAT

Protokol EtherCAT používa typický ethernetový rámec, ktorý obsahuje minimálne jeden alebo viac datagramov. V tomto rámci bude hlavička datagramu špecifikovať, aký druh vstupu chce hlavné zariadenie vykonať:

  • Čítať, písať, čítať a písať.
  • Právo vstupu do konkrétneho slave zariadenia prostredníctvom priameho adresovania alebo právo vstupu do rôznych slave zariadení prostredníctvom logického adresovania.

Logické adresovanie sa používa pre proces cyklickej výmeny dát, kde každý Datagram adresuje presnú časť obrazu procesu v rámci segmentu protokolu EtherCAT.

  Rám EtherCAT
Rám EtherCAT

Každému podriadenému zariadeniu je pridelená jedna alebo viacero adries v tomto globálnom adresnom priestore v celej vytvorenej sieti. Jeden datagram je možné zvážiť, ak má niekoľko podriadených zariadení pridelené adresy v rámci podobného regiónu.

V EtherCAT datagramy obsahujú informácie týkajúce sa prístupu k údajom, takže hlavné zariadenie sa rozhodne, kedy k údajom pristúpi.

Bezpečnosť protokolu

Bezpečnosť je v súčasnosti jednou z hlavných čŕt aj v oblasti automatizácie prenosu dát ako aj komunikácie. EtherCAT teda používa protokol Safety na účely zabezpečenia tým, že umožňuje jediný komunikačný systém pre bezpečnosť aj kontrolu údajov. Táto bezpečnostná funkcia tiež flexibilne upravuje dáta a rozširuje architektúru bezpečnostného systému atď.

Bezpečnostná technológia protokolu EtherCAT je certifikovaná TÜV a bola vyvinutá na základe IEC 61508 a je identická s IEC 61784-3. Tento protokol je použiteľný v bezpečnostných aplikáciách prostredníctvom úrovne integrity bezpečnosti rovnajúcej sa SIL 3.

Ethercat vs Ethernet

Rozdiely medzi EtherCAT a Ethernetom sú uvedené nižšie.

EtherCAT

Ethernet

EtherCAT je systém Fieldbus založený na Ethernete. Ethernet je káblová počítačová sieťová technológia.
Je použiteľný v mäkkých aj tvrdých výpočtových požiadavkách v reálnom čase v rámci automatizačnej technológie. Je použiteľný v sieťach LAN, MAN a WAN.
Medzinárodná norma Ethercat je IEC 61158 Medzinárodný štandard Ethernet je IEEE-802.3.
Vyžaduje prevádzku master/slave. Nevyžaduje ovládanie master/slave.
Potrebuje kruhovú topológiu. Nepotrebuje kruhovú topológiu.
Je optimalizovaný najmä pre ovládanie v reálnom čase. Nie je optimalizovaný na ovládanie v reálnom čase.
Je optimalizovaný tak, aby sa chránil pred kolíziami údajov. Nie je optimalizované, aby sa zabránilo kolíziám údajov.

Ethercat vs Profinet

Rozdiely medzi EtherCAT a Profinet sú popísané nižšie.

EtherCAT

Profinet

EtherCAT je jeden typ protokolu, ktorý sa používa na prinesenie flexibility a výkonu Ethernetu do priemyselnej automatizácie, riadiacich systémov v reálnom čase, riadenia pohybu a systémov zberu dát. Profinet je komunikačný protokol používaný na výmenu údajov medzi ovládačmi a zariadeniami.
EtherCAT poskytuje otvorené riešenie za veľmi nižšie náklady v porovnaní s PROFINET IRT a SERCOS III. Profinet neposkytuje otvorené riešenie za veľmi nižšiu cenu.
Jeho doba odozvy je 0,1 ms. Jeho doba odozvy je <1 ms.
Jitter Ethercat je < 0,1 ms. Jitter Profinet je < 1 ms.

Ethercat vs CANopen

Rozdiely medzi EtherCAT a CANopen sú uvedené nižšie.

EtherCAT

CANopen

Rýchlosť zbernice v Ethercat je 100 Mbps. Rýchlosť zbernice v CANopen je 1 Mbps.
Prenosový režim používaný v Ethercat je plne duplexný. Režim prenosu používaný v CANopen je polovičný duplex.
Determinizmus alebo jitter medzi zariadeniami je nízky ako 1ns. Determinizmus alebo jitter medzi zariadeniami je normálne 100 až 200 ns.
Jeden master sa používa s jedným alebo viacerými podriadenými. Single/multi-master sa používa s jedným alebo viacerými podriadenými jednotkami.
Maximálna vzdialenosť medzi zariadeniami je 100 metrov. Maximálna vzdialenosť medzi zariadeniami závisí hlavne od rýchlosti zbernice.
Komunikačný port používaný ako sekundárny je USB. Komunikačný port použitý ako sekundárny je RS232.

Ethercat vs Modbus

Rozdiely medzi EtherCAT a Modbus sú diskutované nižšie.

EtherCAT

Modbus

EtherCAT je systém prevádzkovej zbernice založený na Ethernete. Modbus je sériový dátový komunikačný protokol
Využíva princíp spracovania za behu. Používa znakové sériové komunikačné linky.
EtherCAT je založený na modeli master a slave. Modbus je založený na modeli požiadavka-odpoveď.
Podporuje všetky topológie siete takmer. Podporuje iba líniové a hviezdicové topológie.
Ethercat je deterministický. Modbus nie je deterministický, pretože je založený na TCP.

Výhody a nevýhody

Výhody protokolu Ethercat zahŕňajú nasledujúce.

  • EtherCAT je vynikajúca zbernica Fieldbus využívaná v aplikáciách riadenia pohybu.
  • Je overený na optimalizáciu výkonu stroja prostredníctvom flexibilnej topológie, deterministického výkonu a rôznych funkcií.
  • Jednoducho podporuje celú rodinu CANopen a profil pohonu Sercos. To pomáha používateľom ľahko usporiadať siete EtherCAT presne podľa aplikácie zmenou preddefinovaných základných profilov.
  • Jeho redundancia je možná aj pomocou kruhovej topológie. EtherCAT tiež používa hviezdu, strom, čiaru a topológia zbernice .
  • Tento protokol poskytuje vysokú rýchlosť, menšiu dátovú prevádzku, nižšie náklady na hardvér a väčšiu presnosť a synchronizačný mechanizmus hodín v porovnaní s Ethernetom.
  • Táto rýchlosť siete môže byť tiež riadená, pretože počítače môžu mať problém zvládnuť lepšie množstvo cyklov, takže optimalizácia v rámci EtherCAT je dosiahnuteľná.
  • Podporuje takmer všetky topológie, takže ho možno použiť v širokej škále aplikácií s typickým prepínačom založeným na hviezdicovej topológii Ethernet.
  • Ethernetové protokoly sú veľmi bezpečné, používajú zjednodušené predlohy, dátový priestor je väčší a spracovanie prebieha za pochodu.

Nevýhody protokolu Ethercat zahŕňajú nasledujúce.

  • Hlavnou nevýhodou EtherCAT je, že slave zariadenia vyžadujú na spustenie EtherCAT vloženie špecifického hardvéru ASIC. Jeho dátový model je extrémne odlišný a tiež veľmi ťažko pochopiteľný.

Aplikácie

The aplikácie EtherCAT zahŕňajú nasledujúce.

  • EtherCAT je použiteľný v rôznych oblastiach vďaka mnohým funkciám, ako je vynikajúci výkon, jednoduchosť, robustnosť, cenová dostupnosť, integrovaná bezpečnosť a flexibilná topológia. Používa sa v rôznych oblastiach, ako sú obrábacie stroje, robotika, tlačiarenské lisy, lisy, elektrárne, rozvodne, skúšobné stolice, zváracie stroje, poľnohospodárske stroje, žeriavy a výťahy, veterné turbíny, frézky, vychystávacie stroje, baliace stroje, meranie systémy, železiarne a oceliarne, stroje na výrobu papiera a celulózy, systémy riadenia javísk, systémy riadenia tunelov atď.
  • Je použiteľný pri meraní zariadení, lekárskych prístrojov, riadenia strojov, mobilných strojov, mnohých vstavaných systémov a automobilov.
  • Má extrémne vysoký výkon, jednoduchú inštaláciu a otvorený protokol na aplikačnej vrstve používaný v ethernetových aplikáciách
  • Ide o otvorený komunikačný systém v reálnom čase, ktorý sa vo veľkej miere používa v automatizačnej výrobe.

Teda toto je prehľad Ethercatu - práca s aplikáciami. EtherCAT robí systémy a stroje jednoduchšími, rýchlejšími a cenovo výhodnejšími. Ide o medzinárodnú normu IEC, ktorá nielen znamená stabilitu, ale aj otvorenosť: doteraz neboli špecifikácie EtherCAT nikdy zmenené, ale iba kompatibilne rozšírené. EtherCAT je považovaný za „Ethernet Fieldbus“, pretože spája výhody Ethernetu so štandardnou jednoduchosťou Fieldbus systémov a vyhýba sa zložitosti IT technológií. Tu je otázka pre vás, čo je Ethernet?