Che cos'è un EtherCAT: architettura, lavoro e sue applicazioni

EtherCAT è stato inizialmente sviluppato da una major PLC produttore, ovvero Beckhoff Automation, utilizzato nei sistemi di controllo in tempo reale e automazione industriale . Beckhoff Automation ha sviluppato la propria versione Fieldbus come LightBus negli anni '80 per affrontare il problema della larghezza di banda per altre interfacce. Il lavoro extra su questo protocollo ha finalmente portato all'invenzione di EtherCAT. Beckhoff ha lanciato il protocollo EtherCAT nel 2003 in tutto il mondo. Successivamente, hanno conferito i diritti all'EtherCAT Technology Group (ETG) nel 2004. ETG ha uno sviluppatore estremamente attivo e un gruppo di utenti. Questo articolo discute una panoramica di Nozioni di base su Ethercat – lavorare con le applicazioni.

Cos'è un Ethercat?

EtherCAT o Ethernet Control Automation Technology è un sistema di rete industriale che dipende dal sistema Ethernet utilizzato per ottenere comunicazioni molto veloci e più efficienti. Quindi, EtherCAT è una rete molto veloce utilizzata per elaborare i dati con hardware e software dedicati. Questa rete utilizza una configurazione master-slave, full duplex con any topologia di rete .

Il tempo impiegato per elaborare 1000 punti I/O è di 30 secondi e comunica con 100 servoassi entro 100 us. I servoassi riceveranno i valori impostati per controllare i dati e segnalare lo stato effettivo. Questi assi sono sincronizzati tramite un metodo di clock distribuito che è una semplice versione IEEE 1588 e riduce il jitter al di sotto di 1 us. L'EtherCAT fornisce un output veloce perché i messaggi vengono elaborati all'interno dell'hardware prima di essere spostati sullo slave successivo.

Architettura EtherCAT

Di seguito è mostrata l'architettura di rete EtherCAT che utilizza il principio master/slave per controllare l'accesso al supporto. In questa architettura, il master EtherCAT è normalmente il sistema di controllo che utilizza una tipica porta Ethernet e le informazioni di configurazione della rete memorizzate all'interno del file ENI (EtherCAT Network Information).

Il file EtherCAT Network Information viene semplicemente creato sulla base dei file ESI (EtherCAT SlaveInformation) forniti dai commercianti per ciascun dispositivo. Qui, il nodo master trasmette i frame ai nodi slave che possono inserire e rimuovere dati da questi frame. I dispositivi slave sono nodi come gli azionamenti motore EPOS3 che contengono le porte Ethernet per comunicare attraverso un master EtherCAT. In questo caso, il master EtherCAT è un dispositivo informatico utilizzato per mantenere la comunicazione dei dati tra il master e diversi slave.

Come funziona EtherCAT?

EtherCAT viene utilizzato per superare i guasti tipici di Industrial Ethernet attraverso la sua modalità di funzionamento ad alte prestazioni, dove solitamente un singolo frame è sufficiente per trasmettere e ricevere dati di controllo da e verso tutti i nodi. Il protocollo EtherCAT è costruito sul livello fisico di una Ethernet, tuttavia, EtherCAT utilizza un approccio di elaborazione al volo per il trasporto e l'instradamento dei messaggi, chiamato anche comunicazione al volo piuttosto che utilizzare TCP/IP.

Di seguito sono mostrate le configurazioni del master e dello slave EtherCAT. In questa configurazione, il master di Ethercat trasmette un pacchetto di dati (telegramma) attraverso ogni slave che viene anche chiamato nodo.
La caratteristica principale di EtherCAT è che gli slave all'interno della configurazione sopra possono leggere altrimenti estrarre semplicemente i dati relativi richiesti dal telegramma e aggiungere informazioni al telegramma prima che si sposti nel secondo nodo o slave. Quindi, il telegramma si sposta su tutti gli slave collegati e dopo torna al master.

Il protocollo EtherCAT invia un telegramma dal dispositivo master a tutti gli slave collegati all'interno della rete. Ogni slave all'interno della rete può semplicemente leggere i dati applicabili a quello slave e può aggiungere dati al telegramma prima che si sposti al secondo nodo.

La lettura e scrittura dei dati è semplicemente abilitata tramite uno speciale ASIC su ogni slave di EtherCAT. In questo approccio, ogni slave introdurrà un ritardo minimo nella procedura e le collisioni non sono possibili.

Il protocollo EtherCAT fornisce semplicemente una comunicazione deterministica e in tempo reale compatibile con il controllo del movimento sincronizzato e multiasse senza la necessità di hardware aggiuntivo per ottenere la sincronizzazione tra più assi.

Tolleranza ai guasti

Nella configurazione master e slave di EtherCAT, se l'uscita dell'ultimo nodo non è alleata del master, i dati vengono restituiti automaticamente in un'altra direzione attraverso il protocollo EtherCAT. Quindi, il timestamp viene mantenuto.

Ogni nodo nella configurazione precedente esegue il timestamp dei dati una volta ottenuti e, successivamente, esegue nuovamente il timestamp una volta che li trasmette al secondo nodo. Di conseguenza, ogni volta che il master recupera i dati dai diversi nodi, determina facilmente la latenza di ciascun nodo. La trasmissione dei dati dal master ottiene un timestamp I/O da ciascun nodo per rendere l'EtherCAT molto più deterministico e accurato.

La tolleranza ai guasti significa che le reti di EtherCAT non devono essere collegate in una rete ad anello come mostrato nel diagramma sopra, tuttavia può essere collegata in diversi modi, come topologia ad albero, topologia lineare, topologia ad anello, topologia a stella e anche con combinazioni.

Naturalmente, tra gli schiavi e il master, deve esserci una corsia di collegamento. Una volta scollegati, non possono funzionare, sebbene la topologia di rete sia altamente flessibile e tolleri gli errori a un livello eccellente.

Nei sistemi EtherCAT, gli switch non sono necessari come quelli che abbiamo trovato in Ethernet. Le lunghezze dei cavi tra i nodi fino a 100 metri sono realizzabili. La segnalazione differenziale a bassa tensione sui doppini in rame lavora alle massime velocità con un consumo energetico molto ridotto. Pertanto, è anche possibile utilizzare cavi in ​​fibra ottica (FOC) per aumentare la velocità e includere l'isolamento galvanico tra i dispositivi.

EtherCAT utilizza un cavo Ethernet che può avere una portata fino a 100 m tra due nodi. Inoltre, il protocollo consente la trasmissione dei dati e l'alimentazione tramite un cavo. Questo tipo di connessione viene utilizzato per collegare diversi dispositivi come sensori con un'unica linea. Se la distanza del nodo è superiore a 100 m, viene utilizzato il cavo in fibra ottica come 100BASE-FX. Per EtherCAT è disponibile anche la gamma completa di cablaggi Ethernet.

Frame EtherCAT

Il protocollo EtherCAT utilizza un tipico frame Ethernet che include un minimo di uno o più datagrammi. In questo frame, l'intestazione del datagramma specificherà il tipo di ingresso che il dispositivo master vorrebbe eseguire:

• Leggi, scrivi, leggi-scrivi.
• Diritto di accesso a un determinato dispositivo slave tramite indirizzamento diretto o diritto di accesso a vari dispositivi slave tramite indirizzamento logico.

L'indirizzamento logico viene utilizzato per il processo di scambio di dati ciclico in cui ogni Datagram indirizza una frazione esatta dell'immagine di processo all'interno del segmento del protocollo EtherCAT.

Ogni dispositivo slave è allocato con uno o più indirizzi in questo spazio di indirizzi globale in tutta la rete stabilita. È possibile considerare un singolo datagramma se a più dispositivi slave vengono assegnati indirizzi all'interno di una regione simile.

In EtherCAT, i Datagram includono le informazioni relative all'accesso ai dati, quindi il dispositivo master decide quando accedere ai dati.

Protocollo di sicurezza

La sicurezza è attualmente una delle caratteristiche principali anche nel campo dell'automazione per il trasferimento dei dati oltre che per la comunicazione. Pertanto, EtherCAT utilizza il protocollo Safety per scopi di sicurezza consentendo un unico sistema di comunicazione sia per la sicurezza che per il controllo dei dati. Questa funzione di sicurezza modifica anche i dati in modo flessibile ed espande l'architettura del sistema di sicurezza, ecc.

La tecnologia di sicurezza del protocollo EtherCAT è certificata TÜV ed è stata sviluppata sulla base di IEC 61508 ed è identica a IEC 61784-3. Questo protocollo è applicabile nelle applicazioni di sicurezza attraverso un Safety Integrity Level pari a SIL 3.

Ethercat vs Ethernet

Le differenze tra EtherCAT ed Ethernet sono discusse di seguito.

Ethercat contro Profinet

Le differenze tra EtherCAT e Profinet sono discusse di seguito.

Ethercat vs CANopen

Le differenze tra EtherCAT e CANopen sono discusse di seguito.

Ethercat vs Modbus

Le differenze tra EtherCAT e Modbus sono discussi di seguito.

Vantaggi e svantaggi

I vantaggi del protocollo Ethercat includono quanto segue.

• EtherCAT è un eccezionale bus di campo utilizzato nelle applicazioni di controllo del movimento.
• È verificato per ottimizzare le prestazioni della macchina attraverso la sua topologia flessibile, prestazioni deterministiche e diversi set di funzionalità.
• Supporta semplicemente l'intera famiglia CANopen e il profilo di guida di Sercos. Quindi questo aiuta gli utenti a organizzare facilmente le reti EtherCAT per l'applicazione esatta modificando i profili fondamentali predefiniti.
• La sua ridondanza è possibile anche utilizzando una topologia ad anello. EtherCAT utilizza anche stella, albero, linea e topologia del bus .
• Questo protocollo fornisce alta velocità, meno traffico dati, meno costi hardware e più precisione e meccanismo di sincronizzazione dell'orologio rispetto a Ethernet.
• Questa velocità di rete può essere gestita anche perché i computer potrebbero avere problemi a gestire la migliore quantità di cicli, quindi è possibile ottenere l'ottimizzazione all'interno di EtherCAT.
• Supporta quasi tutte le topologie in modo che possa essere utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni con il tipico switch basato su topologia a stella Ethernet.
• Protocolli Ethernet sono molto sicuri, utilizzano master semplificati, lo spazio dati è maggiore e l'elaborazione è al volo.

Gli svantaggi del protocollo Ethercat includono quanto segue.

• Lo svantaggio principale di EtherCAT è che i dispositivi slave richiedono l'inserimento di un hardware ASIC specifico per eseguire EtherCAT. Il suo modello di dati è estremamente diverso e anche molto difficile da capire.

Applicazioni

Il applicazioni di EtherCAT include il seguente.

• L'EtherCAT è applicabile in diversi campi grazie a molte caratteristiche come prestazioni eccellenti, semplicità, robustezza, convenienza, sicurezza integrata e topologia flessibile. Trova impiego in diversi settori quali Macchine utensili, Robotica, Macchine da stampa, Presse, Centrali elettriche, Sottostazioni, Banchi prova, Saldatrici, Macchine agricole, Gru e ascensori, Turbine eoliche, Fresatrici, Pick and Place Machine, Macchine per imballaggio, Misura impianti, impianti siderurgici, macchine per carta e cellulosa, sistemi di controllo della fase, sistemi di controllo del tunnel, ecc.
• È applicabile nella misurazione di apparecchiature, dispositivi medici, controllo di macchine, macchine mobili, numerosi sistemi embedded e automobili.
• Ha prestazioni estremamente elevate, è semplice da installare e apre il protocollo basato sul livello di applicazione utilizzato nelle applicazioni Ethernet
• Questo è un sistema di comunicazione in tempo reale e aperto, così ampiamente utilizzato nella produzione di automazione.

Così, questo è una panoramica di Ethercat – lavorare con le applicazioni. EtherCAT rende i sistemi e le macchine più semplici, veloci ed economici. È uno standard internazionale IEC che non è solo sinonimo di stabilità, ma anche di apertura: fino ad oggi le specifiche EtherCAT non sono mai state modificate, ma estese solo compatibilmente. EtherCAT è considerato 'Ethernet Fieldbus' poiché unisce i vantaggi Ethernet con la semplicità dei sistemi Fieldbus standard ed evita la complessità delle tecnologie IT. Ecco una domanda per te, cos'è Ethernet?