Что такое EtherCAT: архитектура, работа и приложения

EtherCAT был впервые разработан крупным ПЛК производитель, а именно Beckhoff Automation, который используется в системах управления в реальном времени и Индустриальная автоматизация . Beckhoff Automation разработала свою собственную версию Fieldbus, такую ​​как LightBus, в 1980-х годах для решения проблемы пропускной способности для других интерфейсов. Дополнительная работа над этим протоколом в конечном итоге привела к изобретению EtherCAT. Beckhoff запустил протокол EtherCAT во всем мире в 2003 году. После этого они передали права технологической группе EtherCAT (ETG) в 2004 году. В ETG есть чрезвычайно активный разработчик, а также группа пользователей. В этой статье обсуждается обзор Основы Ethercat – работа с приложениями.

Что такое Этеркат?

EtherCAT или технология автоматизации управления Ethernet — это промышленная сетевая система, которая зависит от системы Ethernet, используемой для достижения очень быстрой и более эффективной связи. Итак, EtherCAT — это очень быстрая сеть, используемая для обработки данных с помощью специального оборудования и программного обеспечения. В этой сети используется полнодуплексная конфигурация ведущий-ведомый с любым топология сети .

Время, затрачиваемое на обработку 1000 точек ввода-вывода, составляет 30 секунд, и он обменивается данными со 100 сервоосями в пределах 100 мкс. Сервооси получат заданные значения для управления данными и отчета о фактическом состоянии. Эти оси синхронизируются с помощью метода распределенных часов, который представляет собой простую версию IEEE 1588 и уменьшает джиттер до менее 1 мкс. EtherCAT обеспечивает быструю передачу данных, поскольку сообщения обрабатываются аппаратно до того, как они будут переданы следующему ведомому устройству.

Архитектура EtherCAT

Ниже показана сетевая архитектура EtherCAT, в которой используется принцип ведущий/ведомый для управления доступом к среде. В этой архитектуре ведущим устройством EtherCAT обычно является система управления, которая использует стандартный порт Ethernet, а также хранит информацию о конфигурации сети в файле ENI (информация о сети EtherCAT).

Файл информации о сети EtherCAT просто создается на основе файлов ESI (EtherCAT SlaveInformation), которые продавцы предоставляют для каждого устройства. Здесь главный узел передает кадры подчиненным узлам, которые могут вставлять и удалять данные из этих кадров. Ведомые устройства — это узлы, такие как моторные приводы EPOS3, которые содержат порты Ethernet для связи через ведущее устройство EtherCAT. Здесь ведущий EtherCAT — это компьютерное устройство, используемое для поддержания обмена данными между ведущим устройством и различными ведомыми устройствами.

Как работает EtherCAT?

EtherCAT используется для преодоления типичных недостатков промышленного Ethernet благодаря его высокопроизводительному режиму работы, где обычно достаточно одного кадра для передачи и приема данных управления от всех узлов и на них. Протокол EtherCAT построен на физическом уровне Ethernet, однако EtherCAT использует подход обработки на лету для транспорта и маршрутизации сообщений, который также называется обменом данными на лету, а не использованием TCP/IP.

Конфигурации ведущего и подчиненного устройств EtherCAT показаны ниже. В этой конфигурации мастер Ethercat передает пакет данных (телеграмму) каждому подчиненному устройству, которое также называется узлом.
Основная функция EtherCAT заключается в том, что ведомые устройства в вышеуказанной конфигурации могут читать, иначе просто извлекать связанные данные, необходимые из телеграммы, и добавлять информацию в телеграмму, прежде чем она переместится на второй узел или ведомое устройство. Таким образом, телеграмма проходит через все подключенные ведомые устройства и после этого возвращается к ведущему устройству.

Протокол EtherCAT отправляет телеграмму с ведущего устройства на все ведомые устройства, подключенные к сети. Каждое ведомое устройство в сети может просто считывать данные, применимые к этому ведомому устройству, и может добавлять данные в телеграмму до того, как она будет передана второму узлу.

Чтение и запись данных просто включается с помощью специальной микросхемы ASIC на каждом ведомом устройстве EtherCAT. При таком подходе каждое ведомое устройство вносит минимальную задержку в процедуру, и коллизии невозможны.

Протокол EtherCAT просто обеспечивает детерминированную связь в режиме реального времени, которая совместима с синхронизированным и многоосевым управлением движением без необходимости в дополнительном оборудовании для достижения синхронизации между несколькими осями.

Отказоустойчивость

В конфигурации «ведущий-ведомый» EtherCAT, если выход последнего узла не связан с ведущим, данные автоматически возвращаются в другом направлении по протоколу EtherCAT. Таким образом, временные метки сохраняются.

Каждый узел в приведенной выше конфигурации ставит метку времени на данные после их получения, а после этого снова ставит метку при передаче на второй узел. Следовательно, всякий раз, когда мастер возвращает данные с разных узлов, он легко определяет задержку каждого узла. При передаче данных от ведущего устройства каждый узел получает метку времени ввода-вывода, что делает EtherCAT гораздо более детерминированным и точным.

Отказоустойчивость означает, что сети EtherCAT не обязательно должны быть соединены в кольцевую сеть, как показано на приведенной выше диаграмме, однако они могут быть подключены по-разному, например, в топологии дерева, линейной топологии, кольцевой топологии, звездообразной топологии, а также с комбинации.

Конечно, между ведомыми и ведущими должна быть линия связи. Как только вы отключите их, они не смогут работать, хотя топология сети очень гибкая и допускает ошибки на превосходном уровне.

В системах EtherCAT коммутаторы не нужны, как в Ethernet. Достижима длина кабеля между узлами до 100 метров. Низковольтная дифференциальная сигнализация по медным кабелям с витой парой работает на максимальных скоростях с очень низким энергопотреблением. Таким образом, также возможно использовать оптоволоконные кабели (ВОК) для повышения скорости и включения гальванической развязки между устройствами.

EtherCAT использует кабель Ethernet, длина которого может достигать 100 м между двумя узлами. Кроме того, протокол позволяет передавать данные и питание по одному кабелю. Этот тип соединения используется для соединения различных устройств, таких как датчики, с помощью одной линии. Если расстояние до узла превышает 100 м, то используется волоконно-оптический кабель, как 100BASE-FX. Для EtherCAT также доступен весь диапазон проводки Ethernet.

Фрейм EtherCAT

Протокол EtherCAT использует типичный кадр Ethernet, который включает как минимум одну или более дейтаграмм. В этом фрейме заголовок дейтаграммы будет указывать, какой тип входа хотел бы выполнить ведущее устройство:

• Читать, писать, читать-писать.
• Право доступа к конкретному ведомому устройству посредством прямой адресации или право доступа к различным ведомым устройствам посредством логической адресации.

Логическая адресация используется для процесса циклического обмена данными, где каждая дейтаграмма адресует точную часть образа процесса в сегменте протокола EtherCAT.

Каждому ведомому устройству назначается один или несколько адресов в этом глобальном адресном пространстве по всей установленной сети. Одна дейтаграмма может быть рассмотрена, если нескольким ведомым устройствам назначены адреса в одном и том же регионе.

В EtherCAT дейтаграммы содержат информацию, связанную с доступом к данным, поэтому ведущее устройство принимает решение о том, когда получить доступ к данным.

Безопасность протокола

В настоящее время безопасность является одной из основных характеристик даже в области автоматизации передачи данных, а также связи. Таким образом, EtherCAT использует протокол безопасности в целях безопасности, позволяя использовать единственную систему связи как для безопасности, так и для контроля данных. Эта функция безопасности также гибко изменяет данные и расширяет архитектуру системы безопасности и т. д.

Технология безопасности протокола EtherCAT сертифицирована TÜV, разработана на основе IEC 61508 и идентична IEC 61784-3. Этот протокол применим в приложениях безопасности благодаря уровню полноты безопасности, равному SIL 3.

Ethercat против Ethernet

Различия между EtherCAT и Ethernet обсуждаются ниже.

Ethercat против Profinet

Различия между EtherCAT и Profinet обсуждаются ниже.

Ethercat против CANopen

Различия между EtherCAT и CANopen обсуждаются ниже.

Ethercat против Modbus

Различия между EtherCAT и Modbus обсуждаются ниже.

Преимущества и недостатки

Преимущества протокола Ethercat включают следующее.

• EtherCAT — это выдающаяся полевая шина, используемая в приложениях управления движением.
• Он проверен на предмет оптимизации производительности машины благодаря гибкой топологии, детерминированной производительности и различному набору функций.
• Он просто поддерживает все семейство CANopen и профиль привода Sercos. Таким образом, это помогает пользователям легко настроить сети EtherCAT в соответствии с конкретным приложением, изменив предопределенные основные профили.
• Его избыточность также возможна при использовании кольцевой топологии. EtherCAT также использует звезду, дерево, линию и топология шины .
• Этот протокол обеспечивает высокую скорость, меньший трафик данных, меньшую стоимость оборудования, а также большую точность и механизм синхронизации часов по сравнению с Ethernet.
• Этой скоростью сети также можно управлять, потому что у компьютеров могут возникнуть проблемы с обработкой большего количества циклов, поэтому оптимизация в EtherCAT достижима.
• Он поддерживает почти все топологии, поэтому его можно использовать в широком диапазоне приложений с типичным коммутатором Ethernet на основе топологии «звезда».
• Протоколы Ethernet очень безопасны, используют упрощенные мастера, больше места для данных и обработка на лету.

К недостаткам протокола Ethercat можно отнести следующее.

• Основным недостатком EtherCAT является то, что ведомые устройства требуют вставки специального оборудования ASIC для выполнения EtherCAT. Его модель данных очень отличается, а также очень сложна для понимания.

Приложения

приложения EtherCAT включая следующее.

• EtherCAT применим в различных областях благодаря множеству характеристик, таких как превосходная производительность, простота, надежность, доступность, встроенная безопасность и гибкая топология. Он используется в различных областях, таких как станки, робототехника, печатные станки, прессы, электростанции, подстанции, испытательные стенды, сварочные аппараты, сельскохозяйственная техника, краны и подъемники, ветряные турбины, фрезерные станки, машины для захвата и размещения, упаковочные машины, измерения. системы, металлургические заводы, целлюлозно-бумажные машины, системы управления сценами, системы управления туннелями и т. д.
• Он применим для измерения оборудования, медицинских устройств, управления машинами, мобильных машин, многочисленных встроенных систем и автомобилей.
• Он обладает чрезвычайно высокой производительностью, прост в установке и использует открытый протокол прикладного уровня, используемый в приложениях Ethernet.
• Это открытая система связи в режиме реального времени, широко используемая в автоматизированном производстве.

Таким образом, это обзор Ethercat – работа с приложениями. EtherCAT делает системы и машины проще, быстрее и экономичнее. Это международный стандарт IEC, который означает не только стабильность, но и открытость: до сих пор спецификации EtherCAT никогда не менялись, а расширялись только в соответствии с совместимостью. EtherCAT считается «Ethernet Fieldbus», поскольку он объединяет преимущества Ethernet с простотой стандартных систем Fieldbus и позволяет избежать сложности ИТ-технологий. Вот вопрос к вам, что такое Ethernet?