Az EtherCAT-et először egy fő fejlesztette ki PLC-k gyártó, nevezetesen a Beckhoff Automation, amelyet valós idejű vezérlőrendszerekben és ipari automatizálás . A Beckhoff Automation az 1980-as években kifejlesztette saját Fieldbus-verzióját, például a LightBus-t, hogy megoldja a sávszélesség problémáját más interfészek esetében. A protokollon végzett további munka végül az EtherCAT találmányt eredményezte. A Beckhoff 2003-ban vezette be világszerte az EtherCAT protokollt. Ezt követően 2004-ben adták át a jogokat az EtherCAT Technology Group-hoz (ETG). Az ETG-nek rendkívül aktív fejlesztője és felhasználói csoportja is van. Ez a cikk egy áttekintést tárgyal Az Ethercat alapjai – alkalmazásokkal való munka.
Mi az Ethercat?
Az EtherCAT vagy Ethernet Control Automation Technology egy ipari hálózati rendszer, amely az Ethernet rendszertől függ a nagyon gyors és szakszerűbb kommunikáció érdekében. Tehát az EtherCAT egy nagyon gyors hálózat, amelyet az adatok feldolgozására használnak dedikált hardverrel és szoftverrel. Ez a hálózat mester-szolga, teljes duplex konfigurációt használ bármely hálózati topológia .
Az 1000 I/O pont feldolgozásához szükséges idő 30 másodperc, és 100 us-on belül 100 szervotengellyel kommunikál. A szervotengelyek beállított értékeket kapnak az adatok vezérléséhez és az aktuális állapot jelentéséhez. Ezeket a tengelyeket egy elosztott órajel módszerrel szinkronizálják, amely egy egyszerű IEEE 1588 verzió, és 1 us alá csökkenti a jittert. Az EtherCAT gyors kimenetet biztosít, mivel az üzenetek a hardveren belül kerülnek feldolgozásra, mielőtt átkerülnének a következő slave-re.
EtherCAT architektúra
Az alábbiakban az EtherCAT hálózati architektúra látható, amely a mester/szolga elvet használja a médiához való hozzáférés szabályozására. Ebben az architektúrában az EtherCAT master általában az a vezérlőrendszer, amely egy tipikus Ethernet portot, valamint az ENI (EtherCAT Network Information) fájlban tárolt hálózati konfigurációs információkat használ.
Az EtherCAT hálózati információs fájl egyszerűen létrejön az ESI (EtherCAT SlaveInformation) fájlok alapján, amelyeket a kereskedők adnak meg az egyes eszközökhöz. Itt a mester csomópont továbbítja a kereteket a szolga csomópontoknak, amelyek beilleszthetik és eltávolíthatják ezeket a kereteket. A slave eszközök olyan csomópontok, mint az EPOS3 motormeghajtók, amelyek Ethernet portokat tartalmaznak az EtherCAT masteren keresztül történő kommunikációhoz. Itt az EtherCAT master egy számítógépes eszköz, amelyet a master és a különböző slave-ek közötti adatkommunikáció fenntartására használnak.
Hogyan működik az EtherCAT?
Az EtherCAT-et az ipari Ethernet tipikus hibáinak kiküszöbölésére használják nagy teljesítményű üzemmódja révén, ahol általában egyetlen keret elegendő a vezérlő adatok továbbításához és fogadásához az összes csomóponttól és az összes csomóponthoz. Az EtherCAT protokoll az Ethernet fizikai rétegére épül, azonban az EtherCAT menet közbeni feldolgozási megközelítést alkalmaz az átvitelhez és az üzenettovábbításhoz, amelyet menet közbeni kommunikációnak is neveznek a TCP/IP használata helyett.
Az EtherCAT master és slave konfigurációi az alábbiakban láthatók. Ebben a konfigurációban az Ethercat mestere egy adatcsomagot (táviratot) továbbít minden slave-en, amelyet csomópontnak is neveznek.
Az EtherCAT fő jellemzője, hogy a fenti konfiguráción belüli slave-ek képesek olvasni, különben egyszerűen kivonhatják a táviratból szükséges kapcsolódó adatokat, és információkat adhatnak a távirathoz, mielőtt az átkerülne a második csomópontba vagy slave-be. Tehát a távirat az összes csatlakoztatott szolgán keresztül halad, majd visszatér a mesterhez.
Az EtherCAT protokoll táviratot küld a mester eszközről a hálózaton belüli összes slavenek. A hálózaton belül minden slave egyszerűen elolvashatja az adott slave-re vonatkozó adatokat, és adatokat adhat hozzá a távirathoz, mielőtt az átkerülne a második csomóponthoz.
Az adatolvasás és -írás egyszerűen engedélyezhető egy speciális ASIC-en keresztül az EtherCAT minden slavején. Ebben a megközelítésben minden slave minimális késleltetést fog bevezetni az eljárásba, és az ütközések nem kivitelezhetők.
Az EtherCAT protokoll egyszerűen valós idejű és determinisztikus kommunikációt biztosít, amely kompatibilis a szinkronizált és többtengelyes mozgásvezérléssel anélkül, hogy extra hardverre lenne szükség a több tengely közötti szinkronizálás eléréséhez.
Hibatűrés
Az EtherCAT mester és szolga konfigurációjában, ha az utolsó csomópont kimenete nincs társítva a mesterhez, akkor az adatok automatikusan visszaküldésre kerülnek egy másik irányba az EtherCAT protokollon keresztül. Tehát az időbélyegzés megmarad.
A fenti konfigurációban minden csomópont időbélyeggel látja el az adatokat, miután megkapta, majd újra bélyegzi, miután továbbítja a második csomópontra. Következésképpen, amikor a mester visszakapja az adatokat a különböző csomópontoktól, akkor könnyen meghatározza az egyes csomópontok késleltetését. Az adatok átvitele a mestertől minden csomóponttól kap egy I/O időbélyeget, hogy az EtherCAT sokkal determinisztikusabb és pontosabb legyen.
A hibatűrés azt jelenti, hogy az EtherCAT hálózatait nem kell gyűrűs hálózatba kötni, amint az a fenti ábrán látható, de többféleképpen csatlakoztatható, mint például fa topológia, vonal topológia, gyűrű topológia, csillag topológia és kombinációk.
Természetesen a slave és a master között kell lennie egy összekötő sávnak. Miután kihúzta őket, nem működnek, bár a hálózati topológia rendkívül rugalmas és kiválóan tolerálja a hibákat.
Az EtherCAT rendszerekben a kapcsolókra nincs szükség, mint az Ethernetnél. A csomópontok közötti kábelhossz akár 100 méter is elérhető. A csavart érpárú rézkábelek kisfeszültségű differenciál jelzése maximális sebességen működik, nagyon kisebb energiafogyasztás mellett. Tehát az optikai kábelek (FOC) használata is megvalósítható a sebesség növelésére és galvanikus leválasztásra az eszközök között.
Az EtherCAT Ethernet-kábelt használ, amely akár 100 méteres hatótávolságot is biztosíthat két csomópont között. Ezenkívül a protokoll lehetővé teszi az adatátvitelt és az áramellátást egyetlen kábelen keresztül. Ez a fajta kapcsolat különböző eszközök, például érzékelők egyetlen vonallal történő összekapcsolására szolgál. Ha a csomópont távolsága 100 m felett van, akkor a száloptikai kábelt használják, mint a 100BASE-FX. Az EtherCAT esetében a teljes Ethernet kábelezési tartomány is elérhető.
EtherCAT keret
Az EtherCAT protokoll egy tipikus Ethernet keretet használ, amely legalább egy vagy több datagramot tartalmaz. Ebben a keretben a datagram fejléc meghatározza, hogy a mester eszköz milyen bejegyzést szeretne végrehajtani:
- Olvasni, írni, olvasni-írni.
- Belépés joga egy adott szolga eszközhöz közvetlen címzéssel, vagy belépési jog különféle szolga eszközökhöz logikai címzés révén.
A logikai címzést a ciklikus adatcsere folyamatára használják, ahol minden Datagram a folyamatkép egy pontos töredékét címzi meg az EtherCAT protokoll szegmensén belül.
Minden alárendelt eszköz egyetlen vagy több címmel van kijelölve ebben a globális címtérben az egész létrehozott hálózaton. Egyetlen Datagram akkor jöhet számításba, ha egy hasonló régión belül több szolgaeszköznek is van címe allokálva.
Az EtherCAT-ben a Datagramok tartalmazzák az adathozzáféréssel kapcsolatos információkat, így a mestereszköz dönt arról, hogy mikor éri el az adatokat.
Protokoll Biztonság
Jelenleg még az adatátvitel és a kommunikáció automatizálási területén is a biztonság az egyik fő jellemző. Tehát az EtherCAT a Biztonság protokollt használja biztonsági célokra azáltal, hogy egyetlen kommunikációs rendszert tesz lehetővé mind a biztonság, mind az adatok ellenőrzése érdekében. Ez a biztonsági funkció rugalmasan módosítja az adatokat és kibővíti a biztonsági rendszer architektúráját stb.
Az EtherCAT protokoll biztonsági technológiája TÜV tanúsítvánnyal rendelkezik, és az IEC 61508 alapján lett kifejlesztve, és megegyezik az IEC 61784-3 szabványsal. Ez a protokoll biztonsági alkalmazásokban alkalmazható a SIL 3-nak megfelelő Biztonsági integritási szinten.
Ethercat vs Ethernet
Az EtherCAT és az Ethernet közötti különbségeket az alábbiakban tárgyaljuk.
|
EtherCAT |
Ethernet |
| Az EtherCAT egy Ethernet alapú Fieldbus rendszer. | Az Ethernet egy vezetékes számítógépes hálózati technológia. |
| Alkalmazható mind a lágy, mind a kemény valós idejű számítástechnikai követelményekben az automatizálási technológián belül. | Alkalmazható LAN-ban, MAN-ban és WAN-ban. |
| Az Ethercat nemzetközi szabvány az IEC 61158 | Az Ethernet nemzetközi szabvány az IEEE-802.3. |
| Master/slave működést igényel. | Nem igényel master/slave működést. |
| Gyűrű alapú topológiát igényel. | Nincs szüksége gyűrű alapú topológiára. |
| Kifejezetten valós idejű vezérlésre van optimalizálva. | Nem valós idejű vezérlésre van optimalizálva. |
| Az adatütközések elkerülésére optimalizálva. | Nincs arra optimalizálva, hogy távol tartsa az adatütközésektől. |
Ethercat vs Profinet
Az EtherCAT és a Profinet közötti különbségeket az alábbiakban tárgyaljuk.
|
EtherCAT |
Profinet |
| Az EtherCAT egy olyan protokolltípus, amelyet arra használnak, hogy az Ethernet rugalmasságát és erejét az ipari automatizálás, a valós idejű vezérlőrendszerek, a mozgásvezérlő és az adatgyűjtő rendszerek számára biztosítsák. | A Profinet egy kommunikációs protokoll, amelyet a vezérlők és eszközök közötti adatcserére használnak. |
| Az EtherCAT nyílt megoldást kínál nagyon olcsóbban, mint a PROFINET IRT és a SERCOS III. | A Profinet nem kínál nyílt megoldást nagyon olcsón. |
| Válaszideje 0,1 ms. | Válaszideje <1ms. |
| Az Ethercat jitter < 0,1 ms. | A Profinet jitter < 1 ms. |
Ethercat vs CANopen
Az EtherCAT és a CANopen közötti különbségeket az alábbiakban tárgyaljuk.
|
EtherCAT |
CANopen |
| A busz sebessége az Ethercatben 100 Mbps. | A busz sebessége a CANopenben 1 Mbps. |
| Az Ethercatben használt átviteli mód full duplex. | A CANopenben használt átviteli mód félduplex. |
| Az eszközök közötti determinizmus vagy jitter alacsony, 1 ns. | Az eszközök közötti determinizmus vagy jitter általában 100-200 ns. |
| Egyetlen mester egy vagy több szolgával használható. | Az Single/multi-master egy vagy több slave esetén használatos. |
| Az eszközök közötti maximális távolság 100 méter. | Az eszközök közötti maximális távolság elsősorban a busz sebességétől függ. |
| A másodlagos kommunikációs port egy USB. | A másodlagos kommunikációs port RS232. |
Ethercat vs Modbus
A különbségek az EtherCAT és Modbus alább tárgyaljuk.
|
EtherCAT |
Modbus |
| Az EtherCAT egy Ethernet-alapú terepi buszrendszer. | A Modbus egy soros adatkommunikációs protokoll |
| A feldolgozás menet közben elvét használja. | Karakteres soros kommunikációs vonalakat használ. |
| Az EtherCAT a master és slave modellen alapul. | A Modbus kérés-válasz modellen alapul. |
| Támogatja az összes hálózati topológiák majdnem. | Csak vonal és csillag topológiákat támogat. |
| Az Ethercat determinisztikus. | A Modbus nem determinisztikus, mert TCP-n alapul. |
Előnyök és hátrányok
Az Ethercat protokoll előnyei a következők.
- Az EtherCAT egy kiváló terepi busz, amelyet mozgásvezérlési alkalmazásokban használnak.
- Rugalmas topológiája, determinisztikus teljesítménye és különböző szolgáltatáskészlete révén optimalizálja a gép teljesítményét.
- Egyszerűen támogatja az egész CANopen családot és a Sercos meghajtóprofilját. Így ez segíti a felhasználókat abban, hogy az előre meghatározott alapprofilok megváltoztatásával az EtherCAT hálózatokat egyszerűen a pontos alkalmazáshoz igazítsák.
- Redundanciája gyűrűtopológia használatával is lehetséges. Az EtherCAT csillagot, fát, vonalat és busz topológia .
- Ez a protokoll nagy sebességet, kisebb adatforgalmat, kisebb hardverköltséget, valamint pontosabb és szinkronizálási mechanizmust biztosít az Ethernethez képest.
- Ez a hálózati sebesség azért is kezelhető, mert a számítógépek gondot okozhatnak a jobb ciklusmennyiség kezelésében, így az EtherCAT-en belüli optimalizálás elérhető.
- Szinte az összes topológiát támogatja, így számos alkalmazásban használható a tipikus Ethernet csillag topológia alapú kapcsolóval.
- Ethernet protokollok nagyon biztonságosak, egyszerűsített mestereket használnak, nagyobb az adatterület, és a feldolgozás folyamatban van.
Az Ethercat protokoll hátrányai a következők.
- Az EtherCAT fő hátránya, hogy a szolga eszközöknek speciális ASIC hardvert kell behelyezniük az EtherCAT végrehajtásához. Adatmodellje rendkívül eltérő és nagyon nehezen érthető.
Alkalmazások
Az az EtherCAT alkalmazásai a következőket tartalmazzák.
- Az EtherCAT különféle területeken alkalmazható számos olyan funkciónak köszönhetően, mint például a kiváló teljesítmény, az egyszerűség, a robusztusság, a megfizethetőség, az integrált biztonság és a rugalmas topológia. Különböző területeken használják, mint például szerszámgépek, robotika, nyomdagépek, prések, erőművek, alállomások, próbapadok, hegesztőgépek, mezőgazdasági gépek, daruk és felvonók, szélturbinák, marógépek, szedő és behelyező gépek, csomagológépek, mérés rendszerek, vas- és acélművek, papír- és cellulózipari gépek, színpadvezérlő rendszerek, alagútvezérlő rendszerek stb.
- Alkalmazható berendezések, orvosi eszközök, gépvezérlés, mobil gépek, számos beágyazott rendszer és autó mérésére.
- Rendkívül nagy teljesítményű, egyszerűen telepíthető, és megnyitja az Ethernet alkalmazásokban használt alkalmazási réteg alapú protokollt
- Ez egy valós idejű és nyílt kommunikációs rendszer, amelyet széles körben használnak az automatizálási gyártásban.
Tehát ez az az Ethercat áttekintése – alkalmazásokkal való munka. Az EtherCAT egyszerűbbé, gyorsabbá és költséghatékonyabbá teszi a rendszereket és gépeket. Ez egy nemzetközi IEC szabvány, amely nem kizárólag a stabilitást, hanem a nyitottságot is jelenti: az EtherCAT specifikációit eddig soha nem módosították, csak kompatibilis módon bővítették. Az EtherCAT „Ethernet Fieldbus”-nak tekinthető, mivel egyesíti az Ethernet előnyeit a szabványos terepibusz-rendszerek egyszerűségével, és elkerüli az IT-technológiák bonyolultságát. Itt egy kérdés, hogy mi az az Ethernet?
