Prezentare generală
EtherCAT este un sistem fieldbus bazat pe Ethernet, cu o arhitectură deschisă. CAT în EtherCAT este un acronim pentru Control Automation Technology. Dezvoltat inițial de Beckhoff Automation GmbH în Germania. EtherCAT stabilește un nou standard pentru performanța în timp real și flexibilitatea topologică, respectând în același timp sau chiar reducând costul utilizării magistralei de câmp. EtherCAT oferă, de asemenea, sincronizare de înaltă precizie a dispozitivelor, redundanță opțională a cablului și Protocolul de securitate funcțională (SIL3).
principiu
Există mai multe soluții Ethernet pentru a oferi funcționalitate în timp real: de exemplu, dezactivarea procesului de acces CSMA/CD printr-un nivel superior de protocol și înlocuirea acestuia cu o secțiune de timp sau o procedură de sondare. Alte scheme folosesc comutatoare private și distribuie pachete Ethernet cu control precis al timpului. Deși aceste soluții pot livra pachete către nodurile Ethernet conectate relativ rapid și precis, utilizarea lățimii de bandă este scăzută, în special pentru dispozitivele tipice de automatizare, deoarece chiar și pentru cantități foarte mici de date, trebuie trimis un cadru Ethernet complet. În plus, timpul necesar pentru a redirecționa către controlerul de ieșire sau de unitate și pentru a citi datele de intrare depinde în mare măsură de modul de execuție. Este adesea necesară utilizarea unui subbus, în special în sistemele I/O modulare, care, la fel ca Beckhoff K-bus, accelerează transmisia printr-un sistem de magistrală sincronă, dar o astfel de sincronizare nu va evita întârzierile în transmisia magistralei de comunicații.
Cu EtherCAT, Beckhoff a reușit să depășească aceste limitări de sistem ale altor soluții Ethernet: nu mai era necesar să se primească pachete Ethernet la fiecare punct de conectare, să le decodeze și să le copieze în datele de proces. Pe măsură ce cadrele trec prin fiecare dispozitiv, inclusiv prin dispozitivul terminal de bază, EtherCAT citește datele de la controlerul stației care sunt importante pentru acel dispozitiv. În mod similar, datele de intrare pot fi inserate într-un mesaj pe măsură ce acesta trece. După ce cadrul a fost trecut (întârziat doar cu câțiva biți), stația slave recunoaște comanda relevantă și o procesează. Acest proces este implementat prin hardware în controlerul slave și, prin urmare, este independent de performanța sistemului de rulare în timp real sau a procesorului software-ului stivei de protocol. Ultimul slave EtherCAT din segmentul de rețea returnează un mesaj complet procesat, astfel încât mesajul este returnat ca mesaj de răspuns de la primul slave către master.
Dintr-o perspectivă Ethernet, segmentul de magistrală EtherCAT este pur și simplu un dispozitiv Ethernet mare care primește și trimite cadre Ethernet. Cu toate acestea, acest „dispozitiv” nu conține un singur controler Ethernet cu un microprocesor în aval, ci doar un număr mare de stații slave EtherCAT. Ca și în cazul oricărui Ethernet, EtherCAT nu necesită un comutator pentru a stabili comunicația, rezultând un sistem EtherCAT pur.
performanţă
EtherCAT atinge un nou nivel de performanță a rețelei. Perioada de reîmprospătare a 1000 date I/O distribuite este de numai 30μs, inclusiv durata ciclului terminalului. Printr-un cadru Ethernet, se pot schimba până la 1486 de octeți de date de proces, echivalentul a aproape 12.000 de volume digitale de I/O. Această cantitate de date poate fi transmisă în doar 300μs.
Comunicarea cu 100 de arbori servo este de numai 100μs. În acest timp, valorile de setare și datele de control pot fi furnizate tuturor axelor și poziția și starea lor reală pot fi raportate. Tehnologia ceasului distribuit asigură că abaterea timpului de sincronizare între aceste axe este mai mică de 1 microsecundă.
Cu performanța excelentă a tehnologiei EtherCAT, putem realiza metoda de control care nu poate fi realizată de sistemul tradițional de fieldbus. În acest fel, prin autobuz se pot forma și bucle de control de viteză ultra-înaltă. Funcțiile care anterior necesitau suport hardware dedicat nativ pot fi acum mapate în software. Resursele uriașe de lățime de bandă permit transmiterea datelor de stat în paralel cu orice date. Tehnologia EtherCAT permite tehnologiei de comunicații să se potrivească cu PC-urile industriale moderne, de înaltă performanță. Sistemul de autobuze nu mai este un blocaj pentru controlul ideilor. Livrarea datelor în I/O distribuite depășește performanța care poate fi atinsă numai de interfețele I/O locale.
Acest avantaj de performanță a rețelei este evident la controlerele mici cu putere de calcul relativ moderată. Bucla de mare viteză a EtherCAT, care poate fi realizată între două bucle de control. Prin urmare, controlerul are întotdeauna cele mai recente date de intrare disponibile și întârzierea de adresare a ieșirii este minimă. Comportamentul de răspuns al controlerului poate fi îmbunătățit semnificativ fără a-și îmbunătăți propria putere de calcul.
Principiile EtherCAT sunt scalabile și nu se limitează la 100 de megabiți de lățime de bandă - este posibil să se extindă până la gigabit Ethernet.
EtherCAT înlocuiește PCI:
Odată cu accelerarea dezvoltării miniaturizării componentelor PC, volumul PC-ului industrial depinde în principal de numărul de sloturi necesare.
Utilizarea lățimii de bandă Ethernet de mare viteză și a lățimii de bandă a datelor hardware de comunicații EtherCAT (controller slave EtherCAT) a deschis o nouă posibilitate de aplicație: interfețele aflate în mod normal în IPC au fost transferate la terminale de interfață inteligente în sistemele EtherCAT. Pe lângă I/O distribuite, axe și unități de control, sistemele complexe, cum ar fi stațiile master bus de câmp, interfețele seriale de mare viteză, gateway-urile și alte interfețe de comunicație pot fi adresate printr-un port Ethernet de pe computer. Chiar și alte dispozitive Ethernet fără restricții de variantă de protocol pot fi conectate prin terminalele DVS. Dimensiunea mainframe-ului PC-ului industrial este din ce în ce mai mică, costul este din ce în ce mai mic, o interfață Ethernet este suficientă pentru a face față tuturor sarcinilor de comunicare.
Utilizați Ethernet în loc de dispozitive PCI fieldbus (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i etc.) pentru integrare prin intermediul terminalului master al fieldbus distribuit. Neutilizarea fieldbus master salvează sloturile PCI în PC.
Topologie magistrală
Autobuz, arbore sau stea: EtherCAT acceptă aproape toate topologiile. Astfel, structura magistrală derivată din magistralele de teren poate fi utilizată și pentru Ethernet. Combinația de structuri de magistrală și ramificație este deosebit de utilă pentru cablarea sistemului. Toate interfețele sunt situate pe cuple, eliminând nevoia de comutatoare suplimentare. Desigur, puteți utiliza și topologia tradițională Ethernet stea bazată pe switch.
Utilizarea diferitelor cabluri de transmisie poate maximiza flexibilitatea cablajului. Cablurile Ethernet standard flexibile și ieftine pot transmite semnale prin modul Ethernet (100baseTX) sau prin magistrala E. Fibrele optice (Pfos) pot fi utilizate pentru aplicații speciale. Lățimea de bandă Ethernet (cum ar fi diferite cabluri optice și de cupru) poate fi utilizată împreună cu comutatoare sau convertoare media. Caracteristicile fizice ale Fast Ethernet permit dispozitivelor să fie la 100 de metri unul de celălalt, în timp ce E-bus poate fi la doar 10 metri unul de celălalt. Fast Ethernet sau E-bus pot fi selectate în funcție de cerințele de distanță. Sistemul EtherCAT poate găzdui până la 65535 de dispozitive, astfel încât dimensiunea totală a rețelei este aproape nelimitată.
Puteți alege liber topologia. Cablajul are cea mai mare flexibilitate: dacă se utilizează comutatorul, este utilizarea structurii topologiei de magistrală sau structura topologiei arborescente, poate fi orice combinație de alegere. Alocarea automată a adreselor; Nu trebuie să setați o adresă IP.
deschidere
EtherCAT nu este doar pe deplin compatibil cu Ethernet, dar are și o caracteristică unică de design deschis: poate coexista cu alte protocoale Ethernet care oferă o varietate de servicii și toate coexistă pe același mediu fizic - de obicei cu doar un impact mic asupra performanța generală a rețelei. Dispozitivele Ethernet standard pot fi conectate la un sistem EtherCAT prin terminalul comutatorului, ceea ce nu afectează timpul de ciclu. Dispozitivele echipate cu o interfață de fieldbus tradițională pot fi integrate în rețea printr-o conexiune la terminalul master EtherCAT fieldbus. Varianta de protocol UDP permite ca dispozitivele să fie integrate în orice interfață de slot. EtherCAT este un protocol complet deschis care a fost recunoscut ca specificație oficială IEC (IEC/PAS62407).