EtherCAT je najprej razvil glavni PLC-ji proizvajalec, in sicer Beckhoff Automation, ki se uporablja v nadzornih sistemih v realnem času & industrijska avtomatizacija . Podjetje Beckhoff Automation je v osemdesetih letih razvilo lastno različico Fieldbus, kot je LightBus, za reševanje problema pasovne širine za druge vmesnike. Dodatno delo na tem protokolu je končno privedlo do izuma EtherCAT. Beckhoff je leta 2003 uvedel protokol EtherCAT po vsem svetu. Po tem so leta 2004 prispevali pravice k EtherCAT Technology Group (ETG). ETG ima izjemno aktivno skupino razvijalcev in uporabnikov. Ta članek obravnava pregled Osnove Ethercat – delo z aplikacijami.
Kaj je Ethercat?
EtherCAT ali Ethernet Control Automation Technology je industrijski omrežni sistem, ki je odvisen od sistema Ethernet, ki se uporablja za doseganje zelo hitre in bolj zmogljive komunikacije. EtherCAT je torej zelo hitro omrežje, ki se uporablja za obdelavo podatkov z namensko strojno in programsko opremo. To omrežje uporablja konfiguracijo master-slave, full duplex s katerim koli topologija omrežja .
Čas, potreben za obdelavo 1000 V/I točk, je 30 sekund in komunicira s 100 servo osmi v 100 us. Servo osi bodo dobile nastavljene vrednosti za nadzor podatkov in poročanje o dejanskem stanju. Te osi so sinhronizirane prek metode porazdeljene ure, ki je preprosta različica IEEE 1588, in zmanjša tresenje pod 1 uks. EtherCAT zagotavlja hiter izhod, ker so sporočila obdelana znotraj strojne opreme, preden se premaknejo k naslednjemu podrejenemu.
Arhitektura EtherCAT
Spodaj je prikazana omrežna arhitektura EtherCAT, ki za nadzor dostopa do medija uporablja načelo master/slave. V tej arhitekturi je glavni EtherCAT običajno nadzorni sistem, ki uporablja tipična vrata Ethernet in shranjene informacije o omrežni konfiguraciji v datoteki ENI (EtherCAT Network Information).
Datoteka z informacijami o omrežju EtherCAT je preprosto ustvarjena na podlagi datotek ESI (EtherCAT SlaveInformation), ki jih posredujejo trgovci za vsako napravo. Tu glavno vozlišče posreduje okvirje podrejenim vozliščem, ki lahko vstavljajo in odstranjujejo podatke iz teh okvirjev. Podrejene naprave so vozlišča, kot so motorni pogoni EPOS3, ki vsebujejo vrata Ethernet za komunikacijo prek glavne enote EtherCAT. Tukaj je glavni EtherCAT računalniška naprava, ki se uporablja za vzdrževanje podatkovne komunikacije med glavnim in različnimi podrejenimi.
Kako deluje EtherCAT?
EtherCAT se uporablja za premagovanje tipičnih napak industrijskega etherneta prek njegovega visoko zmogljivega načina delovanja, kjer je navadno en sam okvir dovolj za prenos in sprejem kontrolnih podatkov od in do vseh vozlišč. Protokol EtherCAT je zgrajen na fizičnem sloju Etherneta, vendar EtherCAT uporablja pristop obdelave na letenju za transport in usmerjanje sporočil, ki se imenuje tudi komuniciranje na letenju namesto uporabe TCP/IP.
Konfiguracije glavne in podrejene enote EtherCAT so prikazane spodaj. V tej konfiguraciji nadrejeni Ethercat pošlje podatkovni paket (telegram) skozi vsako podrejeno, ki se imenuje tudi vozlišče.
Glavna značilnost EtherCAT je, da lahko podrejeni v zgornji konfiguraciji berejo, sicer preprosto izvlečejo povezane podatke, zahtevane iz telegrama, in dodajo informacije telegramu, preden se premakne v drugo vozlišče ali podrejeno. Torej se telegram premika po vseh povezanih podrejenih in se nato vrne k glavnemu.
Protokol EtherCAT pošlje telegram iz glavne naprave vsem podrejenim napravam, ki so povezane v omrežju. Vsak podrejeni v omrežju lahko preprosto prebere podatke, ki veljajo za tega podrejenega, in lahko doda podatke v telegram, preden se premakne v drugo vozlišče.
Branje in pisanje podatkov je preprosto omogočeno prek posebnega ASIC-a na vsaki podrejeni enoti EtherCAT. Pri tem pristopu bo vsak podrejeni vnesel minimalno zamudo v postopek in trki niso izvedljivi.
Protokol EtherCAT preprosto zagotavlja komunikacijo v realnem času in deterministično komunikacijo, ki je združljiva s sinhroniziranim in večosnim nadzorom gibanja brez potrebe po dodatni strojni opremi za doseganje sinhronizacije med več osemi.
Toleranca napak
V glavni in podrejeni konfiguraciji EtherCAT, če izhod zadnjega vozlišča ni povezan z glavnim, se podatki samodejno vrnejo v drugo smer prek protokola EtherCAT. Torej se časovni žig ohrani.
Vsako vozlišče v zgornji konfiguraciji časovno žigosa podatke, ko so pridobljeni, nato pa jih znova žigosa, ko jih prenese v drugo vozlišče. Posledično vsakič, ko glavni dobi nazaj podatke iz različnih vozlišč, zlahka določi zakasnitev vsakega vozlišča. Prenos podatkov iz glavne enote pridobi V/I časovni žig iz vsakega vozlišča, da postane EtherCAT veliko bolj determinističen in natančen.
Toleranca napak pomeni, da ni treba, da so omrežja EtherCAT povezana v obročno omrežje, kot je prikazano na zgornjem diagramu, vendar se lahko poveže na različne načine, kot so drevesna topologija, linijska topologija, obročasta topologija, zvezdasta topologija in tudi z kombinacije.
Seveda mora obstajati povezovalni pas med podrejenimi in nadrejenimi. Ko jih enkrat odklopite, ne morejo več delovati, čeprav je omrežna topologija zelo prilagodljiva in odlično prenaša napake.
V sistemih EtherCAT stikala niso potrebna, kot smo jih našli v Ethernetu. Dosegljive so dolžine kablov med vozlišči do 100 metrov. Nizkonapetostna diferencialna signalizacija na bakrenem kablu s prepletenim parom deluje pri največjih hitrostih z zelo majhno porabo energije. Zato je izvedljivo uporabiti kable iz optičnih vlaken (FOC) za povečanje hitrosti in vključitev galvanske izolacije med napravami.
EtherCAT uporablja ethernetni kabel, ki je med dvema vozliščema lahko dosegljiv do 100 m. Poleg tega protokol omogoča prenos podatkov in napajanje preko enega kabla. Ta vrsta povezave se uporablja za povezovanje različnih naprav, kot so senzorji, z eno linijo. Če je razdalja vozlišča nad 100 m, se uporablja kabel iz optičnih vlaken kot 100BASE-FX. Za EtherCAT je na voljo tudi celoten nabor ethernetnih napeljav.
Okvir EtherCAT
Protokol EtherCAT uporablja tipičen okvir Ethernet, ki vključuje najmanj enega ali več datagramov. V tem okvirju bo glava datagrama določala, kakšno vrsto vstopa želi izvesti glavna naprava:
- Brati, pisati, brati-pisati.
- Pravica do vstopa v določeno podrejeno napravo prek neposrednega naslavljanja ali pravica do vstopa v različne podrejene naprave prek logičnega naslavljanja.
Logično naslavljanje se uporablja za proces ciklične izmenjave podatkov, kjer vsak datagram naslovi natančen del slike procesa znotraj segmenta protokola EtherCAT.
Vsaki podrejeni napravi je dodeljen en ali več naslovov v tem globalnem naslovnem prostoru v celotnem vzpostavljenem omrežju. Posamezen datagram se lahko upošteva, če so več podrejenim napravam dodeljeni naslovi znotraj podobne regije.
V EtherCAT datagrami vključujejo informacije, povezane z dostopom do podatkov, zato se glavna naprava odloči, kdaj bo dostopala do podatkov.
Varnost protokola
Varnost je trenutno ena glavnih značilnosti tudi na področju avtomatizacije za prenos podatkov in komunikacijo. Tako EtherCAT uporablja protokol Safety za varnostne namene, tako da omogoča edini komunikacijski sistem za varnost in nadzor podatkov. Ta varnostna funkcija tudi prilagodljivo spreminja podatke in širi arhitekturo varnostnega sistema itd.
Varnostna tehnologija protokola EtherCAT ima certifikat TÜV in je bila razvita na podlagi IEC 61508 ter je enaka IEC 61784-3. Ta protokol je uporaben v varnostnih aplikacijah s stopnjo varnostne celovitosti, ki je enaka SIL 3.
Ethercat proti Ethernetu
Spodaj so obravnavane razlike med EtherCAT in Ethernet.
|
EtherCAT |
Ethernet |
| EtherCAT je sistem Fieldbus, ki temelji na Ethernetu. | Ethernet je žična računalniška omrežna tehnologija. |
| Uporablja se tako v zahtevah mehkega kot trdega računalništva v realnem času znotraj tehnologije avtomatizacije. | Uporablja se v omrežjih LAN, MAN in WAN. |
| Mednarodni standard Ethercat je IEC 61158 | Mednarodni standard Ethernet je IEEE-802.3. |
| Zahteva delovanje master/slave. | Ne zahteva glavnega/podrejenega delovanja. |
| Potrebuje topologijo na osnovi obroča. | Ne potrebuje topologije na osnovi obroča. |
| Optimiziran je posebej za nadzor v realnem času. | Ni optimiziran za nadzor v realnem času. |
| Optimiziran je tako, da preprečuje kolizije podatkov. | Ni optimiziran za izogibanje trkom podatkov. |
Ethercat proti Profinetu
Spodaj so obravnavane razlike med EtherCAT in Profinet.
|
EtherCAT |
Profinet |
| EtherCAT je ena vrsta protokola, ki se uporablja za vnos prilagodljivosti in moči Etherneta v industrijsko avtomatizacijo, nadzorne sisteme v realnem času, nadzor gibanja in sisteme za pridobivanje podatkov. | Profinet je komunikacijski protokol, ki se uporablja za izmenjavo podatkov med krmilniki in napravami. |
| EtherCAT ponuja odprto rešitev po zelo nižji ceni v primerjavi s PROFINET IRT in SERCOS III. | Profinet ne ponuja odprte rešitve po zelo nižji ceni. |
| Njegov odzivni čas je 0,1 ms. | Njegov odzivni čas je <1ms. |
| Trepetanje Ethercat je < 0,1 ms. | Profinet tresenje je < 1ms. |
Ethercat proti CANopen
Spodaj so obravnavane razlike med EtherCAT in CANopen.
|
EtherCAT |
CANopen |
| Hitrost vodila v Ethercatu je 100 Mbps. | Hitrost vodila v CANopen je 1 Mbps. |
| Način prenosa, uporabljen v Ethercatu, je polni dupleks. | Način prenosa, ki se uporablja v CANopen, je polovični dupleks. |
| Determinizem ali tresenje med napravami je nizko kot 1 ns. | Determinizem ali tresenje med napravami je običajno 100 do 200 ns. |
| En sam glavni se uporablja z enim ali več podrejenimi. | Enotni/večglavni se uporablja z enim ali več podrejenimi. |
| Največja razdalja med napravami je 100 metrov. | Največja razdalja med napravami je odvisna predvsem od hitrosti avtobusa. |
| Komunikacijska vrata, ki se uporabljajo kot sekundarna, so USB. | Komunikacijska vrata, ki se uporabljajo kot sekundarna, so RS232. |
Ethercat proti Modbusu
Razlike med EtherCAT in Modbus so obravnavani spodaj.
|
EtherCAT |
Modbus |
| EtherCAT je sistem fieldbus, ki temelji na Ethernetu. | Modbus je serijski podatkovni komunikacijski protokol |
| Uporablja procesiranje po principu letenja. | Uporablja znakovne serijske komunikacijske linije. |
| EtherCAT temelji na glavnem in podrejenem modelu. | Modbus temelji na modelu zahteva-odgovor. |
| Podpira vse omrežne topologije skoraj. | Podpira le topologije vrstic in zvezd. |
| Ethercat je determinističen. | Modbus ni determinističen, ker temelji na TCP. |
Prednosti in slabosti
Prednosti protokola Ethercat vključujejo naslednje.
- EtherCAT je izjemno vodilo Fieldbus, ki se uporablja v aplikacijah za nadzor gibanja.
- Preverjeno je za optimizacijo delovanja stroja s svojo prilagodljivo topologijo, deterministično zmogljivostjo in drugačnim naborom funkcij.
- Preprosto podpira celotno družino CANopen in pogonski profil Sercos. Tako to pomaga uporabnikom, da enostavno uredijo omrežja EtherCAT za točno določeno aplikacijo s spreminjanjem vnaprej določenih osnovnih profilov.
- Njegova redundanca je možna tudi z uporabo topologije obroča. EtherCAT uporablja tudi zvezdo, drevo, črto in topologijo vodila .
- Ta protokol zagotavlja visoko hitrost, manj podatkovnega prometa, nižje stroške strojne opreme ter večjo natančnost in mehanizem sinhronizacije ure v primerjavi z Ethernetom.
- To omrežno hitrost je mogoče tudi upravljati, ker imajo lahko računalniki težave z obvladovanjem večjega števila ciklov, zato je optimizacija znotraj EtherCAT dosegljiva.
- Podpira skoraj vse topologije, tako da se lahko uporablja v številnih aplikacijah s tipičnim stikalom, ki temelji na topologiji zvezde Ethernet.
- Ethernet protokoli so zelo varni, uporabljajo poenostavljene masterje, podatkovnega prostora je več in obdelava poteka sproti.
Slabosti protokola Ethercat vključujejo naslednje.
- Glavna pomanjkljivost EtherCAT je, da morajo podrejene naprave vstaviti posebno strojno opremo ASIC za izvajanje EtherCAT. Njegov podatkovni model je zelo drugačen in tudi zelo težko razumljiv.
Aplikacije
The aplikacije EtherCAT vključujejo naslednje.
- EtherCAT je uporaben na različnih področjih zaradi številnih lastnosti, kot so odlična zmogljivost, preprostost, robustnost, cenovna dostopnost, integrirana varnost in prilagodljiva topologija. Uporablja se na različnih področjih, kot so obdelovalni stroji, robotika, tiskarski stroji, stiskalnice, elektrarne, transformatorske postaje, testne mize, varilni stroji, kmetijski stroji, žerjavi in dvigala, vetrne turbine, rezkalni stroji, stroji za pobiranje in odlaganje, pakirni stroji, meritve sistemi, železarne in jeklarne, stroji za papir in celulozo, sistemi za nadzor odra, sistemi za nadzor tunelov itd.
- Uporablja se pri merjenju opreme, medicinskih naprav, nadzora strojev, mobilnih strojev, številnih vgrajenih sistemov in avtomobilov.
- Ima izjemno visoko zmogljivost, je enostaven za namestitev in odprt protokol na osnovi aplikacijskega sloja, ki se uporablja v aplikacijah Ethernet
- To je odprt komunikacijski sistem v realnem času, ki se tako pogosto uporablja v avtomatizirani proizvodnji.
Torej, to je pregled Ethercata – delo z aplikacijami. EtherCAT naredi sisteme in stroje enostavnejše, hitrejše in stroškovno učinkovitejše. To je mednarodni standard IEC, ki ne pomeni izključno stabilnosti, temveč tudi odprtost: specifikacije EtherCAT do sedaj niso bile nikoli spremenjene, ampak samo združljivo razširjene. EtherCAT velja za »Ethernet Fieldbus«, saj združuje prednosti Etherneta s standardno preprostostjo sistemov Fieldbus in se izogiba zapletenosti IT tehnologij. Tukaj je vprašanje za vas, kaj je Ethernet?
