Vad är en EtherCAT: arkitektur, arbete och dess tillämpningar

EtherCAT utvecklades först av en major PLC:er tillverkare nämligen Beckhoff Automation som används i realtidsstyrsystem & industriell automation . Beckhoff Automation utvecklade sin egen Fieldbus-version som LightBus på 1980-talet för att ta itu med problemet med bandbredd för andra gränssnitt. Extra arbete med detta protokoll resulterade slutligen i EtherCAT-uppfinningen. Beckhoff lanserade EtherCAT-protokollet 2003 över hela världen. Därefter bidrog de med rättigheterna till EtherCAT Technology Group (ETG) 2004. ETG har en extremt aktiv utvecklare såväl som en användargrupp. Den här artikeln diskuterar en översikt över Ethercat grunderna – arbeta med applikationer.

Vad är en Ethercat?

EtherCAT eller Ethernet Control Automation Technology är ett industriellt nätverkssystem som är beroende av det Ethernet-system som används för att uppnå mycket snabb och mer skicklig kommunikation. Så, EtherCAT är ett mycket snabbt nätverk som används för att bearbeta data med dedikerad hårdvara och mjukvara. Detta nätverk använder en master-slav, full duplex-konfiguration med någon Nätverks topologi .

Tiden det tar att behandla 1000 I/O-punkter är 30 sekunder och kommunicerar med 100 servoaxlar inom 100 us. Servoaxlar kommer att få inställda värden för att kontrollera data och rapportera aktuell status. Dessa axlar synkroniseras genom en distribuerad klockmetod som är en enkel IEEE 1588-version och minskar jitter till under 1 us. EtherCAT levererar snabb utdata eftersom meddelanden bearbetas i hårdvara innan de flyttas till nästa slav.

EtherCAT-arkitektur

EtherCAT nätverksarkitektur visas nedan som använder master/slav-principen för att kontrollera åtkomst till mediet. I den här arkitekturen är EtherCAT-mastern normalt kontrollsystemet som använder en typisk Ethernet-port såväl som den lagrade nätverkskonfigurationsinformationen i ENI-filen (EtherCAT Network Information).

EtherCAT Network Information-filen skapas helt enkelt baserat på ESI-filer (EtherCAT SlaveInformation) som ges av handlarna för varje enhet. Här sänder masternoden ramarna till slavnoderna som kan infoga och ta bort data från dessa ramar. Slavenheter är noder som EPOS3-motorenheter som innehåller Ethernet-portar för att kommunicera via en EtherCAT-master. Här är EtherCAT-mastern en datorenhet som används för att upprätthålla datakommunikationen mellan mastern såväl som olika slavar.

Hur fungerar EtherCAT?

EtherCAT används för att övervinna de typiska felen hos Industrial Ethernet genom dess högpresterande driftläge, där vanligtvis en enda ram räcker för att överföra och ta emot styrdata från och till alla noder. EtherCAT-protokollet är byggt på det fysiska lagret av ett Ethernet, men EtherCAT använder en processing-on-the-fly-metod för transport och meddelandedirigering som också kallas att kommunicera-on-the-fly snarare än att använda TCP/IP.

EtherCAT-master- och slavkonfigurationerna visas nedan. I denna konfiguration sänder Ethercats befälhavare ett datapaket (telegram) genom varje slav som också kallas en nod.
Den huvudsakliga EtherCAT-funktionen är att slavarna inom ovanstående konfiguration kan läsa på annat sätt helt enkelt extrahera relaterade data som krävs från telegrammet och lägga till information till telegrammet innan det flyttar till den andra noden eller slaven. Så, telegrammet rör sig genom alla slavar som är anslutna och kommer sedan tillbaka till mastern.

EtherCAT-protokollet skickar ett telegram från masterenheten till alla slavar som är anslutna inom nätverket. Varje slav inom nätverket kan helt enkelt läsa data som är tillämplig på den slaven och kan lägga till data till telegrammet innan det flyttar till den andra noden.

Dataläsning och skrivning är helt enkelt aktiverad genom en speciell ASIC på varje slav av EtherCAT. I detta tillvägagångssätt kommer varje slav att införa en minimal fördröjning av proceduren och kollisioner är inte möjliga.

EtherCAT-protokollet ger helt enkelt realtids- och deterministisk kommunikation som är kompatibel med synkroniserad och fleraxlig rörelsekontroll utan krav på extra hårdvara för att uppnå synkronisering mellan flera axlar.

Feltolerans

I EtherCAT:s master- och slavkonfiguration, om utgången från den sista noden inte är allierad med mastern, returneras data automatiskt i en annan riktning genom EtherCAT-protokollet. Så tidsstämplingen bibehålls.

Varje nod i ovanstående konfiguration tidsstämplar data när den har erhållits, och efter det stämplar den igen när den sänder den till den andra noden. Följaktligen närhelst mastern får tillbaka data från de olika noderna, bestämmer den enkelt varje nods latens. Överföringen av data från mastern erhåller en I/O-tidsstämpel från varje nod för att göra EtherCAT mycket mer deterministisk och exakt.

Feltoleransen innebär att nätverken i EtherCAT inte behöver vara anslutna i ett ringnät som visas i diagrammet ovan, men det kan anslutas på olika sätt, som trädtopologi, linjetopologi, ringtopologi, stjärntopologi och även med kombinationer.

Naturligtvis, mellan slavarna och befälhavaren, måste det finnas en anslutningsfil. När du väl kopplar ur dem kan de inte fungera, även om nätverkstopologin är mycket flexibel och tolererar fel till en utmärkt nivå.

I EtherCAT-system är switcharna inte nödvändiga som vad vi har hittat i Ethernet. Kabellängderna mellan noder upp till 100 meter är möjliga. Lågspänningsdifferentialsignaleringen på de tvinnade kopparkablarna fungerar vid maximala hastigheter med mycket mindre strömförbrukning. Så det är också möjligt att använda fiberoptiska kablar (FOC) för att öka hastigheten och inkludera galvanisk isolering mellan enheter.

EtherCAT använder Ethernet-kabel som kan ha en räckvidd på upp till 100 m mellan två noder. Dessutom möjliggör protokollet dataöverföring och ström via en kabel. Denna typ av anslutning används för att ansluta olika enheter som sensorer med en enda linje. Om nodens avstånd är över 100m används fiberoptikkabel som 100BASE-FX. För EtherCAT finns också hela Ethernet-kabelsortimentet tillgängligt.

EtherCAT-ram

EtherCAT-protokollet använder en typisk Ethernet-ram som innehåller minst ett eller fler datagram. I denna ram kommer datagramhuvudet att specificera vilken typ av entré masterenheten vill utföra:

• Läs, skriv, läs-skriv.
• Rätt till inträde till en viss slavenhet genom direkt adressering eller rätt till inträde till olika slavenheter genom logisk adressering.

Den logiska adresseringen används för processen med cykliskt datautbyte där varje Datagram adresserar en exakt del av processbilden inom segmentet av EtherCAT-protokollet.

Varje slavenhet tilldelas enstaka eller flera adresser i detta globala adressutrymme i hela det etablerade nätverket. Ett enda datagram kan övervägas om flera slavenheter tilldelas adresser inom en liknande region.

I EtherCAT inkluderar datagrammen informationen relaterad till dataåtkomst, så huvudenheten kommer till ett beslut om när den ska komma åt data.

Protokollsäkerhet

För närvarande är säkerhet en av huvudfunktionerna även inom automationsområdet för såväl dataöverföring som kommunikation. Så EtherCAT använder protokollet Säkerhet för säkerhetsändamål genom att tillåta ett enda kommunikationssystem för både säkerhet och kontroll av data. Denna säkerhetsfunktion modifierar även data flexibelt och utökar säkerhetssystemets arkitektur, etc.

Säkerhetstekniken i EtherCAT-protokollet är TÜV-certifierad och har utvecklats baserat på IEC 61508 och är identisk med IEC 61784-3. Detta protokoll är tillämpligt i säkerhetsapplikationer genom en säkerhetsintegritetsnivå lika med SIL 3.

Ethercat vs Ethernet

Skillnaderna mellan EtherCAT och Ethernet diskuteras nedan.

Ethercat vs Profinet

Skillnaderna mellan EtherCAT och Profinet diskuteras nedan.

Ethercat vs CANopen

Skillnaderna mellan EtherCAT och CANopen diskuteras nedan.

Ethercat vs Modbus

Skillnaderna mellan EtherCAT och Modbus diskuteras nedan.

Fördelar och nackdelar

Ethercat-protokollfördelarna inkluderar följande.

• EtherCAT är en enastående fältbuss som används i rörelsestyrningstillämpningar.
• Den är verifierad för att optimera maskinens prestanda genom dess flexibla topologi, deterministiska prestanda och olika funktioner.
• Den stöder helt enkelt hela CANopen-familjen och drivprofilen för Sercos. Så detta hjälper användarna att enkelt ordna EtherCAT-nätverk till den exakta applikationen genom att ändra fördefinierade grundläggande profiler.
• Dess redundans är också möjlig med en ringtopologi. EtherCAT använder också stjärna, träd, linje och busstopologi .
• Detta protokoll ger hög hastighet, mindre datatrafik, mindre hårdvarukostnader och mer precision och synkroniseringsmekanism för klockan jämfört med Ethernet.
• Denna nätverkshastighet kan också hanteras eftersom datorerna kan ha problem med att hantera den större mängden cykler, vilket gör att optimeringen inom EtherCAT är möjlig.
• Den stöder nästan alla topologier så att den kan användas i ett brett spektrum av applikationer med den typiska Ethernet-stjärntopologibaserade switchen.
• Ethernet-protokoll är mycket säkra, använder förenklade masters, datautrymme är mer och bearbetning är i farten.

Ethercat-protokollets nackdelar inkluderar följande.

• Den största nackdelen med EtherCAT är att slavenheter måste infoga en specifik ASIC-hårdvara för att köra EtherCAT. Dess datamodell är extremt annorlunda och också mycket svår att förstå.

Ansökningar

De applikationer av EtherCAT inkluderar följande.

• EtherCAT är tillämpbar inom olika områden på grund av många funktioner som utmärkt prestanda, enkelhet, robusthet, prisvärdhet, integrerad säkerhet och flexibel topologi. Det används inom olika områden som verktygsmaskiner, robotteknik, tryckpressar, pressar, kraftverk, transformatorstationer, testbänkar, svetsmaskiner, lantbruksmaskiner, kranar och hissar, vindturbiner, fräsmaskiner, plockningsmaskiner, förpackningsmaskiner, mätning system, Järn- & stålverk, Pappers- & Massamaskiner, Scenstyrsystem, Tunnelstyrsystem m.m.
• Det är tillämpbart vid mätning av utrustning, medicinsk utrustning, maskinkontroll, mobila maskiner, många inbyggda system och bilar.
• Den har extremt hög prestanda, är enkel att installera och ett öppet applikationslagerbaserat protokoll som används i Ethernet-applikationer
• Detta är ett öppet och i realtid kommunikationssystem, som används så flitigt inom automationstillverkning.

Detta är alltså en översikt över Ethercat – arbeta med applikationer. EtherCAT gör system och maskiner enklare, snabbare och mer kostnadseffektiva. Det är en internationell IEC-standard som inte enbart står för stabilitet, utan också för öppenhet: hittills har EtherCAT-specifikationerna aldrig ändrats, utan endast utökats kompatibelt. EtherCAT betraktas som 'Ethernet Fieldbus' eftersom den kombinerar Ethernet-fördelarna med standardfältbussystemets enkelhet och undviker IT-teknikens komplexitet. Här är en fråga till dig, vad är Ethernet?