Ano ang EtherCAT : Arkitektura, Paggawa at Mga Aplikasyon Nito

Ang EtherCAT ay unang binuo ng isang major mga PLC manufacturer na Beckhoff Automation na ginagamit sa real-time na mga control system at automation ng industriya . Ang Beckhoff Automation ay bumuo ng kanilang sariling bersyon ng Fieldbus tulad ng LightBus noong 1980s para sa pagtugon sa problema ng bandwidth para sa iba pang mga interface. Ang karagdagang trabaho sa protocol na ito sa wakas ay nagresulta sa pag-imbento ng EtherCAT. Inilunsad ni Beckhoff ang EtherCAT protocol noong 2003 sa buong mundo. Pagkatapos noon, nag-ambag sila ng mga karapatan sa EtherCAT Technology Group (ETG) noong 2004. Ang ETG ay may napakaaktibong developer pati na rin ang isang user group. Tinatalakay ng artikulong ito ang isang pangkalahatang-ideya ng Mga pangunahing kaalaman sa Ethercat – nagtatrabaho sa mga aplikasyon.

Ano ang isang Ethercat?

Ang EtherCAT o Ethernet Control Automation Technology ay isang pang-industriya na sistema ng network na nakadepende sa Ethernet system na ginagamit upang makakuha ng napakabilis at mas mahusay na mga komunikasyon. Kaya, ang EtherCAT ay isang napakabilis na network na ginagamit upang iproseso ang data gamit ang nakalaang hardware at software. Gumagamit ang network na ito ng master-slave, full duplex na configuration sa alinman topology ng network .

Ang oras na kinuha upang iproseso ang 1000 I/O point ay 30 segundo at nakikipag-ugnayan sa 100 servo axes sa loob ng 100 us. Makakakuha ang mga servo ax ng mga nakatakdang halaga para makontrol ang data at mag-ulat ng aktwal na katayuan. Ang mga ax na ito ay naka-synchronize sa pamamagitan ng isang distributed na paraan ng orasan na isang simpleng bersyon ng IEEE 1588 at binabawasan ang jitter sa mas mababa sa 1 us. Ang EtherCAT ay naghahatid ng mabilis na output dahil ang mga mensahe ay pinoproseso sa loob ng hardware bago sila ilipat sa susunod na alipin.

Arkitektura ng EtherCAT

Ang arkitektura ng network ng EtherCAT ay ipinapakita sa ibaba na gumagamit ng master/slave na prinsipyo para sa pagkontrol ng access sa medium. Sa arkitektura na ito, ang EtherCAT master ay karaniwang ang control system na gumagamit ng tipikal na Ethernet port gayundin ang nakaimbak na impormasyon sa pagsasaayos ng network sa loob ng ENI (EtherCAT Network Information) file.

Ang EtherCAT Network Information file ay ginawa lamang batay sa ESI (EtherCAT SlaveInformation) na mga file na ibinibigay ng mga merchant para sa bawat device. Dito, ipinapadala ng master node ang mga frame sa mga slave node na maaaring magpasok at mag-alis ng data mula sa mga frame na ito. Ang mga Slave device ay mga node tulad ng EPOS3 motor drive na naglalaman ng mga Ethernet port upang makipag-usap sa pamamagitan ng EtherCAT master. Dito, ang EtherCAT master ay isang computer device na ginagamit upang mapanatili ang komunikasyon ng data sa pagitan ng master pati na rin ang iba't ibang mga alipin.

Paano Gumagana ang EtherCAT?

Ginagamit ang EtherCAT upang mapaglabanan ang mga tipikal na pagkakamali ng Industrial Ethernet sa pamamagitan ng high-performance operation mode nito, kung saan kadalasan ang isang frame ay sapat upang magpadala at tumanggap ng control data mula at sa lahat ng node. Ang EtherCAT protocol ay binuo sa pisikal na layer ng isang Ethernet gayunpaman, ang EtherCAT ay gumagamit ng isang processing-on-the-fly na diskarte para sa transportasyon at pagruruta ng mensahe na tinatawag ding communicating-on-the-fly kaysa sa paggamit ng TCP/IP.

Ang EtherCAT master at slave configuration ay ipinapakita sa ibaba. Sa pagsasaayos na ito, ang master ng Ethercat ay nagpapadala ng isang data packet (telegrama) sa bawat alipin na tinatawag ding node.
Ang pangunahing tampok ng EtherCAT ay ang mga alipin sa loob ng configuration sa itaas ay maaaring basahin kung hindi man ay i-extract lamang ang kaugnay na data na kinakailangan mula sa telegram at magdagdag ng impormasyon sa telegram bago ito lumipat sa pangalawang node o alipin. Kaya, ang telegrama ay gumagalaw sa lahat ng mga alipin na konektado at pagkatapos ay bumalik sa master.

Ang EtherCAT protocol ay nagpapadala ng telegrama mula sa master device sa lahat ng mga alipin na konektado sa loob ng network. Ang bawat alipin sa loob ng network ay maaaring basahin lamang ang data na naaangkop sa aliping iyon at maaaring magdagdag ng data sa telegrama bago ito lumipat sa pangalawang node.

Ang pagbabasa at pagsulat ng data ay pinapagana lamang sa pamamagitan ng isang espesyal na ASIC sa bawat alipin ng EtherCAT. Sa diskarteng ito, ang bawat alipin ay magpapakilala ng isang minimum na pagkaantala sa pamamaraan at ang mga banggaan ay hindi magagawa.

Ang EtherCAT protocol ay nagbibigay lamang ng real-time at deterministic, komunikasyon na tugma sa naka-synchronize at multi-axis na motion control nang hindi nangangailangan ng karagdagang hardware upang makamit ang synchronization sa pagitan ng ilang axes.

Fault Tolerance

Sa master & slave configuration ng EtherCAT, kung ang output ng huling node ay hindi kaalyado sa master, awtomatikong ibabalik ang data sa ibang direksyon sa pamamagitan ng EtherCAT protocol. Kaya, pinapanatili ang timestamping.

Ang bawat node sa configuration sa itaas ay nagtatamp ng data kapag nakuha na ito, at pagkatapos nito, muli itong nagta-stamp kapag naipadala na ito sa pangalawang node. Dahil dito, sa tuwing ibinabalik ng master ang data mula sa iba't ibang mga node, madali nitong matutukoy ang latency ng bawat node. Ang pagpapadala ng data mula sa master ay nakakakuha ng I/O time-stamp mula sa bawat node upang gawing mas deterministiko at tumpak ang EtherCAT.

Ang fault tolerance ay nangangahulugan, ang mga network ng EtherCAT ay hindi kailangang konektado sa isang ring network tulad ng ipinapakita sa diagram sa itaas, gayunpaman maaari itong konektado sa iba't ibang paraan, tulad ng tree topology, line topology, ring topology, star topology at gayundin sa mga kumbinasyon.

Siyempre, sa pagitan ng mga alipin at ang panginoon, kailangang mayroong koneksyon na daanan. Kapag na-unplug mo ang mga ito, hindi na sila gagana, kahit na ang topology ng network ay lubos na nababaluktot at pinahihintulutan ang mga error sa isang mahusay na antas.

Sa mga sistema ng EtherCAT, hindi kailangan ang mga switch tulad ng nakita namin sa Ethernet. Ang mga haba ng cable sa pagitan ng mga node na hanggang 100 metro ay makakamit. Ang low-voltage differential signaling sa twisted pair na mga copper cable ay gumagana sa pinakamataas na bilis na may napakababang paggamit ng kuryente. Kaya, posible ring gumamit ng mga fiber optic cable (FOCs) para mapahusay ang bilis at isama ang galvanic isolation sa pagitan ng mga device.

Gumagamit ang EtherCAT ng Ethernet Cable na maaaring hanggang 100m na ​​saklaw sa pagitan ng dalawang node. Bilang karagdagan, ang protocol ay nagbibigay-daan sa paghahatid ng data at kapangyarihan sa pamamagitan ng isang cable. Ang ganitong uri ng koneksyon ay ginagamit upang ikonekta ang iba't ibang mga device tulad ng mga sensor na may isang linya. Kung ang distansya ng node ay higit sa 100m, ang Fiber Optics Cable ay ginagamit tulad ng 100BASE-FX. Para sa EtherCAT, available din ang kumpletong Ethernet wiring range.

Frame ng EtherCAT

Gumagamit ang EtherCAT protocol ng tipikal na Ethernet frame na may kasamang minimum na isa o higit pa sa mga datagram. Sa frame na ito, tutukuyin ng header ng datagram kung anong uri ng entrée ang gustong gawin ng master device:

• Magbasa, magsulat, magbasa-magsulat.
• Karapatan ng pagpasok sa isang partikular na aparato ng alipin sa pamamagitan ng direktang pagtugon o karapatan ng pagpasok sa iba't ibang mga aparato ng alipin sa pamamagitan ng lohikal na pagtugon.

Ang lohikal na pag-address ay ginagamit para sa proseso ng cyclic data exchange kung saan ang bawat Datagram ay tumutugon sa isang eksaktong bahagi ng proseso ng imahe sa loob ng segment ng EtherCAT protocol.

Ang bawat slave device ay inilalaan ng isa o higit pang mga address sa pandaigdigang address space sa buong network na itinatag. Ang isang Datagram ay maaaring isaalang-alang kung ang ilang mga slave device ay inilalaan ng mga address sa loob ng isang katulad na rehiyon.

Sa EtherCAT, kasama sa Datagrams ang impormasyong nauugnay sa pag-access ng data, kaya ang master device ay nagdesisyon kung kailan i-access ang data.

Kaligtasan ng Protocol

Sa kasalukuyan, ang kaligtasan ay isa sa mga pangunahing tampok kahit na sa larangan ng automation para sa paglipat ng data pati na rin sa komunikasyon. Kaya, ginagamit ng EtherCAT ang protocol na Kaligtasan para sa mga layuning pangseguridad sa pamamagitan ng pagpayag sa isang sistema ng komunikasyon para sa parehong kaligtasan at kontrol ng data. Ang feature na pangkaligtasan na ito ay nababago din ang data nang flexible at pinapalawak ang arkitektura ng sistema ng seguridad, atbp.

Ang teknolohiyang pangkaligtasan ng EtherCAT protocol ay TÜV certified at binuo batay sa IEC 61508 at kapareho ng IEC 61784-3. Naaangkop ang protocol na ito sa mga application sa kaligtasan sa pamamagitan ng Safety Integrity Level na katumbas ng SIL 3.

Ethercat vs Ethernet

Ang mga pagkakaiba sa pagitan ng EtherCAT at Ethernet ay tinalakay sa ibaba.

Ethercat vs Profinet

Ang mga pagkakaiba sa pagitan ng EtherCAT at Profinet ay tinalakay sa ibaba.

Ethercat vs CANopen

Ang mga pagkakaiba sa pagitan ng EtherCAT at CANopen ay tinalakay sa ibaba.

Ethercat vs Modbus

Ang mga pagkakaiba sa pagitan ng EtherCAT at Modbus ay tinalakay sa ibaba.

Mga Kalamangan at Kahinaan

Kasama sa mga bentahe ng Ethercat protocol ang mga sumusunod.

• Ang EtherCAT ay isang pambihirang Fieldbus na ginagamit sa mga aplikasyon ng motion control.
• Na-verify ito para sa pag-optimize ng performance ng makina sa pamamagitan ng flexible topology nito, deterministic na performance at iba't ibang hanay ng mga feature.
• Sinusuportahan lang nito ang buong pamilya ng CANopen at ang profile ng pagmamaneho ng Sercos. Kaya tinutulungan nito ang mga gumagamit na madaling ayusin ang mga network ng EtherCAT sa eksaktong aplikasyon sa pamamagitan ng pagpapalit ng paunang natukoy na mga pangunahing profile.
• Posible rin ang redundancy nito gamit ang ring topology. Gumagamit din ang EtherCAT ng star, tree, line, at topology ng bus .
• Ang protocol na ito ay nagbibigay ng mataas na bilis, mas kaunting trapiko ng data, mas kaunting gastos sa hardware, at mas katumpakan at mekanismo ng pag-synchronize ng orasan kumpara sa Ethernet.
• Ang bilis ng network na ito ay maaari ding pamahalaan dahil ang mga computer ay maaaring magkaroon ng problema sa paghawak ng mas mahusay na dami ng mga cycle, kaya ang pag-optimize sa loob ng EtherCAT ay makakamit.
• Sinusuportahan nito ang halos lahat ng mga topologies upang magamit ito sa isang malawak na hanay ng mga application na may tipikal na Ethernet star topology-based switch.
• Mga protocol ng Ethernet ay napaka-secure, gumamit ng mga pinasimple na master, mas marami ang espasyo ng data, at mabilis na ang Pagproseso.

Kasama sa mga disadvantage ng Ethercat protocol ang mga sumusunod.

• Ang pangunahing disbentaha ng EtherCAT ay ang mga slave device ay nangangailangan na magpasok ng isang partikular na ASIC hardware upang maisagawa ang EtherCAT. Ang modelo ng data nito ay lubhang naiiba at napakahirap ding maunawaan.

Mga aplikasyon

Ang mga aplikasyon ng EtherCAT isama ang mga sumusunod.

• Naaangkop ang EtherCAT sa iba't ibang larangan dahil sa maraming mga tampok tulad ng mahusay na pagganap, pagiging simple, katatagan, affordability, pinagsamang seguridad, at flexible na topology. Ginagamit ito sa iba't ibang larangan tulad ng Machine tool, Robotics, Printing presses, Presses, Power plant, Substation, Test bench, Welding machine, Farm machinery, Crane at lift, Wind turbine, Milling machine, Pick and Place Machine, Packaging machine, Pagsukat system, Iron at steel works, Paper & Pulp machine, Stage control system, Tunnel control system, atbp.
• Naaangkop ito sa pagsukat ng kagamitan, mga medikal na device, kontrol ng makina, mga mobile machine, maraming naka-embed na system at sasakyan.
• Ito ay may napakataas na pagganap, simpleng i-install, at bukas na application layer-based na protocol na ginagamit sa mga Ethernet application
• Ito ay isang real-time at bukas na sistema ng komunikasyon, kaya malawakang ginagamit sa pagmamanupaktura ng automation.

Kaya, ito ay isang pangkalahatang-ideya ng Ethercat – nagtatrabaho sa mga aplikasyon. Ginagawa ng EtherCAT ang mga system at machine na mas simple, mas mabilis at mas cost-effective. Ito ay isang pang-internasyonal na pamantayan ng IEC na hindi eksklusibong kumakatawan sa katatagan, kundi pati na rin para sa pagiging bukas: hanggang ngayon, ang mga detalye ng EtherCAT ay hindi kailanman binago, ngunit pinalawig lamang nang magkatugma. Itinuturing ang EtherCAT bilang 'Ethernet Fieldbus' dahil pinagsasama nito ang mga benepisyo ng Ethernet sa karaniwang pagiging simple ng mga system ng Fieldbus at iniiwasan ang pagiging kumplikado ng mga teknolohiya ng IT. Narito ang isang tanong para sa iyo, ano ang Ethernet?