EtherCAT este un standard de rețea industrială care aparține familiei Industrial Ethernet și tehnologiilor utilizate pentru control distribuit în timp real. EtherCAT a fost dezvoltat de Beckhoff . Scopul de proiectare al protocolului a fost acela de a utiliza tehnologia Ethernet pentru a automatiza aplicațiile care necesită actualizări frecvente de timp (numite și timp de ciclu) cu fluctuații de comunicare scăzute (pentru sincronizare) și costuri hardware reduse. Datagramele EtherCAT sunt transmise într-un cadru Ethernet standard .
În mod obișnuit, magistralele de câmp sunt caracterizate printr-o lungime de date scurtă la fiecare nod, de obicei mai mică decât sarcina utilă minimă a unui cadru Ethernet. Prin urmare, utilizarea unui cadru per nod pe ciclu duce la o utilizare redusă a lățimii de bandă și astfel degradează performanța generală a rețelei. Prin urmare, EtherCAT utilizează o abordare diferită numită „Procesare din mers”.
Dispozitivele controlate EtherCAT nu primesc și nu trimit datagrame în sensul clasic al cuvântului. În schimb, fiecare datagramă primită este citită din mers în același timp cu care este trimisă mai departe. Inserarea datelor funcționează într-un mod similar. Datorită acestei abordări, este posibil să se realizeze un timp mic de procesare a datagramei. Toate dispozitivele din rețea sunt adresate de o singură datagramă, care este procesată secvenţial de fiecare dispozitiv.
Specificația pentru protocolul EtherCAT este disponibilă numai pentru membrii organizației, ceea ce crește foarte mult costul introducerii dispozitivelor EtherCAT în sistemele de supraveghere.
Protocolul EtherCAT operează pe pachete transmise direct într-un cadru Ethernet standard IEEE 802.3 (folosind Ethertype 0x88a4) sau într-o datagramă UDP/IP . Un pachet EtherCAT este indivizibil și constă dintr-un antet (2 octeți) și unul sau mai multe mesaje. Secvența datelor este independentă de ordinea fizică a nodurilor din rețea; adresarea poate fi procesată în orice ordine. Transmiterea de date , transmisia multiplă și de la capăt la capăt este de asemenea posibilă și trebuie implementată pe așa-numitul dispozitiv principal din segmentul de rețea curent. Dacă nu este necesară rutarea IP, protocolul EtherCAT poate fi inserat în datagramele UDP /IP. De asemenea, permite un anumit control asupra stivei de protocoale Ethernet pentru a implementa adresarea sistemelor EtherCAT.
Timp de ciclu scurt se poate realiza prin utilizarea microprocesoarelor în dispozitivele accesorii care nu sunt implicate în procesarea pachetelor Ethernet pentru a transmite imaginea procesului. Toate datele procesului de comunicare sunt procesate pe controlerul hardware al slave. Combinat cu principiul funcțional, acest lucru face EtherCAT un sistem I/O distribuit de înaltă performanță: Procesul de comunicare cu 1000 de intrări/ieșiri digitale distribuite durează aproximativ 30 µs, ceea ce este tipic pentru un transfer de 125 de octeți în 100 Mbit/Ethernet. Datele pentru și de la 100 de axe servo pot fi actualizate la până la 10 kHz. Ratele obișnuite de actualizare a rețelei sunt de 1-30 kHz, dar EtherCAT poate fi folosit și cu cicluri lenți dacă încărcarea DMA este prea mare pe computer.
În exterior, topologia rețelei EtherCAT poate fi arbitrară - este posibilă o ordine arbitrară a dispozitivelor de conectare. Cu toate acestea, topologia internă va fi în continuare în formă de inel prin utilizarea Ethernet full-duplex ca strat inferior - fiecare datagramă trimisă va trece prin toate dispozitivele conectate într-o anumită ordine. Folosind Ethernet layer-ul fizic full duplex, controlerele slave EtherCAT închid automat un port deschis și returnează un cadru Ethernet dacă nu sunt găsite dispozitive client în aval. Dispozitivele slave pot avea două sau mai multe porturi. În legătură cu aceste caracteristici ale EtherCAT este suportul pentru aproape orice topologie fizică, cum ar fi linie, arbore sau stea. Structura de magistrală sau linie cunoscută din rețelele industriale este astfel pusă la dispoziția Ethernetului. O combinație de linii și ramuri sau stub-uri este, de asemenea, posibilă: orice dispozitiv EtherCAT cu trei sau mai multe porturi poate acționa ca o tranziție, nu sunt necesare dispozitive suplimentare (de exemplu , comutatoare ). Topologia Ethernet clasică, o stea construită pe switch -uri , poate fi utilizată atât cu ajutorul switch-urilor configurate pentru a redirecționa traficul direct între porturi, cât și cu ajutorul unor dispozitive accesorii speciale: switch -uri situate între dispozitivul de rețea principal și dispozitivele slave. de dispozitive slave speciale (rețineți că dispozitivele slave standard nu au adrese MAC) atașate la același port de comutare formează împreună un segment EtherCAT, care este fie adresat prin adresa sa MAC, fie prin portul bazat pe VLAN-uri . Începând cu 100BASE-TX Physical Layer Ethernet, distanța dintre oricare două noduri poate fi de până la 100 m (300 ft). La un segment pot fi conectate până la 65535 de dispozitive. Dacă rețeaua EtherCAT este conectată într-o configurație de inel (necesită două porturi pe master), acest lucru poate duce la legături redundante.
Pentru sincronizare este utilizat un mecanism de ceas distribuit, rezultând o rată de jitter foarte scăzută , cu mult sub 1 µs, chiar dacă ciclul de comunicare fluctuează , ceea ce este echivalent cu protocoalele de sincronizare standard IEEE 1588 Precision. Prin urmare, EtherCAT nu necesită hardware special în dispozitivul master și poate fi implementat în software pe orice dispozitiv Ethernet standard cu o adresă MAC, chiar și fără un coprocesor de comunicații dedicat. Procesul tipic de creare a unui ceas distribuit este pornit de către master prin difuzarea unei adrese specifice tuturor sclavilor. După primirea acestui mesaj, toți sclavii își vor îngheța ceasul intern de două ori, o dată când mesajul este primit și o dată când mesajul este returnat (rețineți că EtherCAT are o topologie inelă ). Master-ul poate citi toate valorile blocate și poate calcula întârzierile pentru fiecare sclav. Acest proces poate fi repetat de câte ori este necesar pentru a reduce fluctuația și a calcula valorile medii de ieșire. Întârzierile totale sunt calculate pentru fiecare slave în funcție de poziția lor în inelul slave și încărcate în registrul de deplasare. Odată terminat, masterul permite transmiterea de citire/scriere pe ceasul de sistem, ceea ce face ca primul slave să fie ceasul master și forțează toți ceilalți sclavi să își seteze ceasul intern la offset-ul corespunzător, acum cunoscut. Pentru a menține ceasurile sincronizate după inițializare, masterul sau slave trebuie să transmită periodic cererea din nou pentru a compensa orice efecte ale diferențelor de viteză între ceasul intern al fiecăruia. Fiecare slave trebuie să ajusteze viteza ceasului său intern sau să ruleze un mecanism intern de suprareglare ori de câte ori slave trebuie să seteze valoarea curentă. Ceasul de sistem este descris ca un numărător de 64 de biți cu un bloc de bază de 1 ns, începând cu 1 ianuarie 2000, ora 0:00.
Dispozitivul master poate fi implementat folosind orice placă de rețea standard . La implementarea dispozitivelor slave, este necesar să se utilizeze microcircuite specializate pentru a asigura principiul procesării din mers .
Pentru sistemele de siguranță, EtherCAT implementează un profil dedicat Safety-over-EtherCAT. Vă permite să implementați într-o singură rețea atât soluția sarcinilor de control obișnuite, cât și sarcinile sistemelor de securitate îmbunătățite. Protocolul de siguranță este implementat la nivelul aplicației EtherCAT fără a afecta straturile inferioare. Protocolul este implementat în conformitate cu cerințele standardului IEC 61508 și satisface cerințele SIL 4. Protocolul are o lungime variabilă a datagramei, ceea ce face posibilă utilizarea diferitelor dispozitive I/O, precum și unități de frecvență variabilă cu suport pentru profilul de siguranta. Tunnelarea profilului de securitate, precum și a altor date EtherCAT, nu necesită utilizarea de switch -uri sau gateway- uri specializate .
Asociația dezvoltatorilor și producătorilor care susțin EtherCAT este EtherCAT Technology Group , o organizație cu peste 3600 de membri la 1 august 2017.
EtherCAT Technology Group este partener al IEC ( International Electrotechnical Commission , IEC), în 2005 EtherCAT a fost standardizat ca „IEC / PAS 62407 Ed. 1.0 en:2005, Tehnologia de automatizare a controlului Ethernet în timp real (EtherCAT™)”.
Aplicațiile tipice pentru EtherCAT sunt:
| Rețele industriale | |
|---|---|
| Autobuze de sistem de control | |
| Periferice distribuite | |
| Tehnologia conducerii |
|
| Dispozitive de câmp |
|
| Automatizarea clădirilor | |