descripción general
EtherCAT es un sistema de bus de campo basado en Ethernet con una arquitectura abierta. El CAT en EtherCAT es un acrónimo de Control Automation Technology. Desarrollado originalmente por Beckhoff Automation GmbH en Alemania. EtherCAT establece un nuevo estándar para el rendimiento en tiempo real y la flexibilidad topológica, al mismo tiempo que cumple o incluso reduce el costo del uso del bus de campo. EtherCAT también cuenta con sincronización de dispositivos de alta precisión, redundancia de cable opcional y el Protocolo de seguridad funcional (SIL3).
principio
Hay varias soluciones Ethernet para proporcionar funcionalidad en tiempo real: por ejemplo, deshabilitar el proceso de acceso a CSMA/CD a través de una capa de protocolo superior y reemplazarlo con un intervalo de tiempo o un procedimiento de sondeo. Otros esquemas usan conmutadores privados y distribuyen paquetes de Ethernet con un control de tiempo preciso. Aunque estas soluciones pueden entregar paquetes a los nodos Ethernet conectados con relativa rapidez y precisión, la utilización del ancho de banda es baja, especialmente para los dispositivos de automatización típicos, porque incluso para cantidades muy pequeñas de datos, se debe enviar una trama Ethernet completa. Además, el tiempo necesario para redirigir a la salida o controlador de accionamiento y leer los datos de entrada depende en gran medida del modo de ejecución. A menudo es necesario utilizar un subbus, especialmente en sistemas de E/S modulares que, como el K-bus de Beckhoff, aceleran la transmisión a través de un sistema de bus síncrono, pero dicha sincronización no evitará retrasos en la transmisión del bus de comunicación.
Con EtherCAT, Beckhoff pudo superar estas limitaciones del sistema de otras soluciones Ethernet: ya no era necesario recibir paquetes Ethernet en cada punto de conexión, decodificarlos y copiarlos en datos de proceso. A medida que las tramas pasan por cada dispositivo, incluido el dispositivo terminal subyacente, EtherCAT lee los datos del controlador de la estación que son importantes para ese dispositivo. De manera similar, los datos de entrada se pueden insertar en un mensaje a medida que pasa. Una vez pasada la trama (con un retraso de solo unos pocos bits), la estación esclava reconoce el comando relevante y lo procesa. Este proceso se implementa a través del hardware en el controlador esclavo y, por lo tanto, es independiente del sistema en ejecución en tiempo real o del rendimiento del procesador del software de la pila de protocolos. El último esclavo EtherCAT en el segmento de red devuelve un mensaje completamente procesado para que el mensaje se devuelva como un mensaje de respuesta del primer esclavo al maestro.
Desde la perspectiva de Ethernet, el segmento de bus EtherCAT es simplemente un gran dispositivo Ethernet que recibe y envía tramas Ethernet. Sin embargo, este "dispositivo" no contiene un solo controlador Ethernet con un microprocesador aguas abajo, sino solo una gran cantidad de estaciones esclavas EtherCAT. Al igual que con cualquier Ethernet, EtherCAT no requiere un conmutador para establecer la comunicación, lo que da como resultado un sistema EtherCAT puro.
actuación
EtherCAT alcanza un nuevo nivel de rendimiento de red. El período de actualización de 1000 datos de E/S distribuidas es de solo 30 μs, incluido el tiempo de ciclo del terminal. A través de una trama Ethernet, se pueden intercambiar hasta 1486 bytes de datos de proceso, lo que equivale a casi 12 000 volúmenes digitales de E/S. Esta cantidad de datos se puede transmitir en solo 300 μs.
La comunicación con 100 ejes de servo es de solo 100 μs. Durante este tiempo, se pueden proporcionar valores de configuración y datos de control a todos los ejes y se puede informar sobre su posición y estado reales. La tecnología de reloj distribuido garantiza que la desviación del tiempo de sincronización entre estos ejes sea inferior a 1 microsegundo.
Con el excelente rendimiento de la tecnología EtherCAT, podemos realizar el método de control que no se puede realizar mediante el sistema de bus de campo tradicional. De esta forma, también se pueden formar bucles de control de ultra alta velocidad a través del bus. Las funciones que anteriormente requerían soporte de hardware dedicado nativo ahora se pueden mapear en el software. Los enormes recursos de ancho de banda permiten que los datos de estado se transmitan en paralelo con cualquier dato. La tecnología EtherCAT permite que la tecnología de comunicaciones coincida con los PCS industriales modernos y de alto rendimiento. El sistema de autobuses ya no es un cuello de botella para controlar las ideas. La entrega de datos en E/S distribuidas supera el rendimiento que solo pueden lograr las interfaces de E/S locales.
Esta ventaja de rendimiento de la red es evidente en los controladores pequeños con una potencia informática relativamente moderada. Lazo de alta velocidad de EtherCAT, que se puede realizar entre dos lazos de control. Por lo tanto, el controlador siempre tiene los últimos datos de entrada disponibles y el retardo de direccionamiento de salida es mínimo. El comportamiento de respuesta del controlador se puede mejorar significativamente sin aumentar su propia potencia informática.
Los principios de EtherCAT son escalables y no están limitados a 100 megabits de ancho de banda; es posible escalar hasta Gigabit Ethernet.
EtherCAT reemplaza PCI:
Con la aceleración del desarrollo de la miniaturización de componentes de PC, el volumen de PC industrial depende principalmente de la cantidad de ranuras requeridas.
El uso del ancho de banda de Ethernet de alta velocidad y el ancho de banda de datos del hardware de comunicaciones EtherCAT (controlador esclavo EtherCAT) abrió una nueva posibilidad de aplicación: las interfaces normalmente ubicadas en IPC se transfirieron a terminales de interfaz inteligentes en sistemas EtherCAT. Además de E/S distribuidas, ejes y unidades de control, los sistemas complejos como estaciones maestras de bus de campo, interfaces seriales de alta velocidad, puertas de enlace y otras interfaces de comunicación pueden direccionarse a través de un puerto Ethernet en la PC. Incluso otros dispositivos Ethernet sin restricciones de variantes de protocolo se pueden conectar a través de los terminales DVS. El tamaño del mainframe de la PC industrial es cada vez más pequeño, el costo es cada vez más bajo, una interfaz Ethernet es suficiente para hacer frente a todas las tareas de comunicación.
Utilice Ethernet en lugar de dispositivos de bus de campo PCI (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i, etc.) para la integración a través del terminal maestro de bus de campo distribuido. No usar el maestro de bus de campo ahorra ranuras PCI en la PC.
Topología del bus
Bus, árbol o estrella: EtherCAT es compatible con casi todas las topologías. Por lo tanto, la estructura de bus derivada de los buses de campo también se puede utilizar para Ethernet. La combinación de estructuras de bus y derivación es especialmente útil para el cableado del sistema. Todas las interfaces están ubicadas en acopladores, lo que elimina la necesidad de conmutadores adicionales. Por supuesto, también puede utilizar la topología tradicional de Ethernet en estrella basada en conmutadores.
El uso de diferentes cables de transmisión puede maximizar la flexibilidad del cableado. Los cables enchufables Ethernet estándar, flexibles y económicos, pueden transmitir señales a través del modo Ethernet (100baseTX) o a través del bus E. Las fibras ópticas (Pfos) se pueden utilizar para aplicaciones especiales. El ancho de banda de Ethernet (como diferentes cables ópticos y de cobre) se puede usar junto con conmutadores o convertidores de medios. Las características físicas de Fast Ethernet permiten que los dispositivos estén a 100 metros de distancia, mientras que E-bus solo puede estar a 10 metros de distancia. Se puede seleccionar Fast Ethernet o E-bus según los requisitos de distancia. El sistema EtherCAT puede alojar hasta 65535 dispositivos, por lo que el tamaño total de la red es casi ilimitado.
Puede elegir la topología libremente. El cableado tiene la mayor flexibilidad: ya sea para usar el interruptor, es el uso de la estructura de topología de bus o la estructura de topología de árbol, puede ser cualquier combinación de elección. Asignación automática de direcciones; No es necesario establecer una dirección IP.
franqueza
EtherCAT no solo es totalmente compatible con Ethernet, sino que también tiene una característica de diseño abierto única: puede coexistir con otros protocolos Ethernet que brindan una variedad de servicios, y todos ellos coexisten en el mismo medio físico, generalmente con solo un pequeño impacto en rendimiento general de la red. Los dispositivos Ethernet estándar se pueden conectar a un sistema EtherCAT a través del terminal del conmutador, lo que no afecta los tiempos de ciclo. Los dispositivos equipados con una interfaz de bus de campo tradicional se pueden integrar en la red a través de una conexión al terminal maestro de bus de campo EtherCAT. La variante del protocolo UDP permite integrar dispositivos en cualquier interfaz de ranura. EtherCAT es un protocolo completamente abierto que ha sido reconocido como una especificación IEC oficial (IEC/PAS62407).