Mikä EtherCAT on: Arkkitehtuuri, työskentely ja sen sovellukset

EtherCATin kehitti ensin suuri PLC:t valmistaja, nimittäin Beckhoff Automation, jota käytetään reaaliaikaisissa ohjausjärjestelmissä ja teollisuusautomaatio . Beckhoff Automation kehitti oman Fieldbus-versionsa, kuten LightBusin, 1980-luvulla käsitelläkseen muiden liitäntöjen kaistanleveysongelmaa. Tämän protokollan lisätyö johti lopulta EtherCAT-keksintöön. Beckhoff julkaisi EtherCAT-protokollan vuonna 2003 maailmanlaajuisesti. Sen jälkeen he luovuttivat oikeudet EtherCAT Technology Groupille (ETG) vuonna 2004. ETG:llä on erittäin aktiivinen kehittäjä ja käyttäjäryhmä. Tässä artikkelissa käsitellään yleiskatsausta Ethercatin perusteet – sovellusten parissa työskenteleminen.

Mikä on Ethercat?

EtherCAT tai Ethernet Control Automation Technology on teollinen verkkojärjestelmä, joka riippuu Ethernet-järjestelmästä, jota käytetään erittäin nopean ja tehokkaamman viestinnän saavuttamiseksi. Joten EtherCAT on erittäin nopea verkko, jota käytetään tietojen käsittelemiseen erillisillä laitteistoilla ja ohjelmistoilla. Tämä verkko käyttää master-slave, full duplex -kokoonpanoa minkä tahansa kanssa verkon topologia .

1000 I/O-pisteen käsittelyyn kuluva aika on 30 sekuntia ja kommunikoi 100 servoakselin kanssa 100:n sisällä. Servoakselit saavat asetetut arvot tietojen ohjaamiseksi ja todellisen tilan raportoimiseksi. Nämä akselit synkronoidaan hajautetulla kellomenetelmällä, joka on yksinkertainen IEEE 1588 -versio ja vähentää värinän alle 1 us:n. EtherCAT tuottaa nopean tulostuksen, koska viestit käsitellään laitteistossa ennen kuin ne siirretään seuraavaan orjaan.

EtherCAT-arkkitehtuuri

Alla on esitetty EtherCAT-verkkoarkkitehtuuri, joka käyttää isäntä/orja-periaatetta tietovälineen pääsyn hallintaan. Tässä arkkitehtuurissa EtherCAT-isäntä on yleensä ohjausjärjestelmä, joka käyttää tyypillistä Ethernet-porttia sekä ENI-tiedostoon (EtherCAT Network Information) tallennettuja verkon konfiguraatiotietoja.

EtherCAT Network Information -tiedosto luodaan yksinkertaisesti kauppiaiden kullekin laitteelle antamien ESI-tiedostojen (EtherCAT SlaveInformation) perusteella. Tässä isäntäsolmu lähettää kehykset orjasolmuille, jotka voivat lisätä ja poistaa dataa näistä kehyksistä. Orjalaitteet ovat EPOS3-moottorikäyttöjen kaltaisia ​​solmuja, jotka sisältävät Ethernet-portit EtherCAT-isäntälaitteen kautta kommunikointia varten. Tässä EtherCAT-isäntä on tietokonelaite, jota käytetään ylläpitämään tietoliikennettä isäntälaitteen ja eri orjien välillä.

Miten EtherCAT toimii?

EtherCAT:ia käytetään ratkaisemaan tyypilliset Industrial Ethernetin viat sen korkean suorituskyvyn toimintatilassa, jossa yleensä yksi kehys riittää lähettämään ja vastaanottamaan ohjaustietoja kaikista solmuista ja kaikille solmuille. EtherCAT-protokolla on rakennettu Ethernetin fyysiselle kerrokselle, mutta EtherCAT käyttää lennossa tapahtuvaa käsittelyä kuljetukseen ja viestien reitittämiseen, jota kutsutaan myös lennossa kommunikoimiseksi TCP/IP:n käytön sijaan.

EtherCAT-isäntä- ja orjakokoonpanot on esitetty alla. Tässä kokoonpanossa Ethercatin isäntä lähettää datapaketin (sähkeen) jokaisessa orjassa, jota kutsutaan myös solmuksi.
EtherCAT:n tärkein ominaisuus on, että yllä olevassa kokoonpanossa olevat orjat voivat lukea muuten yksinkertaisesti poimia sähkeestä tarvittavat tiedot ja lisätä tietoja sähkeeseen ennen kuin se siirtyy toiseen solmuun tai orjaan. Joten, sähke liikkuu kaikkien kytkettyjen orjien läpi ja sen jälkeen tulee takaisin isännälle.

EtherCAT-protokolla lähettää sähkeen isäntälaitteelta kaikille verkkoon kytketyille orjille. Jokainen verkon orja voi yksinkertaisesti lukea kyseiseen orjaan sovellettavaa dataa ja lisätä dataa sähkeeseen ennen kuin se siirtyy toiseen solmuun.

Tiedon lukeminen ja kirjoittaminen otetaan yksinkertaisesti käyttöön erityisen ASIC:n kautta jokaisessa EtherCATin orjassa. Tässä lähestymistavassa jokainen orja viivästää menettelyä mahdollisimman vähän ja törmäykset eivät ole mahdollisia.

EtherCAT-protokolla tarjoaa yksinkertaisesti reaaliaikaisen ja deterministisen viestinnän, joka on yhteensopiva synkronoidun ja moniakselisen liikkeenohjauksen kanssa ilman, että vaaditaan ylimääräisiä laitteita synkronoinnin saavuttamiseksi useiden akselien välillä.

Vikasietoisuus

EtherCATin isäntä- ja orjakokoonpanossa, jos viimeisen solmun lähtöä ei ole liitetty isäntäkoneeseen, tiedot palautetaan automaattisesti toiseen suuntaan EtherCAT-protokollan kautta. Joten aikaleima säilyy.

Jokainen solmu yllä olevassa konfiguraatiossa leimaa datan, kun se on saatu, ja sen jälkeen se leimaa uudelleen, kun se lähettää sen toiseen solmuun. Näin ollen aina kun isäntä palauttaa tiedot eri solmuista, se määrittää jokaisen solmun latenssin helposti. Tietojen lähetys isännästä saa I/O-aikaleiman jokaiselta solmulta, jotta EtherCAT:sta tulee paljon deterministisempi ja tarkempi.

Vikasietokyky tarkoittaa, että EtherCATin verkkoja ei tarvitse yhdistää rengasverkkoon, kuten yllä olevassa kaaviossa näkyy, mutta se voidaan yhdistää eri tavoin, kuten puutopologia, linjatopologia, rengastopologia, tähtitopologia ja myös yhdistelmiä.

Tietysti orjien ja isäntälaitteen välissä on oltava yhteyskaista. Kun irrotat ne, ne eivät voi toimia, vaikka verkkotopologia on erittäin joustava ja sietää virheitä erinomaisella tasolla.

EtherCAT-järjestelmissä kytkimet eivät ole välttämättömiä, kuten Ethernetissä. Kaapelipituudet solmujen välillä ovat jopa 100 metriä saavutettavissa. Kierrettyjen kuparikaapeleiden pienjännitedifferentiaalisignalointi toimii maksiminopeuksilla ja erittäin pienemmällä virrankulutuksella. Joten on myös mahdollista käyttää kuituoptisia kaapeleita (FOC) nopeuden lisäämiseksi ja galvaanisen eristyksen sisällyttämiseksi laitteiden väliin.

EtherCAT käyttää Ethernet-kaapelia, joka voi olla jopa 100 metrin kantama kahden solmun välillä. Lisäksi protokolla mahdollistaa tiedonsiirron ja virransyötön yhden kaapelin kautta. Tällaista liitäntää käytetään eri laitteiden, kuten antureiden, yhdistämiseen yhdellä linjalla. Jos solmun etäisyys on yli 100 m, käytetään kuituoptiikkakaapelia, kuten 100BASE-FX. EtherCATille on saatavana myös täydellinen Ethernet-johdotussarja.

EtherCAT-kehys

EtherCAT-protokolla käyttää tyypillistä Ethernet-kehystä, joka sisältää vähintään yhden datagrammin tai enemmän. Tässä kehyksessä datagrammin otsikko määrittää, millaisen päälaitteen isäntälaite haluaa suorittaa:

• Lue, kirjoita, lue-kirjoita.
• Oikeus päästä tiettyyn orjalaitteeseen suoran osoitteen kautta tai oikeus päästä useisiin orjalaitteisiin loogisen osoitteen kautta.

Loogista osoitusta käytetään syklisen tiedonvaihdon prosessiin, jossa jokainen Datagrammi osoittaa tarkan osan prosessikuvasta EtherCAT-protokollan segmentissä.

Jokaiselle orjalaitteelle on allokoitu yksi tai useampi osoite tässä globaalissa osoiteavaruudessa koko perustetussa verkossa. Yksittäinen datagrammi voidaan harkita, jos useille orjalaitteille on allokoitu osoitteita samanlaisella alueella.

EtherCATissa Datagrammit sisältävät tiedon pääsyyn liittyvät tiedot, jolloin isäntälaite tekee päätöksen milloin dataa pääsee käsiksi.

Protokollan turvallisuus

Tällä hetkellä turvallisuus on yksi tärkeimmistä ominaisuuksista jopa tiedonsiirron ja viestinnän automaatiossa. Joten EtherCAT käyttää turvallisuusprotokollaa turvallisuustarkoituksiin sallimalla ainoan viestintäjärjestelmän sekä turvallisuuteen että tietojen hallintaan. Tämä turvaominaisuus myös muokkaa tietoja joustavasti ja laajentaa turvajärjestelmän arkkitehtuuria jne.

EtherCAT-protokollan turvallisuustekniikka on TÜV-sertifioitu ja kehitetty IEC 61508:n perusteella ja on identtinen standardin IEC 61784-3 kanssa. Tätä protokollaa voidaan soveltaa turvallisuussovelluksiin SIL 3:n turvallisuuden eheystason kautta.

Ethercat vs Ethernet

EtherCATin ja Ethernetin välisiä eroja käsitellään alla.

Ethercat vs Profinet

EtherCATin ja Profinetin välisiä eroja käsitellään alla.

Ethercat vs CANopen

EtherCATin ja CANopenin välisiä eroja käsitellään alla.

Ethercat vs Modbus

Erot EtherCATin ja Modbus käsitellään alla.

Hyödyt ja haitat

Ethercat-protokollan etuja ovat seuraavat.

• EtherCAT on erinomainen kenttäväylä, jota käytetään liikkeenohjaussovelluksissa.
• Se on vahvistettu koneen suorituskyvyn optimoimiseksi joustavan topologiansa, deterministisen suorituskyvyn ja erilaisten ominaisuuksien ansiosta.
• Se yksinkertaisesti tukee koko CANopen-perhettä ja Sercosin ajoprofiilia. Tämä auttaa käyttäjiä järjestämään EtherCAT-verkot helposti täsmälleen sovelluksen mukaan muuttamalla ennalta määritettyjä perusprofiileja.
• Sen redundanssi on mahdollista myös rengastopologian avulla. EtherCAT käyttää myös tähtiä, puuta, viivaa ja väylän topologia .
• Tämä protokolla tarjoaa suuren nopeuden, vähemmän dataliikennettä, pienemmät laitteistokustannukset sekä kellon tarkkuuden ja synkronointimekanismin Ethernetiin verrattuna.
• Tätä verkon nopeutta voidaan myös hallita, koska tietokoneilla voi olla vaikeuksia käsitellä parempia jaksoja, jolloin optimointi EtherCATissa on saavutettavissa.
• Se tukee lähes kaikkia topologioita, joten sitä voidaan käyttää monissa sovelluksissa tyypillisen Ethernet-tähtitopologiaan perustuvan kytkimen kanssa.
• Ethernet-protokollat ovat erittäin turvallisia, käytä yksinkertaistettuja master-tiedostoja, tietotilaa on enemmän ja käsittely on lennossa.

Ethercat-protokollan haittoja ovat seuraavat.

• EtherCATin suurin haittapuoli on, että orjalaitteet tarvitsevat tietyn ASIC-laitteiston EtherCATin suorittamiseksi. Sen tietomalli on erittäin erilainen ja myös erittäin vaikea ymmärtää.

Sovellukset

The EtherCATin sovelluksia Sisällytä seuraavat.

• EtherCAT soveltuu eri aloille monien ominaisuuksien, kuten erinomaisen suorituskyvyn, yksinkertaisuuden, kestävyyden, edullisuuden, integroidun tietoturvan ja joustavan topologian ansiosta. Sitä käytetään eri aloilla, kuten työstökoneet, robotiikka, painokoneet, puristimet, voimalaitokset, sähköasemat, testipenkit, hitsauskoneet, maatalouskoneet, nosturit ja hissit, tuuliturbiinit, jyrsinkoneet, poiminta- ja paikkakoneet, pakkauskoneet, mittauskoneet järjestelmät, rauta- ja terästehtaat, paperi- ja sellukoneet, vaiheen ohjausjärjestelmät, tunnelin ohjausjärjestelmät jne.
• Se soveltuu laitteiden, lääketieteellisten laitteiden, koneohjauksen, liikkuvien koneiden, lukuisten sulautettujen järjestelmien ja autojen mittaukseen.
• Se on erittäin suorituskykyinen, helppo asentaa ja avoin sovelluskerrospohjainen protokolla, jota käytetään Ethernet-sovelluksissa
• Tämä on reaaliaikainen ja avoin viestintäjärjestelmä, jota käytetään niin laajasti automaatiovalmistuksessa.

Tämä siis on yleiskatsaus Ethercatista – sovellusten parissa työskenteleminen. EtherCAT tekee järjestelmistä ja koneista yksinkertaisempia, nopeampia ja kustannustehokkaampia. Se on kansainvälinen IEC-standardi, joka ei tarkoita yksinomaan vakautta, vaan myös avoimuutta: tähän mennessä EtherCAT-spesifikaatioita ei ole koskaan muutettu, vaan niitä on laajennettu vain yhteensopivasti. EtherCATia pidetään 'Ethernet-kenttäväylänä', koska se yhdistää Ethernet-edut standardien kenttäväyläjärjestelmien yksinkertaisuuteen ja välttää IT-teknologioiden monimutkaisuuden. Tässä on sinulle kysymys, mikä on Ethernet?