prehľad
EtherCAT je systém fieldbus založený na Ethernete s otvorenou architektúrou. CAT v EtherCAT je skratka pre Control Automation Technology. Pôvodne vyvinutý spoločnosťou Beckhoff Automation GmbH v Nemecku. EtherCAT nastavuje nový štandard pre výkon v reálnom čase a topologickú flexibilitu, pričom zároveň spĺňa požiadavky alebo dokonca znižuje náklady na používanie zbernice. EtherCAT tiež ponúka vysoko presnú synchronizáciu zariadení, voliteľnú káblovú redundanciu a funkčný bezpečnostný protokol (SIL3).
princíp
Existuje niekoľko ethernetových riešení na poskytovanie funkcií v reálnom čase: napríklad zakázanie procesu prístupu CSMA/CD cez vyššiu protokolovú vrstvu a jeho nahradenie časovým úsekom alebo procedúrou pollingu. Iné schémy využívajú súkromné prepínače a distribuujú ethernetové pakety s presným časovým riadením. Aj keď tieto riešenia dokážu doručiť pakety do pripojených ethernetových uzlov pomerne rýchlo a presne, využitie šírky pásma je nízke, najmä pre typické automatizačné zariadenia, pretože aj pre veľmi malé množstvá dát je potrebné odoslať celý ethernetový rámec. Okrem toho čas potrebný na presmerovanie na výstup alebo radič pohonu a na čítanie vstupných údajov do značnej miery závisí od režimu vykonávania. Často je potrebné použiť subbus, najmä v modulárnych I/O systémoch, ktoré podobne ako Beckhoff K-bus zrýchľujú prenos cez synchrónny zbernicový systém, no takouto synchronizáciou sa nevyhnete oneskoreniam pri prenose komunikačnej zbernice.
S EtherCAT dokázal Beckhoff prekonať tieto systémové obmedzenia iných ethernetových riešení: už nebolo potrebné prijímať ethernetové pakety v každom bode pripojenia, dekódovať ich a kopírovať do procesných dát. Keď rámce prechádzajú cez každé zariadenie, vrátane základného koncového zariadenia, EtherCAT načítava dáta z kontroléra stanice, ktoré sú pre dané zariadenie dôležité. Podobne môžu byť vstupné údaje vložené do správy, keď ňou prechádza. Po prejdení rámca (oneskorenom len o niekoľko bitov) podriadená stanica rozpozná príslušný príkaz a spracuje ho. Tento proces je implementovaný prostredníctvom hardvéru v podriadenom radiči, a preto je nezávislý od výkonu systému alebo procesora softvéru zásobníka protokolov v reálnom čase. Posledná podriadená jednotka EtherCAT v segmente siete vráti úplne spracovanú správu, takže správa sa vráti ako správa s odpoveďou od prvého podriadeného zariadenia nadriadenému.
Z pohľadu Ethernetu je segment zbernice EtherCAT jednoducho veľké ethernetové zariadenie, ktoré prijíma a odosiela ethernetové rámce. Toto „zariadenie“ však neobsahuje jeden ethernetový radič s nadradeným mikroprocesorom, ale len veľké množstvo podriadených staníc EtherCAT. Ako každý Ethernet, ani EtherCAT nevyžaduje na nadviazanie komunikácie prepínač, výsledkom čoho je čistý systém EtherCAT.
výkon
EtherCAT dosahuje novú úroveň výkonu siete. Obnovovacia perióda 1000 distribuovaných I/O dát je iba 30 μs, vrátane času cyklu terminálu. Prostredníctvom ethernetového rámca je možné vymeniť až 1486 bajtov procesných dát, čo zodpovedá takmer 12 000 digitálnym objemom I/O. Toto množstvo dát je možné preniesť len za 300 μs.
Komunikácia so 100 servo hriadeľmi je len 100 μs. Počas tejto doby môžu byť hodnoty nastavenia a riadiace údaje poskytnuté všetkým osám a ich aktuálna poloha a stav môžu byť hlásené. Technológia distribuovaných hodín zaisťuje, že časová odchýlka synchronizácie medzi týmito osami je menšia ako 1 mikrosekundu.
Vďaka vynikajúcemu výkonu technológie EtherCAT môžeme realizovať spôsob riadenia, ktorý nie je možné realizovať tradičným systémom fieldbus. Týmto spôsobom je možné cez zbernicu vytvoriť aj ultravysokorýchlostné riadiace slučky. Funkcie, ktoré predtým vyžadovali natívnu vyhradenú hardvérovú podporu, je teraz možné mapovať v softvéri. Obrovské zdroje šírky pásma umožňujú prenos údajov o stave súbežne s akýmikoľvek údajmi. Technológia EtherCAT umožňuje, aby komunikačná technológia zodpovedala moderným, vysokovýkonným priemyselným počítačom PCS. Zbernicový systém už nie je prekážkou kontroly nápadov. Doručovanie údajov v distribuovaných I/O prekračuje výkon, ktorý je možné dosiahnuť iba lokálnymi I/O rozhraniami.
Táto výhoda sieťového výkonu je evidentná v malých radičoch s relatívne miernym výpočtovým výkonom. Vysokorýchlostná slučka EtherCAT, ktorú možno vykonať medzi dvoma riadiacimi slučkami. Preto má regulátor vždy k dispozícii najnovšie vstupné údaje a oneskorenie adresovania výstupov je minimálne. Odozva ovládača sa môže výrazne zlepšiť bez zvýšenia jeho vlastného výpočtového výkonu.
Princípy EtherCAT sú škálovateľné a nie sú obmedzené na 100 megabitov šírky pásma – je možné škálovať až na gigabitový Ethernet.
EtherCAT nahrádza PCI:
So zrýchľovaním vývoja miniaturizácie PC komponentov závisí objem priemyselných PC hlavne od počtu požadovaných slotov.
Použitie šírky pásma vysokorýchlostného Ethernetu a dátového pásma komunikačného hardvéru EtherCAT (podriadený radič EtherCAT) otvorilo novú aplikačnú možnosť: rozhrania bežne umiestnené v IPC boli prenesené na inteligentné terminály rozhrania v systémoch EtherCAT. Okrem distribuovaných I/O, osí a riadiacich jednotiek je možné cez ethernetový port na PC riešiť aj komplexné systémy, ako sú hlavné stanice zbernice, vysokorýchlostné sériové rozhrania, brány a ďalšie komunikačné rozhrania. Cez terminály DVS je možné pripojiť aj ďalšie ethernetové zariadenia bez obmedzenia variantov protokolu. Veľkosť mainframe priemyselného PC sa zmenšuje, náklady sa znižujú, ethernetové rozhranie stačí na zvládnutie všetkých komunikačných úloh.
Na integráciu cez distribuovaný hlavný terminál priemyselnej zbernice použite Ethernet namiesto zariadení PCI fieldbus (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i atď.). Nepoužívanie fieldbus master šetrí PCI sloty v PC.
Zbernicová topológia
Autobus, strom alebo hviezda: EtherCAT podporuje takmer všetky topológie. Zbernicovú štruktúru odvodenú od priemyselných zberníc je teda možné použiť aj pre Ethernet. Kombinácia zbernicových a odbočkových štruktúr je užitočná najmä pre systémové zapojenie. Všetky rozhrania sú umiestnené na spojkách, čím sa eliminuje potreba ďalších prepínačov. Samozrejme, môžete použiť aj tradičnú hviezdicovú ethernetovú topológiu založenú na prepínačoch.
Použitie rôznych prenosových káblov môže maximalizovať flexibilitu kabeláže. Flexibilné a lacné štandardné zásuvné káble Ethernet môžu prenášať signály cez režim Ethernet (100baseTX) alebo cez zbernicu E. Optické vlákna (Pfos) môžu byť použité pre špeciálne aplikácie. Šírka pásma Ethernet (ako sú rôzne optické a medené káble) sa môže použiť v spojení s prepínačmi alebo konvertormi médií. Fyzické vlastnosti Fast Ethernet umožňujú, aby boli zariadenia od seba vzdialené 100 metrov, zatiaľ čo E-bus môže byť od seba vzdialený iba 10 metrov. Fast Ethernet alebo E-bus je možné zvoliť podľa požiadaviek na vzdialenosť. Systém EtherCAT pojme až 65535 zariadení, takže celková veľkosť siete je takmer neobmedzená.
Topológiu si môžete zvoliť ľubovoľne. Zapojenie má najväčšiu flexibilitu: či už použiť prepínač, či použiť štruktúru topológie zbernice alebo štruktúru stromovej topológie, môže byť ľubovoľná kombinácia. Automatické prideľovanie adries; Nemusíte nastavovať IP adresu.
otvorenosť
EtherCAT je nielen plne kompatibilný s Ethernetom, ale má aj jedinečnú funkciu otvoreného dizajnu: môže koexistovať s inými ethernetovými protokolmi, ktoré poskytujú rôzne služby, a všetky koexistujú na rovnakom fyzickom médiu – zvyčajne len s malým dopadom na celkový výkon siete. Štandardné ethernetové zariadenia je možné pripojiť k systému EtherCAT cez prepínací terminál, čo neovplyvňuje časy cyklu. Zariadenia vybavené tradičným rozhraním prevádzkovej zbernice možno integrovať do siete prostredníctvom pripojenia k hlavnému terminálu prevádzkovej zbernice EtherCAT. Variant protokolu UDP umožňuje integráciu zariadení do akéhokoľvek slotového rozhrania. EtherCAT je plne otvorený protokol, ktorý bol uznaný ako oficiálna špecifikácia IEC (IEC/PAS62407).