O que é um EtherCAT: Arquitetura, funcionamento e suas aplicações

O EtherCAT foi desenvolvido primeiramente por um grande CLPs fabricante chamado Beckhoff Automation, que é usado em sistemas de controle em tempo real e automação industrial . A Beckhoff Automation desenvolveu sua própria versão Fieldbus como LightBus na década de 1980 para resolver o problema de largura de banda para outras interfaces. O trabalho extra neste protocolo finalmente resultou na invenção do EtherCAT. Beckhoff lançou o protocolo EtherCAT em 2003 em todo o mundo. Depois disso, eles contribuíram com os direitos para o EtherCAT Technology Group (ETG) em 2004. O ETG tem um desenvolvedor extremamente ativo, bem como um grupo de usuários. Este artigo apresenta uma visão geral de Noções básicas de Ethercat – trabalhar com aplicativos.

O que é um Ethercat?

EtherCAT ou Ethernet Control Automation Technology é um sistema de rede industrial que depende do sistema Ethernet usado para obter comunicações muito rápidas e mais proficientes. Portanto, EtherCAT é uma rede muito rápida usada para processar dados com hardware e software dedicados. Esta rede usa uma configuração master-slave, full duplex com qualquer topologia de rede .

O tempo necessário para processar 1000 pontos de E/S é de 30 segundos e se comunica com 100 eixos servo dentro de 100 us. Os servoeixos obterão valores definidos para controlar os dados e relatar o status real. Esses eixos são sincronizados através de um método de clock distribuído que é uma versão simples do IEEE 1588 e diminui o jitter para menos de 1 us. O EtherCAT fornece saída rápida porque as mensagens são processadas no hardware antes de serem movidas para o próximo escravo.

Arquitetura EtherCAT

A arquitetura de rede EtherCAT é mostrada abaixo, que usa o princípio mestre/escravo para controlar o acesso ao meio. Nesta arquitetura, o mestre EtherCAT é normalmente o sistema de controle que utiliza uma porta Ethernet típica, bem como as informações de configuração de rede armazenadas no arquivo ENI (EtherCAT Network Information).

O arquivo EtherCAT Network Information é simplesmente criado com base em arquivos ESI (EtherCAT SlaveInformation) que são fornecidos pelos comerciantes para cada dispositivo. Aqui, o nó mestre transmite os quadros para os nós escravos que podem inserir e remover dados desses quadros. Dispositivos escravos são nós como acionamentos de motor EPOS3 que contêm as portas Ethernet para comunicação através de um mestre EtherCAT. Aqui, o mestre EtherCAT é um dispositivo de computador usado para manter a comunicação de dados entre o mestre e os diferentes escravos.

Como o EtherCAT funciona?

O EtherCAT é usado para superar as falhas típicas da Ethernet Industrial através de seu modo de operação de alto desempenho, onde geralmente um único quadro é suficiente para transmitir e receber dados de controle de e para todos os nós. O protocolo EtherCAT é construído na camada física de uma Ethernet, no entanto, o EtherCAT utiliza uma abordagem de processamento em tempo real para transporte e roteamento de mensagens, que também é chamada de comunicação em tempo real, em vez de usar TCP/IP.

As configurações de mestre e escravo EtherCAT são mostradas abaixo. Nesta configuração, o mestre do Ethercat transmite um pacote de dados (telegrama) por todo escravo que também é chamado de nó.
O principal recurso do EtherCAT é que os escravos dentro da configuração acima podem ler, caso contrário, extrair simplesmente os dados relacionados necessários do telegrama e adicionar informações ao telegrama antes que ele se mova para o segundo nó ou escravo. Assim, o telegrama se move por todos os escravos conectados e depois volta para o mestre.

O protocolo EtherCAT envia um telegrama do dispositivo mestre para todos os escravos conectados na rede. Cada escravo dentro da rede pode simplesmente ler os dados aplicáveis ​​a esse escravo e pode adicionar dados ao telegrama antes que ele se mova para o segundo nó.

A leitura e escrita de dados é simplesmente habilitada através de um ASIC especial em cada escravo do EtherCAT. Nesta abordagem, cada escravo introduzirá um atraso mínimo no procedimento e as colisões não são viáveis.

O protocolo EtherCAT simplesmente fornece comunicação em tempo real e determinística compatível com controle de movimento sincronizado e multi-eixo sem a necessidade de hardware extra para obter a sincronização entre vários eixos.

Tolerância ao erro

Na configuração mestre e escravo do EtherCAT, se a saída do último nó não estiver aliada ao mestre, os dados são retornados automaticamente em outra direção através do protocolo EtherCAT. Assim, o timestamp é mantido.

Cada nó na configuração acima marca os dados assim que são obtidos e, depois disso, marca novamente uma vez que os transmite para o segundo nó. Consequentemente, sempre que o mestre recupera os dados dos diferentes nós, ele determina facilmente a latência de cada nó. A transmissão de dados do mestre obtém um carimbo de tempo de E/S de cada nó para tornar o EtherCAT muito mais determinístico e preciso.

A tolerância a falhas significa que as redes EtherCAT não precisam ser conectadas em uma rede em anel, como mostrado no diagrama acima, no entanto, podem ser conectadas de diferentes maneiras, como topologia em árvore, topologia em linha, topologia em anel, topologia em estrela e também com combinações.

Claro, entre os escravos e o mestre, deve haver uma via de conexão. Uma vez que você os desconecte, eles não poderão funcionar, embora a topologia de rede seja altamente flexível e tolere erros em um nível excelente.

Nos sistemas EtherCAT, os switches não são necessários como o que encontramos na Ethernet. Os comprimentos de cabo entre nós de até 100 metros são alcançáveis. A sinalização diferencial de baixa tensão nos cabos de cobre de par trançado funciona em velocidades máximas com muito menos consumo de energia. Portanto, também é possível utilizar cabos de fibra óptica (FOCs) para aumentar a velocidade e incluir isolamento galvânico entre os dispositivos.

EtherCAT usa cabo Ethernet que pode ter alcance de até 100m entre dois nós. Além disso, o protocolo permite a transmissão de dados e alimentação através de um cabo. Este tipo de conexão é usado para conectar diferentes dispositivos como sensores com uma única linha. Se a distância do nó for superior a 100m, o cabo de fibra óptica é usado como 100BASE-FX. Para EtherCAT, a linha completa de cabeamento Ethernet também está disponível.

Quadro EtherCAT

O protocolo EtherCAT usa um quadro Ethernet típico que inclui um mínimo de um ou mais datagramas. Nesse quadro, o cabeçalho do datagrama especificará que tipo de entrada o dispositivo mestre gostaria de realizar:

• Ler, escrever, ler-escrever.
• Direito de entrada em um dispositivo escravo específico por meio de endereçamento direto ou direito de entrada em vários dispositivos escravos por meio de endereçamento lógico.

O endereçamento lógico é utilizado para o processo de troca cíclica de dados onde cada Datagrama endereça uma fração exata da imagem do processo dentro do segmento do protocolo EtherCAT.

Cada dispositivo escravo é alocado com um ou mais endereços neste espaço de endereço global em toda a rede estabelecida. Um único datagrama pode ser considerado se vários dispositivos escravos tiverem endereços alocados em uma região semelhante.

No EtherCAT, os Datagramas incluem as informações relacionadas ao acesso aos dados, assim o dispositivo mestre decide quando acessar os dados.

Segurança do protocolo

Atualmente, a segurança é uma das principais características, mesmo no campo da automação para transferência de dados e comunicação. Assim, o EtherCAT usa o protocolo Safety para fins de segurança, permitindo um único sistema de comunicação para segurança e controle de dados. Esse recurso de segurança também modifica os dados de forma flexível e expande a arquitetura do sistema de segurança, etc.

A tecnologia de segurança do protocolo EtherCAT é certificada pela TÜV e foi desenvolvida com base na IEC 61508 e é idêntica à IEC 61784-3. Este protocolo é aplicável em aplicações de segurança por meio de um nível de integridade de segurança igual a SIL 3.

Ethercat vs Ethernet

As diferenças entre EtherCAT e Ethernet são discutidas abaixo.

Ethercat vs Profinet

As diferenças entre EtherCAT e Profinet são discutidas abaixo.

Ethercat vs CANopen

As diferenças entre EtherCAT e CANopen são discutidas abaixo.

Ethercat vs Modbus

As diferenças entre EtherCAT e Modbus são discutidos abaixo.

Vantagens e desvantagens

As vantagens do protocolo Ethercat incluem o seguinte.

• EtherCAT é um Fieldbus excepcional utilizado em aplicações de controle de movimento.
• É verificado para otimizar o desempenho da máquina por meio de sua topologia flexível, desempenho determinístico e conjunto diferente de recursos.
• Ele simplesmente suporta toda a família CANopen e o perfil de acionamento da Sercos. Assim, isso ajuda os usuários a organizar facilmente as redes EtherCAT para a aplicação exata, alterando os perfis fundamentais predefinidos.
• Sua redundância também é possível usando uma topologia em anel. O EtherCAT também usa estrela, árvore, linha e topologia de barramento .
• Este protocolo fornece alta velocidade, menos tráfego de dados, menos custo de hardware e mais precisão e mecanismo de sincronização do relógio em comparação com a Ethernet.
• Esta velocidade de rede também pode ser gerenciada porque os computadores podem ter problemas para lidar com a melhor quantidade de ciclos, portanto, a otimização dentro do EtherCAT é alcançável.
• Ele suporta quase todas as topologias para que possa ser usado em uma ampla gama de aplicações com o switch baseado em topologia em estrela Ethernet típico.
• Protocolos Ethernet são muito seguros, usam mestres simplificados, o espaço de dados é maior e o Processamento é rápido.

As desvantagens do protocolo Ethercat incluem o seguinte.

• A principal desvantagem do EtherCAT é que os dispositivos escravos precisam inserir um hardware ASIC específico para executar o EtherCAT. Seu modelo de dados é extremamente diferente e também muito difícil de entender.

Formulários

o aplicações do EtherCAT inclui o seguinte.

• O EtherCAT é aplicável em diferentes campos devido a muitos recursos como excelente desempenho, simplicidade, robustez, acessibilidade, segurança integrada e topologia flexível. É usado em diferentes campos, como máquinas-ferramentas, robótica, prensas de impressão, prensas, usinas de energia, subestações, bancadas de teste, máquinas de solda, máquinas agrícolas, guindastes e elevadores, turbinas eólicas, fresadoras, máquinas pick and place, máquinas de embalagem, medição sistemas, siderurgia, máquinas de papel e celulose, sistemas de controle de palco, sistemas de controle de túneis, etc.
• É aplicável na medição de equipamentos, dispositivos médicos, controle de máquinas, máquinas móveis, vários sistemas embarcados e automóveis.
• Possui desempenho extremamente alto, é simples de instalar e protocolo aberto baseado em camada de aplicativo usado em aplicativos Ethernet
• Este é um sistema de comunicação aberto e em tempo real, amplamente utilizado na fabricação de automação.

Assim, isso é uma visão geral do Ethercat – trabalhar com aplicativos. O EtherCAT torna os sistemas e máquinas mais simples, rápidos e econômicos. É um padrão internacional IEC que não significa exclusivamente estabilidade, mas também abertura: até agora, as especificações EtherCAT nunca foram alteradas, mas estendidas apenas de forma compatível. O EtherCAT é considerado o “Ethernet Fieldbus”, pois combina os benefícios da Ethernet com a simplicidade dos sistemas Fieldbus padrão e evita a complexidade das tecnologias de TI. Aqui está uma pergunta para você, o que é Ethernet?