Tổng quan
EtherCAT là một hệ thống fieldbus dựa trên Ethernet với kiến trúc mở. CAT trong EtherCAT là từ viết tắt của Control Automation Technology. Ban đầu được phát triển bởi Beckhoff Automation GmbH ở Đức. EtherCAT thiết lập một tiêu chuẩn mới cho hiệu suất thời gian thực và tính linh hoạt cấu trúc liên kết, đồng thời tuân thủ hoặc thậm chí giảm chi phí sử dụng fieldbus. EtherCAT cũng có tính năng đồng bộ hóa thiết bị có độ chính xác cao, dự phòng cáp tùy chọn và Giao thức bảo mật chức năng (SIL3).
nguyên tắc
Có một số giải pháp Ethernet để cung cấp chức năng thời gian thực: ví dụ: vô hiệu hóa quy trình truy cập CSMA/CD thông qua lớp giao thức cao hơn và thay thế nó bằng một lát cắt thời gian hoặc quy trình bỏ phiếu. Các lược đồ khác sử dụng các bộ chuyển mạch riêng và phân phối các gói Ethernet với khả năng kiểm soát thời gian chính xác. Mặc dù các giải pháp này có thể phân phối các gói đến các nút Ethernet được kết nối tương đối nhanh chóng và chính xác, nhưng mức sử dụng băng thông thấp, đặc biệt là đối với các thiết bị tự động hóa thông thường, bởi vì ngay cả đối với lượng dữ liệu rất nhỏ, vẫn phải gửi một khung Ethernet đầy đủ. Hơn nữa, thời gian cần thiết để chuyển hướng đến đầu ra hoặc bộ điều khiển biến tần và để đọc dữ liệu đầu vào phụ thuộc phần lớn vào chế độ thực thi. Việc sử dụng một bus con thường là cần thiết, đặc biệt là trong các hệ thống I/O mô-đun, giống như Beckhoff K-bus, tăng tốc độ truyền thông qua hệ thống bus đồng bộ, nhưng việc đồng bộ hóa như vậy sẽ không tránh được sự chậm trễ trong việc truyền tải bus giao tiếp.
Với EtherCAT, Beckhoff đã có thể khắc phục những hạn chế hệ thống này của các giải pháp Ethernet khác: không còn cần thiết phải nhận các gói Ethernet tại mỗi điểm kết nối, giải mã chúng và sao chép chúng vào dữ liệu xử lý. Khi các khung đi qua từng thiết bị, bao gồm cả thiết bị đầu cuối bên dưới, EtherCAT đọc dữ liệu từ bộ điều khiển trạm quan trọng đối với thiết bị đó. Tương tự, dữ liệu đầu vào có thể được chèn vào một thông báo khi nó đi qua. Sau khi khung đã được chuyển (chỉ bị trễ một vài bit), trạm phụ sẽ nhận ra lệnh có liên quan và xử lý nó. Quá trình này được thực hiện thông qua phần cứng trong bộ điều khiển nô lệ và do đó độc lập với hệ thống đang chạy thời gian thực hoặc hiệu suất bộ xử lý của phần mềm ngăn xếp giao thức. Slave EtherCAT cuối cùng trong phân đoạn mạng trả về một thông báo được xử lý đầy đủ để thông báo được trả về dưới dạng thông báo phản hồi từ Slave đầu tiên đến master.
Từ góc độ Ethernet, phân đoạn bus EtherCAT chỉ đơn giản là một thiết bị Ethernet lớn nhận và gửi các khung Ethernet. Tuy nhiên, "thiết bị" này không chứa một bộ điều khiển Ethernet duy nhất với bộ vi xử lý xuôi dòng, mà chỉ có một số lượng lớn các trạm phụ EtherCAT. Như với bất kỳ Ethernet nào, EtherCAT không yêu cầu chuyển mạch để thiết lập giao tiếp, dẫn đến một hệ thống EtherCAT thuần túy.
hiệu suất
EtherCAT đạt đến cấp hiệu suất mạng mới. Khoảng thời gian làm mới của 1000 dữ liệu I/O được phân phối chỉ là 30μs, bao gồm cả thời gian chu kỳ đầu cuối. Thông qua khung Ethernet, có thể trao đổi tối đa 1486 byte dữ liệu quy trình, tương đương với gần 12.000 khối I/O kỹ thuật số. Lượng dữ liệu này có thể được truyền đi chỉ trong 300μs.
Giao tiếp với 100 trục servo chỉ trong 100μs. Trong thời gian này, giá trị cài đặt và dữ liệu điều khiển có thể được cung cấp cho tất cả các trục và vị trí và trạng thái thực tế của chúng có thể được báo cáo. Công nghệ đồng hồ phân tán đảm bảo độ lệch thời gian đồng bộ hóa giữa các trục này nhỏ hơn 1 micro giây.
Với hiệu suất tuyệt vời của công nghệ EtherCAT, chúng ta có thể hiện thực hóa phương pháp điều khiển mà hệ thống fieldbus truyền thống không thể thực hiện được. Bằng cách này, các vòng điều khiển tốc độ cực cao cũng có thể được hình thành thông qua xe buýt. Các chức năng trước đây yêu cầu hỗ trợ phần cứng chuyên dụng riêng hiện có thể được ánh xạ trong phần mềm. Tài nguyên băng thông khổng lồ cho phép dữ liệu trạng thái được truyền song song với bất kỳ dữ liệu nào. Công nghệ EtherCAT cho phép công nghệ truyền thông phù hợp với PCS công nghiệp hiện đại, hiệu suất cao. Hệ thống xe buýt không còn là nút cổ chai kiểm soát ý tưởng. Phân phối dữ liệu trong I/O phân tán vượt quá hiệu suất chỉ có thể đạt được bằng giao diện I/O cục bộ.
Lợi thế hiệu suất mạng này thể hiện rõ trong các bộ điều khiển nhỏ với sức mạnh tính toán tương đối vừa phải. Vòng lặp tốc độ cao của EtherCAT, có thể được thực hiện giữa hai vòng điều khiển. Do đó, bộ điều khiển luôn có sẵn dữ liệu đầu vào mới nhất và độ trễ địa chỉ đầu ra là tối thiểu. Hành vi phản hồi của bộ điều khiển có thể được cải thiện đáng kể mà không cần tăng cường sức mạnh tính toán của chính nó.
Các nguyên tắc của EtherCAT là có thể mở rộng và không giới hạn ở băng thông 100 megabit - có thể mở rộng quy mô lên gigabit Ethernet.
EtherCAT thay thế PCI:
Với tốc độ phát triển của việc thu nhỏ thành phần PC, khối lượng PC công nghiệp chủ yếu phụ thuộc vào số lượng khe cắm cần thiết.
Việc sử dụng băng thông Ethernet tốc độ cao và băng thông dữ liệu của phần cứng giao tiếp EtherCAT (bộ điều khiển nô lệ EtherCAT) đã mở ra một khả năng ứng dụng mới: các giao diện thường nằm trong IPC đã được chuyển đến các thiết bị đầu cuối giao diện thông minh trong các hệ thống EtherCAT. Ngoài các đơn vị I/O, trục và điều khiển phân tán, các hệ thống phức tạp như trạm master bus trường, giao diện nối tiếp tốc độ cao, cổng và các giao diện truyền thông khác có thể được xử lý thông qua cổng Ethernet trên PC. Ngay cả các thiết bị Ethernet khác không có hạn chế về biến thể giao thức cũng có thể được kết nối thông qua các đầu cuối DVS. Kích thước máy tính lớn PC công nghiệp ngày càng nhỏ hơn, giá thành ngày càng thấp, giao diện Ethernet đủ để xử lý tất cả các tác vụ liên lạc.
Sử dụng Ethernet thay vì các thiết bị bus trường PCI (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i, v.v.) để tích hợp thông qua thiết bị đầu cuối chính bus trường phân tán. Việc không sử dụng fieldbus master sẽ tiết kiệm các khe cắm PCI trong PC.
cấu trúc liên kết xe buýt
Xe buýt, cây hoặc sao: EtherCAT hỗ trợ hầu hết tất cả các cấu trúc liên kết. Do đó, cấu trúc bus bắt nguồn từ fieldbus cũng có thể được sử dụng cho Ethernet. Sự kết hợp giữa cấu trúc bus và nhánh đặc biệt hữu ích cho việc đi dây hệ thống. Tất cả các giao diện được đặt trên các bộ ghép nối, loại bỏ sự cần thiết của các công tắc bổ sung. Tất nhiên, bạn cũng có thể sử dụng cấu trúc liên kết Ethernet hình sao dựa trên chuyển mạch truyền thống.
Việc sử dụng các loại cáp truyền dẫn khác nhau có thể tối đa hóa tính linh hoạt của hệ thống dây điện. Cáp cắm Ethernet tiêu chuẩn linh hoạt và rẻ tiền có thể truyền tín hiệu qua chế độ Ethernet (100baseTX) hoặc qua bus E. Sợi quang (Pfos) có thể được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt. Băng thông Ethernet (chẳng hạn như cáp quang và cáp đồng khác nhau) có thể được sử dụng cùng với bộ chuyển mạch hoặc bộ chuyển đổi phương tiện. Các tính năng vật lý của Fast Ethernet cho phép các thiết bị cách nhau 100 mét, trong khi E-bus chỉ có thể cách nhau 10 mét. Fast Ethernet hoặc E-bus có thể được lựa chọn theo yêu cầu về khoảng cách. Hệ thống EtherCAT có thể chứa tới 65535 thiết bị, vì vậy kích thước mạng tổng thể gần như không giới hạn.
Bạn có thể chọn cấu trúc liên kết một cách tự do. Hệ thống dây điện có tính linh hoạt cao nhất: có sử dụng công tắc hay không, sử dụng cấu trúc cấu trúc liên kết xe buýt hay cấu trúc cấu trúc liên kết cây, có thể là bất kỳ sự kết hợp nào của sự lựa chọn. Phân bổ địa chỉ tự động; Bạn không cần đặt địa chỉ IP.
sự cởi mở
EtherCAT không chỉ tương thích hoàn toàn với Ethernet mà còn có tính năng thiết kế mở độc đáo: nó có thể cùng tồn tại với các giao thức Ethernet khác cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau và tất cả chúng cùng tồn tại trên cùng một phương tiện vật lý - thường chỉ có tác động nhỏ đến hiệu suất mạng tổng thể. Các thiết bị Ethernet tiêu chuẩn có thể được kết nối với hệ thống EtherCAT thông qua thiết bị đầu cuối chuyển đổi, điều này không ảnh hưởng đến thời gian chu kỳ. Các thiết bị được trang bị giao diện bus trường truyền thống có thể được tích hợp vào mạng thông qua kết nối với thiết bị đầu cuối chính của bus trường EtherCAT. Biến thể giao thức UDP cho phép các thiết bị được tích hợp vào bất kỳ giao diện khe cắm nào. EtherCAT là một giao thức mở hoàn toàn đã được công nhận là thông số kỹ thuật chính thức của IEC (IEC/PAS62407).