Was ist ein EtherCAT: Architektur, Arbeitsweise und seine Anwendungen

EtherCAT wurde zuerst von einem Major entwickelt SPS Hersteller nämlich Beckhoff Automation, die in Echtzeit-Steuerungssystemen verwendet wird & industrielle Automatisierung . Beckhoff Automation hat in den 1980er Jahren eine eigene Feldbus-Version wie LightBus entwickelt, um das Problem der Bandbreite für andere Schnittstellen anzugehen. Die zusätzliche Arbeit an diesem Protokoll führte schließlich zur EtherCAT-Erfindung. Beckhoff führte das EtherCAT-Protokoll im Jahr 2003 weltweit ein. Danach brachten sie die Rechte 2004 in die EtherCAT Technology Group (ETG) ein. Die ETG hat sowohl eine äußerst aktive Entwickler- als auch eine Anwendergruppe. Dieser Artikel enthält eine Übersicht über Ethercat-Grundlagen – Arbeiten mit Anwendungen.

Was ist ein Ethercat?

EtherCAT oder Ethernet Control Automation Technology ist ein industrielles Netzwerksystem, das auf das verwendete Ethernet-System angewiesen ist, um eine sehr schnelle und leistungsfähigere Kommunikation zu erreichen. EtherCAT ist also ein sehr schnelles Netzwerk, das zur Verarbeitung von Daten mit dedizierter Hardware und Software verwendet wird. Dieses Netzwerk verwendet eine Master-Slave-Vollduplex-Konfiguration mit Any Netzwerktopologie .

Die Verarbeitungszeit von 1000 E/A-Punkten beträgt 30 Sekunden und kommuniziert mit 100 Servoachsen innerhalb von 100 us. Servoachsen erhalten Sollwerte, um Daten zu steuern und den tatsächlichen Status zu melden. Diese Achsen werden durch ein Distributed-Clock-Verfahren synchronisiert, das eine einfache IEEE-1588-Version ist und den Jitter auf unter 1 us verringert. EtherCAT liefert eine schnelle Ausgabe, da Nachrichten innerhalb der Hardware verarbeitet werden, bevor sie zum nächsten Slave verschoben werden.

EtherCAT-Architektur

Nachfolgend wird die EtherCAT-Netzwerkarchitektur gezeigt, die das Master/Slave-Prinzip zur Steuerung des Zugriffs auf das Medium verwendet. In dieser Architektur ist der EtherCAT-Master normalerweise das Steuerungssystem, das einen typischen Ethernet-Port sowie die gespeicherten Netzwerkkonfigurationsinformationen in der ENI-Datei (EtherCAT Network Information) verwendet.

Die EtherCAT-Netzwerkinformationsdatei wird einfach auf der Grundlage von ESI-Dateien (EtherCAT SlaveInformation) erstellt, die von den Händlern für jedes Gerät bereitgestellt werden. Hier überträgt der Master-Knoten die Frames an die Slave-Knoten, die Daten in diese Frames einfügen und daraus entfernen können. Slave-Geräte sind Knoten wie EPOS3-Motorantriebe, die die Ethernet-Ports enthalten, um über einen EtherCAT-Master zu kommunizieren. Hier ist der EtherCAT-Master ein Computergerät, das verwendet wird, um die Datenkommunikation zwischen dem Master sowie verschiedenen Slaves aufrechtzuerhalten.

Wie funktioniert EtherCAT?

EtherCAT wird verwendet, um die typischen Fehler von Industrial Ethernet durch seinen hochleistungsfähigen Betriebsmodus zu überwinden, bei dem normalerweise ein einziger Frame ausreicht, um Steuerdaten von und zu allen Knoten zu übertragen und zu empfangen. Das EtherCAT-Protokoll basiert auf der physikalischen Schicht eines Ethernets, EtherCAT verwendet jedoch einen Prozess der Verarbeitung im laufenden Betrieb für Transport und Nachrichtenrouting, der auch als Kommunikation im laufenden Betrieb bezeichnet wird, anstatt TCP/IP zu verwenden.

Die EtherCAT-Master- und -Slave-Konfigurationen sind unten dargestellt. In dieser Konfiguration sendet der Master von Ethercat ein Datenpaket (Telegramm) durch jeden Slave, der auch als Knoten bezeichnet wird.
Die Haupteigenschaft von EtherCAT besteht darin, dass die Slaves innerhalb der obigen Konfiguration lesen oder einfach die erforderlichen Daten aus dem Telegramm extrahieren und dem Telegramm Informationen hinzufügen können, bevor es in den zweiten Knoten oder Slave wandert. Das Telegramm bewegt sich also durch alle angeschlossenen Slaves und kommt danach zum Master zurück.

Das EtherCAT-Protokoll sendet ein Telegramm vom Master-Gerät an alle im Netzwerk angeschlossenen Slaves. Jeder Slave innerhalb des Netzwerks kann einfach Daten lesen, die für diesen Slave gelten, und kann Daten zu dem Telegramm hinzufügen, bevor es sich zum zweiten Knoten bewegt.

Das Lesen und Schreiben von Daten wird einfach durch einen speziellen ASIC auf jedem Slave von EtherCAT ermöglicht. Bei diesem Ansatz führt jeder Slave eine minimale Verzögerung in die Prozedur ein und Kollisionen sind nicht möglich.

Das EtherCAT-Protokoll bietet einfach Echtzeit- und deterministische Kommunikation, die mit synchronisierter und mehrachsiger Bewegungssteuerung kompatibel ist, ohne dass zusätzliche Hardware erforderlich ist, um eine Synchronisation zwischen mehreren Achsen zu erreichen.

Fehlertoleranz

Wenn in der Master- und Slave-Konfiguration von EtherCAT der Ausgang des letzten Knotens nicht mit dem Master verbunden ist, werden die Daten automatisch über das EtherCAT-Protokoll in eine andere Richtung zurückgesendet. Der Zeitstempel bleibt also erhalten.

Jeder Knoten in der obigen Konfiguration versieht die Daten mit einem Zeitstempel, sobald sie erhalten wurden, und stempelt sie danach erneut, sobald sie sie an den zweiten Knoten übertragen. Wenn also der Master die Daten von den verschiedenen Knoten zurückerhält, bestimmt er die Latenzzeit jedes Knotens einfach. Die Übertragung von Daten vom Master erhält einen E/A-Zeitstempel von jedem Knoten, um EtherCAT wesentlich deterministischer und genauer zu machen.

Die Fehlertoleranz bedeutet, dass die Netzwerke von EtherCAT nicht wie im obigen Diagramm in einem Ringnetzwerk verbunden sein müssen, sondern auf verschiedene Arten verbunden werden können, wie Baumtopologie, Linientopologie, Ringtopologie, Sterntopologie & auch mit Kombinationen.

Natürlich muss es zwischen den Slaves und dem Master eine Verbindungsspur geben. Sobald Sie sie ausstecken, können sie nicht mehr funktionieren, obwohl die Netzwerktopologie hochflexibel ist und Fehler auf einem hervorragenden Niveau toleriert.

In EtherCAT-Systemen sind die Switches nicht notwendig, wie wir es bei Ethernet gefunden haben. Die Kabellängen zwischen den Knoten sind bis zu 100 Meter realisierbar. Die Niederspannungs-Differenzsignalisierung auf den Twisted-Pair-Kupferkabeln arbeitet mit maximaler Geschwindigkeit bei sehr geringem Stromverbrauch. Daher ist es auch möglich, Glasfaserkabel (FOCs) zu verwenden, um die Geschwindigkeit zu erhöhen und eine galvanische Trennung zwischen den Geräten einzubauen.

EtherCAT verwendet ein Ethernet-Kabel, das zwischen zwei Knoten eine Reichweite von bis zu 100 m haben kann. Darüber hinaus ermöglicht das Protokoll Datenübertragung und Stromversorgung über ein Kabel. Diese Art der Verbindung wird verwendet, um verschiedene Geräte wie Sensoren mit einer einzigen Leitung zu verbinden. Wenn die Entfernung des Knotens mehr als 100 m beträgt, wird ein Glasfaserkabel wie 100BASE-FX verwendet. Auch für EtherCAT steht das komplette Ethernet-Verkabelungsprogramm zur Verfügung.

EtherCAT-Frame

Das EtherCAT-Protokoll verwendet einen typischen Ethernet-Frame, der mindestens ein oder mehrere Datagramme enthält. In diesem Frame gibt der Datagramm-Header an, welche Art von Eingang das Master-Gerät durchführen möchte:

• Lesen, schreiben, lesen-schreiben.
• Zutrittsberechtigung zu einem bestimmten Slave-Gerät durch direkte Adressierung oder Zutrittsberechtigung zu verschiedenen Slave-Geräten durch logische Adressierung.

Die logische Adressierung wird für den Prozess des zyklischen Datenaustauschs verwendet, bei dem jedes Datagramm einen genauen Bruchteil des Prozessabbilds innerhalb des Segments des EtherCAT-Protokolls adressiert.

Jedem Slave-Gerät werden in diesem globalen Adressraum im gesamten eingerichteten Netzwerk einzelne oder mehrere Adressen zugewiesen. Ein einzelnes Datagramm kommt in Betracht, wenn mehreren Slave-Geräten Adressen innerhalb einer ähnlichen Region zugewiesen werden.

In EtherCAT enthalten die Datagramme die Informationen zum Datenzugriff, sodass das Master-Gerät entscheidet, wann auf die Daten zugegriffen wird.

Protokollsicherheit

Sicherheit ist derzeit auch im Bereich der Automatisierung eines der Hauptmerkmale bei der Datenübertragung sowie der Kommunikation. EtherCAT verwendet also das Protokoll Safety für Sicherheitszwecke, indem es ein einziges Kommunikationssystem sowohl für die Sicherheit als auch für die Datenkontrolle zulässt. Diese Sicherheitsfunktion ändert auch Daten flexibel und erweitert die Architektur des Sicherheitssystems usw.

Die Sicherheitstechnik des EtherCAT-Protokolls ist TÜV-zertifiziert & wurde basierend auf IEC 61508 entwickelt & ist identisch mit IEC 61784-3. Dieses Protokoll ist in Sicherheitsanwendungen über einen Sicherheitsintegritätslevel von SIL 3 anwendbar.

Ethercat vs. Ethernet

Auf die Unterschiede zwischen EtherCAT und Ethernet wird weiter unten eingegangen.

Ethercat vs. Profinet

Auf die Unterschiede zwischen EtherCAT und Profinet wird weiter unten eingegangen.

Ethercat vs. CANopen

Auf die Unterschiede zwischen EtherCAT und CANopen wird weiter unten eingegangen.

Ethercat vs. Modbus

Die Unterschiede zwischen EtherCAT und Modbus werden unten besprochen.

Vorteile und Nachteile

Zu den Vorteilen des Ethercat-Protokolls gehören die folgenden.

• EtherCAT ist ein hervorragender Feldbus, der in Bewegungssteuerungsanwendungen verwendet wird.
• Es wurde verifiziert, dass es die Maschinenleistung durch seine flexible Topologie, deterministische Leistung und verschiedene Funktionen optimiert.
• Es unterstützt einfach die gesamte CANopen-Familie & das Antriebsprofil von Sercos. Dies hilft den Anwendern, EtherCAT-Netzwerke einfach auf die genaue Anwendung auszurichten, indem vordefinierte grundlegende Profile geändert werden.
• Seine Redundanz ist auch über eine Ringtopologie möglich. EtherCAT verwendet auch Stern, Baum, Linie und Bus-Topologie .
• Dieses Protokoll bietet im Vergleich zu Ethernet hohe Geschwindigkeit, weniger Datenverkehr, weniger Hardwarekosten und mehr Präzision und Synchronisierungsmechanismus der Uhr.
• Diese Netzwerkgeschwindigkeit kann auch verwaltet werden, da die Computer möglicherweise Probleme haben, mit der besseren Anzahl von Zyklen umzugehen, sodass die Optimierung innerhalb von EtherCAT erreichbar ist.
• Er unterstützt nahezu alle Topologien, so dass er in einer Vielzahl von Anwendungen mit dem typischen Ethernet-Sterntopologie-basierten Switch eingesetzt werden kann.
• Ethernet-Protokolle sind sehr sicher, verwenden vereinfachte Master, der Datenraum ist größer und die Verarbeitung erfolgt im laufenden Betrieb.

Zu den Nachteilen des Ethercat-Protokolls gehören die folgenden.

• Der Hauptnachteil von EtherCAT besteht darin, dass Slave-Geräte eine bestimmte ASIC-Hardware einsetzen müssen, um EtherCAT auszuführen. Sein Datenmodell ist extrem unterschiedlich und auch sehr schwer zu verstehen.

Anwendungen

Das Anwendungen von EtherCAT füge folgendes hinzu.

• EtherCAT ist aufgrund vieler Merkmale wie hervorragende Leistung, Einfachheit, Robustheit, Erschwinglichkeit, integrierte Sicherheit und flexible Topologie in verschiedenen Bereichen einsetzbar. Es wird in verschiedenen Bereichen wie Werkzeugmaschinen, Robotik, Druckmaschinen, Pressen, Kraftwerken, Umspannwerken, Prüfständen, Schweißmaschinen, Landmaschinen, Kränen und Aufzügen, Windkraftanlagen, Fräsmaschinen, Bestückungsmaschinen, Verpackungsmaschinen und Messtechnik eingesetzt Systeme, Eisen- und Stahlwerke, Papier- und Zellstoffmaschinen, Bühnensteuerungssysteme, Tunnelsteuerungssysteme usw.
• Es ist anwendbar bei der Messung von Geräten, medizinischen Geräten, Maschinensteuerungen, mobilen Maschinen, zahlreichen eingebetteten Systemen und Automobilen.
• Es hat eine extrem hohe Leistung, ist einfach zu installieren und ein offenes, auf der Anwendungsschicht basierendes Protokoll, das in Ethernet-Anwendungen verwendet wird
• Dies ist ein Echtzeit- und offenes Kommunikationssystem, das in der Automatisierungsfertigung so weit verbreitet ist.

Das ist also eine Übersicht über Ethercat – Arbeiten mit Anwendungen. EtherCAT macht Anlagen und Maschinen einfacher, schneller & kostengünstiger. Es ist ein internationaler IEC-Standard, der nicht nur für Stabilität, sondern auch für Offenheit steht: EtherCAT-Spezifikationen wurden bisher nie verändert, sondern nur kompatibel erweitert. EtherCAT wird als „Ethernet-Feldbus“ betrachtet, da es die Ethernet-Vorteile mit der Einfachheit der Standard-Feldbussysteme verbindet und die Komplexität der IT-Technologien vermeidet. Hier ist eine Frage an Sie, was ist Ethernet?