EtherCAT je průmyslový síťový standard , který patří do rodiny Industrial Ethernet a technologií používaných pro distribuované řízení v reálném čase. EtherCAT byl vyvinut společností Beckhoff . Cílem návrhu protokolu bylo použít technologii Ethernet k automatizaci aplikací, které vyžadují časté aktualizace času (také nazývané doba cyklu) s nízkým jitterem komunikace (pro synchronizaci) a nízkými náklady na hardware. Datagramy EtherCAT jsou předávány uvnitř standardního ethernetového rámce .
Typicky jsou fieldbusy charakterizovány krátkou délkou dat v každém uzlu, typicky menší než minimální užitečné zatížení ethernetového rámce. Použití jednoho rámce na uzel na cyklus proto vede k malému využití šířky pásma a tím ke snížení celkového výkonu sítě. EtherCAT proto používá jiný přístup nazvaný „Processing on the Fly“.
Zařízení ovládaná EtherCAT nepřijímají a neodesílají datagramy v klasickém slova smyslu. Místo toho je každý přijatý datagram čten za chodu ve stejnou dobu, kdy je odesílán dále. Vkládání dat funguje podobným způsobem. Díky tomuto přístupu je možné dosáhnout krátké doby zpracování datagramu. Všechna zařízení v síti jsou adresována jedním datagramem, který je postupně zpracováván každým zařízením.
Specifikace pro protokol EtherCAT je k dispozici pouze členům organizace, což značně zvyšuje náklady na zavádění zařízení EtherCAT do dohledových systémů.
Protokol EtherCAT pracuje s pakety přenášenými přímo v rámci standardního ethernetového rámce IEEE 802.3 (pomocí Ethertype 0x88a4) nebo v rámci datagramu UDP/IP . Paket EtherCAT je nedělitelný a skládá se z hlavičky (2 bajty) a jedné nebo více zpráv. Posloupnost dat je nezávislá na fyzickém pořadí uzlů v síti; adresování lze zpracovat v libovolném pořadí. Broadcast , multicast a end-to-end přenos dat je také možný a musí být implementován na tzv. master zařízení v aktuálním segmentu sítě. Pokud není vyžadováno směrování IP, lze do datagramů UDP /IP vložit protokol EtherCAT. Umožňuje také určitou kontrolu nad zásobníkem protokolů Ethernet pro implementaci adresování systémů EtherCAT.
Krátkých časů cyklů lze dosáhnout použitím mikroprocesorů v doplňkových zařízeních, která se nepodílejí na zpracování ethernetových paketů pro přenos obrazu procesu. Všechna data komunikačního procesu jsou zpracovávána na hardwarovém řadiči podřízeného zařízení. V kombinaci s funkčním principem to dělá z EtherCAT vysoce výkonný distribuovaný I/O systém: Komunikační proces s 1000 distribuovanými digitálními vstupy/výstupy trvá asi 30 µs, což je typické pro přenos 125 bajtů ve 100 Mbit/Ethernet. Data pro a ze 100 servoos lze aktualizovat až do 10 kHz. Typické rychlosti aktualizace sítě jsou 1-30 kHz, ale EtherCAT lze také použít s pomalými časy cyklu, pokud je zatížení DMA na vašem počítači příliš vysoké.
Externě může být topologie sítě EtherCAT libovolná – je možné libovolné pořadí připojení zařízení. Vnitřní topologie však bude stále prstencového tvaru díky použití plně duplexního Ethernetu jako spodní vrstvy – každý odeslaný datagram projde všemi připojenými zařízeními v určitém pořadí. Pomocí plně duplexního Ethernetu fyzické vrstvy slave řadiče EtherCAT automaticky uzavřou otevřený port a vrátí ethernetový rámec, pokud nejsou nalezena žádná klientská zařízení. Slave zařízení mohou mít dva nebo více portů. V souvislosti s těmito vlastnostmi EtherCAT je podpora téměř jakékoli fyzické topologie, jako je čára, strom nebo hvězda. Sběrnicová nebo linková struktura známá z průmyslových sítí je tak zpřístupněna také Ethernetu. Je také možná kombinace vedení a odboček nebo pahýlů: jakékoli zařízení EtherCAT se třemi nebo více porty může fungovat jako přechod, nejsou potřeba žádná další zařízení (např . přepínače ). Klasickou ethernetovou topologii, hvězdu postavenou na přepínačích , lze použít jak pomocí přepínačů konfigurovaných pro přesměrování provozu přímo mezi porty, tak pomocí speciálních doplňkových zařízení: přepínačů umístěných mezi hlavním síťovým zařízením a podřízenými zařízeními. speciálních slave zařízení (nezapomeňte, že standardní slave zařízení nemají MAC adresy) připojených ke stejnému portu přepínače společně tvoří segment EtherCAT, který je adresován buď svou MAC adresou, nebo portem založeným na VLAN . Počínaje 100BASE-TX Physical Layer Ethernet může být vzdálenost mezi libovolnými dvěma uzly až 100 m (300 stop). K segmentu lze připojit až 65535 zařízení. Pokud je síť EtherCAT připojena v kruhové konfiguraci (vyžaduje dva porty na masteru), může to vést k redundantním drátovým spojům.
Pro synchronizaci je použit mechanismus distribuovaných hodin, což má za následek velmi nízkou rychlost jitteru , hluboko pod 1 µs, i když komunikační cyklus kolísá , což je ekvivalentní protokolům časování standardu IEEE 1588 Precision. Proto EtherCAT nevyžaduje speciální hardware v hlavním zařízení a lze jej softwarově implementovat na libovolném standardním ethernetovém zařízení s MAC adresou, a to i bez vyhrazeného komunikačního koprocesoru. Typický proces vytváření distribuovaných hodin zahájí master vysíláním konkrétní adresy všem podřízeným. Po obdržení této zprávy všechny podřízené jednotky dvakrát zmrazí své vnitřní hodiny, jednou při přijetí zprávy a jednou, když se zpráva vrátí (pamatujte, že EtherCAT má kruhovou topologii ). Master může číst všechny zachycené hodnoty a vypočítat zpoždění pro každého otroka. Tento proces lze opakovat tolikrát, kolikrát je potřeba, aby se snížil jitter a vypočítaly se průměrné výstupní hodnoty. Celkové zpoždění se vypočítá pro každý slave v závislosti na jeho poloze v slave kruhu a načte se do posuvného registru. Jakmile je hotovo, povolí master vysílání čtení/zápis na systémových hodinách, čímž se první podřízená jednotka stane hlavními hodinami a všechny ostatní podřízené jednotky nastaví své vnitřní hodiny na správný, nyní známý offset. Aby byly hodiny po inicializaci synchronizované, musí master nebo slave pravidelně vysílat požadavek znovu, aby se kompenzovaly jakékoli účinky rozdílů v rychlosti mezi vnitřními hodinami každého z nich. Každý slave musí upravit rychlost svých vnitřních hodin nebo spustit mechanismus vnitřního potlačení, kdykoli slave potřebuje nastavit aktuální hodnotu. Systémové hodiny jsou popsány jako 64bitový čítač se základním blokem 1 ns, počínaje 1. lednem 2000, 0:00.
Hlavní zařízení lze implementovat pomocí libovolné standardní síťové karty . Při implementaci slave zařízení je nutné použít specializované mikroobvody , aby byl zajištěn princip zpracování za chodu .
Pro systémy zabezpečené proti selhání implementuje EtherCAT vyhrazený profil Safety-over-EtherCAT. Umožňuje realizovat v jedné síti jak řešení běžných řídicích úloh, tak i úlohy rozšířených bezpečnostních systémů. Bezpečnostní protokol je implementován na aplikační vrstvě EtherCAT bez ovlivnění nižších vrstev. Protokol je implementován v souladu s požadavky normy IEC 61508 a splňuje požadavky SIL 4. Protokol má proměnnou délku datagramu, což umožňuje použití různých I/O zařízení, stejně jako frekvenčních měničů s podporou pro bezpečnostní profil. Tunelování bezpečnostního profilu, stejně jako dalších dat EtherCAT, nevyžaduje použití specializovaných přepínačů nebo bran .
Asociace vývojářů a výrobců podporujících EtherCAT je EtherCAT Technology Group , organizace s více než 3600 členy k 1. srpnu 2017.
EtherCAT Technology Group je partnerem IEC ( International Electrotechnical Commission , IEC), v roce 2005 byl EtherCAT standardizován jako „IEC/PAS 62407 Ed. 1.0 en:2005, technologie automatizace řízení Ethernetu v reálném čase (EtherCAT™)“.
Typické aplikace pro EtherCAT jsou:
| Průmyslové sítě | |
|---|---|
| Sběrnice řídicího systému | |
| Distribuované periferie | |
| Technologie pohonu |
|
| Polní zařízení |
|
| Automatizace budov | |