EtherCAT er en industriel netværksstandard , der tilhører Industrial Ethernet -familien og teknologier, der bruges til distribueret kontrol i realtid. EtherCAT er udviklet af Beckhoff . Designmålet med protokollen var at bruge Ethernet -teknologi til at automatisere applikationer, der kræver hyppige tidsopdateringer (også kaldet cyklustid) med lav kommunikationsjitter (til synkronisering) og lave hardwareomkostninger. EtherCAT- datagrammer sendes inde i en standard Ethernet -ramme .
Typisk er feltbusser kendetegnet ved en kort datalængde ved hver node, typisk mindre end den minimale nyttelast af en Ethernet-ramme. Brugen af én ramme pr. node pr. cyklus fører derfor til lavt båndbreddeforbrug og forringer dermed netværkets overordnede ydeevne. EtherCAT bruger derfor en anden tilgang kaldet "Processing on the Fly".
EtherCAT kontrollerede enheder modtager og sender ikke datagrammer i ordets klassiske betydning. I stedet læses hvert modtaget datagram i farten, samtidig med at det sendes videre. Dataindsættelse fungerer på lignende måde. På grund af denne tilgang er det muligt at opnå en lille datagrambehandlingstid. Alle enheder på netværket adresseres af et enkelt datagram, som behandles sekventielt af hver enhed.
Specifikationen for EtherCAT-protokollen er kun tilgængelig for medlemmer af organisationen, hvilket i høj grad øger omkostningerne ved at introducere EtherCAT-enheder i overvågningssystemer.
EtherCAT-protokollen fungerer på pakker, der transmitteres direkte inden for en standard IEEE 802.3 Ethernet-ramme (ved hjælp af Ethertype 0x88a4) eller inden for et UDP/IP- datagram . En EtherCAT-pakke er udelelig og består af en header (2 bytes) og en eller flere meddelelser. Rækkefølgen af data er uafhængig af den fysiske rækkefølge af noderne i netværket; adressering kan behandles i enhver rækkefølge. Broadcast , multicast og end-to-end datatransmission er også mulig og skal implementeres på den såkaldte master-enhed i det aktuelle netværkssegment. Hvis IP-routing ikke er påkrævet, kan EtherCAT-protokollen indsættes i UDP /IP-datagrammerne. Det tillader også en vis kontrol over Ethernet-protokolstakken for at implementere adresseringen af EtherCAT-systemer.
Korte cyklustider kan opnås ved at bruge mikroprocessorer i de tilbehørsanordninger, der ikke er involveret i behandlingen af Ethernet-pakker til at transmittere procesbilledet. Alle kommunikationsprocesdata behandles på slavens hardwarecontroller. Kombineret med funktionsprincippet gør dette EtherCAT til et højtydende distribueret I/O-system: Kommunikationsprocessen med 1000 distribuerede digitale input/outputs tager omkring 30 µs, hvilket er typisk for en 125 byte overførsel i 100 Mbit/Ethernet. Data for og fra 100 servoakser kan opdateres med op til 10 kHz. Typiske netværksopdateringshastigheder er 1-30 kHz, men EtherCAT kan også bruges med langsomme cyklustider, hvis DMA -belastningen er for høj på din computer.
Eksternt kan topologien af EtherCAT-netværket være vilkårlig - en vilkårlig rækkefølge af forbindende enheder er mulig. Den interne topologi vil dog stadig være ringformet ved at bruge fuld-dupleks Ethernet som bundlag - hvert datagram sendt vil passere gennem alle tilsluttede enheder i en bestemt rækkefølge. Ved at bruge fuld duplex fysisk lag Ethernet lukker EtherCAT-slavecontrollere automatisk en åben port og returnerer en Ethernet-ramme, hvis der ikke findes nogen downstream-klientenheder. Slavenheder kan have to eller flere porte. I forbindelse med disse funktioner i EtherCAT er understøttelsen af næsten enhver fysisk topologi, såsom linje, træ eller stjerne. Den bus- eller linjestruktur, der kendes fra industrielle netværk, stilles således også til rådighed for Ethernet. En kombination af linjer og grene eller stubbe er også mulig: enhver EtherCAT-enhed med tre eller flere porte kan fungere som en overgang, ingen yderligere enheder (f.eks . switche ) er nødvendige. Den klassiske Ethernet-topologi, en stjerne bygget på switches , kan bruges både ved hjælp af switche konfigureret til at omdirigere trafik direkte mellem porte eller ved hjælp af specielle tilbehørsenheder: switche placeret mellem masternetværksenheden og slaveenhederne. af specielle slave-enheder (husk, at standard-slave-enhederne ikke har MAC-adresser) knyttet til den samme switch-port danner tilsammen et EtherCAT-segment, som enten adresseres af sin MAC-adresse eller af port baseret på VLAN'er . Fra og med 100BASE-TX Physical Layer Ethernet kan afstanden mellem to knudepunkter være op til 100 m (300 fod). Op til 65535 enheder kan tilsluttes til et segment. Hvis EtherCAT-netværket er forbundet i en ringkonfiguration (kræver to porte på masteren), kan dette føre til redundante ledningsforbindelser.
En distribueret clock-mekanisme bruges til synkronisering, hvilket resulterer i en meget lav jitterhastighed , et godt stykke under 1 µs, selvom kommunikationscyklussen svinger , hvilket svarer til IEEE 1588 Precision standard timing-protokoller. Derfor kræver EtherCAT ikke speciel hardware i masterenheden og kan implementeres i software på enhver standard Ethernet-enhed med en MAC-adresse, selv uden en dedikeret kommunikations-coprocessor. Den typiske proces med at skabe et distribueret ur startes af masteren ved at udsende en specifik adresse til alle slaver. Efter at have modtaget denne besked vil alle slaver fryse deres interne ur to gange, én gang når beskeden modtages og én gang når beskeden returneres (husk EtherCAT har en ringetopologi ). Masteren kan læse alle de låste værdier og beregne forsinkelserne for hver slave. Denne proces kan gentages så mange gange som nødvendigt for at reducere jitter og beregne gennemsnitlige outputværdier. Samlede forsinkelser beregnes for hver slave afhængigt af deres position i slaveringen og indlæses i skifteregisteret. Når det er gjort, aktiverer masteren broadcast læse/skrive på systemuret, hvilket gør den første slave til masteruret og tvinger alle andre slaver til at indstille deres interne ur til den korrekte, nu kendte offset. For at holde urene synkroniseret efter initialisering, skal masteren eller slaven regelmæssigt udsende anmodningen igen for at kompensere for eventuelle effekter af hastighedsforskelle mellem hvers interne ur. Hver slave skal justere hastigheden på deres interne ur eller køre en intern overstyringsmekanisme, når slaven skal indstille den aktuelle værdi. Systemuret beskrives som en 64-bit tæller med en basisblok på 1 ns, startende den 1. januar 2000 kl. 0:00.
Masterenheden kan implementeres ved hjælp af et hvilket som helst standard netværkskort . Ved implementering af slaveenheder er det nødvendigt at bruge specialiserede mikrokredsløb for at sikre princippet om behandling i farten .
For fejlsikre systemer implementerer EtherCAT en dedikeret Safety-over-EtherCAT-profil. Det giver dig mulighed for at implementere i ét netværk både løsningen af almindelige kontrolopgaver og opgaverne med forbedrede sikkerhedssystemer. Sikkerhedsprotokollen er implementeret på EtherCAT-applikationslaget uden at påvirke de nederste lag. Protokollen er implementeret i overensstemmelse med kravene i IEC 61508 standarden og opfylder kravene i SIL 4. Protokollen har en variabel datagramlængde, som gør det muligt at anvende forskellige I/O-enheder, samt frekvensomformere med understøttelse for sikkerhedsprofilen. Tunnelering af sikkerhedsprofilen såvel som andre EtherCAT-data kræver ikke brug af specialiserede switches eller gateways .
Association of Developers and Manufacturers Supporting EtherCAT er EtherCAT Technology Group , en organisation med over 3600 medlemmer pr . 1. august 2017.
EtherCAT Technology Group er partner i IEC ( International Electrotechnical Commission , IEC), i 2005 blev EtherCAT standardiseret som "IEC / PAS 62407 Ed. 1.0 en:2005, Ethernet-styringsautomatiseringsteknologi i realtid (EtherCAT™)".
Typiske applikationer til EtherCAT er:
| Industrielle netværk | |
|---|---|
| Styresystem busser | |
| Distribueret periferiudstyr | |
| Drivteknologi |
|
| Markenheder |
|
| Bygningsautomatisering | |