Az EtherCAT egy ipari hálózati szabvány , amely az ipari Ethernet családhoz és a valós idejű elosztott vezérléshez használt technológiákhoz tartozik. Az EtherCAT-et a Beckhoff fejlesztette ki . A protokoll tervezési célja az volt, hogy az Ethernet -technológiát olyan alkalmazások automatizálására használják, amelyek gyakori időfrissítést (más néven ciklusidőt) igényelnek alacsony kommunikációs rezgés (szinkronizálás) és alacsony hardverköltségek mellett. Az EtherCAT datagramok szabványos Ethernet kereten belül kerülnek átadásra .
A terepi buszokat jellemzően rövid adathossz jellemzi minden csomóponton, jellemzően kisebb, mint egy Ethernet keret minimális hasznos terhelése. Csomópontonként ciklusonként egy keret használata ezért alacsony sávszélesség-használathoz vezet, és így rontja a hálózat általános teljesítményét. Az EtherCAT ezért egy másik megközelítést alkalmaz, az úgynevezett "Feldolgozás menet közben".
Az EtherCAT által vezérelt eszközök nem fogadnak és nem küldenek datagramokat a szó klasszikus értelmében. Ehelyett minden fogadott datagramot menet közben beolvas a továbbküldéssel egyidejűleg. Az adatbeillesztés hasonló módon működik. Ennek a megközelítésnek köszönhetően kis adatgram-feldolgozási idő érhető el. A hálózaton lévő összes eszközt egyetlen datagram címzi meg, amelyet az egyes eszközök szekvenciálisan dolgoznak fel.
Az EtherCAT protokoll specifikációja csak a szervezet tagjai számára elérhető, ami nagymértékben megnöveli az EtherCAT eszközök felügyeleti rendszerekbe való bevezetésének költségeit.
Az EtherCAT protokoll a szabványos IEEE 802.3 Ethernet kereten ( 0x88a4 Ethertype használatával) vagy UDP/IP datagramon belül közvetlenül továbbított csomagokon működik . Az EtherCAT csomag oszthatatlan, és egy fejlécből (2 bájt) és egy vagy több üzenetből áll. Az adatok sorrendje független a hálózat csomópontjainak fizikai sorrendjétől; a címzés tetszőleges sorrendben feldolgozható. Broadcast , multicast és végpontok közötti adatátvitel is lehetséges, és ezeket az úgynevezett mestereszközön kell megvalósítani az aktuális hálózati szegmensben. Ha nincs szükség IP-útválasztásra, az EtherCAT protokoll beilleszthető az UDP /IP datagramokba. Ezenkívül lehetővé teszi az Ethernet protokollverem bizonyos vezérlését az EtherCAT rendszerek címzésének megvalósításához.
Rövid ciklusidők érhetők el, ha az Ethernet-csomagok feldolgozásában nem részt vevő kiegészítő eszközökben lévő mikroprocesszorokat használnak a folyamatkép továbbítására. Minden kommunikációs folyamatadatot a slave hardvervezérlője dolgoz fel. A működési elvvel kombinálva ez az EtherCAT-et nagy teljesítményű elosztott I/O rendszerré teszi: A kommunikációs folyamat 1000 elosztott digitális bemenettel/kimenettel körülbelül 30 µs-ot vesz igénybe, ami jellemző a 125 bájtos átvitelre 100 Mbit/Ethernet esetén. A 100 szervotengelyre vonatkozó és onnan származó adatok akár 10 kHz-en frissíthetők. A tipikus hálózati frissítési sebesség 1-30 kHz, de az EtherCAT lassú ciklusidővel is használható, ha a DMA terhelés túl magas a számítógépen.
Külsőleg az EtherCAT hálózat topológiája tetszőleges lehet - az eszközök csatlakoztatásának tetszőleges sorrendje lehetséges. A belső topológia azonban továbbra is gyűrű alakú lesz, mivel alsó rétegként full-duplex Ethernetet használnak – minden elküldött datagram meghatározott sorrendben halad át az összes csatlakoztatott eszközön. A teljes duplex fizikai rétegű Ethernet használatával az EtherCAT szolga vezérlők automatikusan bezárnak egy nyitott portot, és visszaküldenek egy Ethernet keretet, ha nem találnak lefelé irányuló klienseszközöket. A slave eszközöknek két vagy több portja lehet. Az EtherCAT ezekkel a funkcióival kapcsolatban szinte bármilyen fizikai topológia támogatása, például vonal, fa vagy csillag. Az ipari hálózatokból ismert busz- vagy vonalstruktúra így az Ethernet számára is elérhetővé válik. Vonalak és ágak vagy csonkok kombinációja is lehetséges: bármely három vagy több porttal rendelkező EtherCAT eszköz átmenetként működhet, nincs szükség további eszközökre (pl . kapcsolókra ). A klasszikus Ethernet-topológia, a kapcsolókra épített csillag , mind a portok közötti forgalom közvetlen átirányítására konfigurált kapcsolókkal, mind pedig speciális kiegészítő eszközökkel: a fő hálózati eszköz és a szolga eszközök között elhelyezett switchekkel használható. Az ugyanahhoz a kapcsolóporthoz csatlakoztatott speciális slave eszközök (ne feledje, hogy a szabványos slave eszközöknek nincs MAC-címe) együtt alkotnak egy EtherCAT szegmenst, amelyet vagy a MAC-címe vagy a VLAN -on alapuló port címez meg . A 100BASE-TX fizikai rétegű Ethernettől kezdve a két csomópont közötti távolság akár 100 m (300 láb) is lehet. Egy szegmenshez legfeljebb 65535 eszköz csatlakoztatható. Ha az EtherCAT hálózat gyűrűs konfigurációban csatlakozik (két portra van szükség a masteren), ez redundáns vezetékkapcsolatokhoz vezethet.
Elosztott óramechanizmust használnak a szinkronizáláshoz, ami nagyon alacsony , jóval 1 µs alatti jittert eredményez, még akkor is, ha a kommunikációs ciklus ingadozik , ami megfelel az IEEE 1588 Precision szabványos időzítési protokolloknak. Ezért az EtherCAT nem igényel speciális hardvert a mestereszközben, és szoftveresen implementálható bármely szabványos Ethernet-eszközön MAC-címmel, dedikált kommunikációs társprocesszor nélkül is. Az elosztott óra létrehozásának tipikus folyamatát a mester úgy indítja el, hogy egy adott címet küld az összes slave számára. Miután megkapta ezt az üzenetet, az összes slave kétszer leállítja a belső óráját, egyszer az üzenet fogadásakor és egyszer az üzenet visszaküldésekor (ne feledje, hogy az EtherCAT-nek csengetési topológiája van ). A master ki tudja olvasni az összes reteszelt értéket és kiszámítja a késéseket minden rabszolgának. Ez a folyamat annyiszor megismételhető, ahányszor szükséges a jitter csökkentése és az átlagos kimeneti értékek kiszámítása érdekében. A teljes késleltetést a rendszer minden slave számára kiszámítja a slave gyűrűben elfoglalt helyétől függően, és betölti a váltási regiszterbe. Ha ez megtörtént, a master engedélyezi a sugárzás olvasását/írását a rendszer óráján, ami az első slave-et mester órává teszi, és az összes többi slave-et arra kényszeríti, hogy belső óráját a megfelelő, már ismert eltolásra állítsa. Annak érdekében, hogy az órák szinkronban legyenek az inicializálás után, a mesternek vagy slave-nek rendszeresen újra kell sugároznia a kérést, hogy kompenzálja a belső órái közötti sebességkülönbségek bármilyen hatását. Minden slave-nek be kell állítania belső órájának sebességét, vagy belső felülírási mechanizmust kell futtatnia, amikor a slave-nek be kell állítania az aktuális értéket. A rendszeróra leírása szerint egy 64 bites számláló, 1 ns-os alapblokkkal, 2000. január 1-jén 0:00-tól.
A mester eszköz bármilyen szabványos hálózati kártya segítségével megvalósítható . A slave eszközök implementálásakor speciális mikroáramkörök használatára van szükség a menet közbeni feldolgozás elvének biztosítása érdekében .
A hibabiztos rendszerek esetében az EtherCAT egy dedikált Safety-over-EtherCAT profilt valósít meg. Lehetővé teszi, hogy egy hálózatban megvalósítsa a szokásos vezérlési feladatok megoldását és a fokozott biztonsági rendszerek feladatait. A biztonsági protokoll az EtherCAT alkalmazási rétegen valósul meg anélkül, hogy az alsóbb rétegeket érintené. A protokoll az IEC 61508 szabvány követelményeinek megfelelően került megvalósításra, és megfelel a SIL 4 követelményeinek. A protokoll változó datagram-hosszúságú, amely lehetővé teszi különböző I / O eszközök, valamint a támogatott frekvenciaváltók használatát. a biztonsági profilhoz. A biztonsági profil, valamint más EtherCAT-adatok alagútkezeléséhez nincs szükség speciális kapcsolók vagy átjárók használatára .
Az EtherCAT-et támogató Fejlesztők és Gyártók Szövetsége az EtherCAT Technology Group , amely 2017. augusztus 1-jén több mint 3600 tagot számlál .
Az EtherCAT Technology Group az IEC ( International Electrotechnical Commission , IEC) partnere, 2005-ben az EtherCAT szabványosítása „IEC / PAS 62407 Ed. 1.0 en:2005, Valós idejű Ethernet-vezérlés automatizálási technológia (EtherCAT™)”.
Az EtherCAT tipikus alkalmazásai a következők:
| Ipari hálózatok | |
|---|---|
| Vezérlőrendszer buszok | |
| Elosztott perifériák | |
| Hajtástechnika |
|
| Terepi eszközök |
|
| Épületautomatizálás | |