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EtherCAT: cómo se estableció su dominio en las comunicaciones industriales


 

Tabla de contenido:

Qué es EtherCAT?

Desarrollo EtherCAT

Topología del bus EtherCAT

Método de interacción de datos: sobre la marcha

Características de EtherCAT

 

"Como protocolo de comunicación "joven", EtherCAT ha ocupado un lugar en el campo de la comunicación industrial con su alto rendimiento, cableado sencillo y apertura. Presentaremos brevemente EtherCAT".

 

Qué es EtherCAT?

 

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) es una red Ethernet en tiempo real desarrollada por Beckhoff en 2003. El estándar abierto ahora está gestionado por EtherCAT Technology Group (ETG), del que TRINAMIC Motion Control es miembro. El código original de Beckhoff permanece sin cambios, lo que permite que los dispositivos se comuniquen entre sí utilizando el principio maestro/esclavo, lo que permite estructuras de comunicación rápidas y dinámicas. Dado que los datos utilizan el mismo formato que Ethernet, es posible conectarse directamente a Ethernet. No se requiere ningún enrutador o conmutador específico.

 

EtherCAT

 

Desarrollo EtherCAT

 

Como tecnología de comunicación que monopoliza el campo de la oficina, la tecnología Ethernet ha logrado grandes avances en la vida diaria de la información y en diversos campos comerciales con su buena versatilidad, bajo costo, alta eficiencia, alta confiabilidad y estabilidad. Aunque tiene tantas ventajas, su aplicación en el campo de la automatización tiene un defecto fatal: no se puede garantizar el rendimiento en tiempo real. En el control automatizado, la cantidad de datos comunicados entre dispositivos a menudo no es grande, solo lee y escribe algunos valores de conmutación o algunos valores de registro, pero los requisitos de retraso para los datos suelen ser muy altos, como leer la posición actual. de un servo giratorio. Si el retraso es demasiado alto, los datos leídos a menudo se desvían mucho de la posición actual. Debido a que Ethernet utiliza el mecanismo de control de acceso a medios CSMA/CD, es difícil construir una red de control en tiempo real.

 

EtherCAT, modelo de referencia EtherCAT OSI

 

EtherCAT se basa en la capa física estándar de Ethernet y, para obtener un mayor rendimiento en tiempo real, se transforma en la capa de enlace de datos. Las características en tiempo real del control de 100 ejes pueden ser inferiores a 100 ns y la precisión de sincronización puede ser inferior a 100 ns.

 

Topología del bus EtherCAT

 

EtherCAT puede admitir todas las topologías de conexión de dispositivos, como lineal, árbol, anillo y estrella, y el medio físico puede ser un cable Ethernet estándar 100Base-TX o un cable óptico. Cuando se utiliza un cable 100Base-TX, la distancia entre estaciones puede alcanzar los 100 m. Toda la red puede conectar hasta 65535 dispositivos. La tecnología de comunicación Fast Ethernet full-duplex se utiliza para formar una estructura de anillo maestro-esclavo.

 

EtherCAT, topología de bus EtherCAT

 

Método de interacción de datos: sobre la marcha

 

El mecanismo de transmisión de EtherCAT se llama "On The Fly". Si imagina el mensaje EtherCAT como un tren, cada vagón con una dirección esclava corresponde al submensaje de la estación esclava que necesita intercambiar datos con la estación maestra. Leer/ Escriba los datos de la estación esclava, luego hay un asiento correspondiente a la dirección de datos. El tren sale de la estación principal y para en todas las estaciones (estaciones esclavas) a lo largo de la ruta. Si no hay ningún vagón (subtelegrama) con su propia dirección de dispositivo, el tren se enviará a la siguiente estación. Si tiene su propia dirección propio vagón, esperará a que los pasajeros suban y bajen del vagón. Una vez completados los (datos), el tren se envía a la siguiente estación. Después de llegar a la estación terminal, regresa a la estación de origen. Sin datos se cambia durante el proceso de devolución.

 

El dispositivo esclavo EtherCAT tiene al menos dos interfaces Ethernet y los datos se reenvían de un puerto de red a otro.

 

 

 

Características de EtherCAT

 

 

Interacción de datos de alta velocidad

 

El procesamiento del protocolo EtherCAT se realiza completamente en hardware y el protocolo ASIC se puede configurar de manera flexible, lo que mejora en gran medida la eficiencia del trabajo. El ciclo de actualización de 1000 datos de E/S distribuidas es de solo 30 μs, incluido el tiempo de ciclo del terminal. La comunicación con 100 servoejes tarda sólo 100μs. Durante este tiempo, todos los ejes pueden recibir valores de ajuste y datos de control y se puede informar de su posición y estado reales.

 

Reloj distribuido (función en tiempo real)

 

La sincronización precisa es particularmente importante en procesos distribuidos que requieren una amplia gama de acciones simultáneas, como cuando varios servoejes realizan tareas de enlace simultáneas.

 

Conexión caliente

 

Muchas aplicaciones requieren cambios en la configuración de E/S durante el funcionamiento. Por ejemplo, centros de procesamiento con características variables, sistemas de herramientas equipados con sensores, equipos de transporte inteligentes, actuadores de piezas flexibles e imprentas que pueden apagar individualmente la unidad de impresión. El sistema EtherCAT tiene en cuenta estas necesidades: la función de "conexión en caliente" puede conectar varias partes de la red entre sí, desconectarlas o reconfigurarlas "sobre la marcha", proporcionando así una respuesta flexible a las configuraciones cambiantes.

 

Redundancia de cable opcional

 

La redundancia de cable opcional aborda la creciente necesidad de una mayor disponibilidad del sistema para que el equipo pueda reemplazarse sin apagar la red. EtherCAT también admite maestros redundantes con funcionalidad de espera activa. Debido a que el controlador esclavo EtherCAT devuelve tramas automáticamente tan pronto como encuentra una interrupción, la falla del dispositivo no apaga toda la red. Por ejemplo, las cadenas portacables de protección de cables pueden configurarse especialmente en forma de varillas cortas para proteger contra roturas de cables.

 

franqueza

 

La tecnología EtherCAT no solo es totalmente compatible con Ethernet, sino que también tiene una característica especial de apertura de diseño: el protocolo puede coexistir con otros protocolos Ethernet que brindan diversos servicios, y todos los protocolos coexisten en el mismo medio físico, generalmente solo para Hay un pequeño impacto en el rendimiento general de la red. Los dispositivos Ethernet estándar se pueden conectar a un sistema EtherCAT a través de terminales de conmutación, que no afectan el tiempo del ciclo. Los dispositivos equipados con interfaces de bus de campo convencionales se pueden integrar en la red mediante conexiones a los terminales maestros del bus de campo EtherCAT. Las variantes del protocolo UDP permiten integrar dispositivos en cualquier interfaz de socket. EtherCAT es un protocolo completamente abierto que ha sido reconocido como especificación oficial IEC (IEC/PAS62407).

 

 

 

La diferencia entre EtherCAT y Ethernet tradicional

 

Para comprender la diferencia entre EtherCAT y Ethernet tradicional, es necesario comprender el concepto de capas en los protocolos de red. Los protocolos de red generalmente se desarrollan en diferentes capas, y cada capa es responsable de diferentes funciones de comunicación. Un grupo de protocolos, como TCP/IP, es una combinación de múltiples protocolos en diferentes niveles. En las redes informáticas se utilizan comúnmente el protocolo TCP/IP de cuatro capas y el protocolo OSI de siete capas. El protocolo de cuatro capas es en realidad una simplificación del protocolo de siete capas.

 

El protocolo OSI se divide en siete capas:

 

1) Capa física: Es la capa más baja del modelo OSI de la red informática. La función de la capa física es garantizar que los datos originales puedan transmitirse en varios medios físicos. La capa física debe proteger al máximo los equipos físicos y los medios de transmisión, y los diferentes métodos de comunicación, de modo que la capa de enlace de datos no pueda sentir estas diferencias y solo considere completar los protocolos y servicios de esta capa. En otras palabras, no importa qué tipo de línea o interfaz se utilice, después de pasar por la capa física, lo que ve la capa de enlace de datos son niveles alto y bajo.

 

2) Capa de enlace de datos: la capa de enlace de datos define cómo transmitir datos en un solo enlace. La función básica es proporcionar servicios básicos de transmisión de datos transparentes y confiables a los usuarios de esta capa. Transparente significa que la capa de enlace de datos no considera el significado del flujo de bits y confiable significa que la capa de enlace de datos utilizará codificación de cuadros y control de corrección de errores para procesar el flujo de bits (consulte "Principios de comunicación").

 

3) Capa de red: maneja las actividades de los paquetes en la red, como el enrutamiento de paquetes.

 

4) Capa de transporte: realiza comunicación de un extremo a otro para aplicaciones en dos hosts. En el conjunto de protocolos TCP/IP, TCP proporciona una comunicación de datos de alta confiabilidad entre dos hosts: divide los datos que le entrega la aplicación en pequeñas partes apropiadas, los pasa a la capa de red subyacente, confirma los paquetes recibidos y configura El tiempo de espera para enviar el paquete de confirmación final, etc., TCP garantiza una comunicación de extremo a extremo altamente confiable; UDP proporciona un servicio muy simple para la capa de aplicación. Simplemente envía paquetes llamados datagramas de un host a otro. No hay garantía de que el datagrama pueda llegar al otro extremo. La confiabilidad necesaria la proporciona la capa de aplicación.

 

5) Capa de sesión: la capa de sesión se construye sobre la capa de transporte y utiliza los servicios proporcionados por la capa de transporte para permitir que las aplicaciones establezcan y mantengan sesiones y sincronicen sesiones.

 

6) Capa de presentación: la función principal de la capa de presentación es proporcionar un lenguaje común para la comunicación de máquinas heterogéneas para permitir la interoperabilidad. Las diferentes arquitecturas informáticas utilizan diferentes métodos de representación de datos y la capa de presentación maneja todos los problemas relacionados con la representación y el transporte de datos, incluida la conversión, el cifrado y la compresión. Cada computadora puede tener su propia forma interna de representar datos, por ejemplo, ASCII versus EBCDIC, por lo que se necesita un protocolo de capa de presentación para garantizar que diferentes computadoras puedan entenderse entre sí.

 

7) Capa de aplicación: la capa de aplicación es responsable de manejar detalles específicos de la aplicación.

 

La diferencia entre EtherCAT y Ethernet tradicional radica en la capa física, la capa de enlace de datos y la capa de red. Al mismo tiempo, EtherCAT admite múltiples protocolos de capa de aplicación, como el protocolo COE, el protocolo SOE, etc.

 

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