ETHERCAT

VISIÓN GENERAL

EtherCAT es un protocolo de red Ethernet que se desarrolla a una velocidad rápida, un principio único llamado “procesamiento sobre la marcha” le da a EtherCAT un puñado de ventajas únicas, debido a que los mensajes EtherCAT se pasan antes de procesarse en cada nodo,,el proceso también crea flexibilidad en la topología y una sincronización increíble, fuera de las ventajas que se obtienen al “procesar sobre la marcha”, EtherCAT se beneficia de una infraestructura excelent, EtherCAT incluye, entre otras cosas, un protocolo de seguridad y múltiples perfiles de dispositivos, EtherCAT también se beneficia de un grupo de usuarios fuerte, la combinación de beneficios significa que EtherCAT está preparado para un crecimiento continuo.

Historia

Las capas de aplicación de Ethernet utilizadas en los sistemas de automatización industrial y de edificios suelen ser capas de aplicación semidúplex de “baja carga útil”, un mensaje de Ethernet para una capa de aplicación como Modbus TCP, por ejemplo, puede llevar solo un único registro para un dispositivo servidor con poca información como un controlador de válvula. En los dispositivos de carga pequeña como esa, se pierden enormes porciones de ancho de banda ya que no solo se mueven pequeños paquetes de datos, sino que esos mensajes solo se emiten cuando el dispositivo Cliente o Maestro solicita esa información. Modbus TCP es un ejemplo extremadamente ineficiente, pero los mismos tipos de ancho de banda y problemas de carga útil pueden encontrarse en capas de aplicación como EtherNet / IP y Profinet IO.

Beckhoff, una compañía de automatización alemana, desarrolló un sistema de bus de campo llamado Fast Lightbus para corregir el problema de la utilización del bajo ancho de banda presente en otros protocolos de Ethernet, este protocolo llevó a EtherCAT, que Beckhoff lanzó en 2003.

Grupo de Tecnología EtherCAT

En 2004, Beckhoff ayudó a crear un nuevo grupo para promover el protocolo EtherCAT, sus esfuerzos llevaron al Grupo de Tecnología EtherCAT, o ETG, Beckhoff donó los derechos de EtherCAT a la ETG.

Las ventajas de la alianza EtherCat Technology Group son numerosas, el ETG puede proporcionar investigación y avance del protocolo EtherCAT, la ETG también publica especificaciones y documentos que permiten a las organizaciones miembros tener mayor éxito en el uso de EtherCAT.

La ETG tiene su sede en Nuremberg, Alemania, pero también tiene oficinas en Japón, China, Corea y Austin, TX.

Estándares internacionales

La ETG trabaja con la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), sirviendo específicamente como enlace para el grupo de trabajo de comunicaciones digitales. La asociación ha llevado a la estandarización a lo largo de la historia del protocolo EtherCAT.

En 2005, EtherCAT se estandarizó como IEC / PAS 62407, esta norma ahora está obsoleta, aunque no se debe a ninguna falla en EtherCAT. En cambio, EtherCAT se ha integrado en una serie de otros estándares, un signo de su versatilidad.

Las normas de bus de campo IEC IEC 61158 e IEC 61784-2 incluyen EtherCAT a partir de 2007, EtherCAT también se incluye en la norma publicada ISO 15745-4.

Principio fundamental

El principio fundamental de EtherCAT es la lectura de paso, pasar a través de la lectura significa que los mensajes no están destinados a un solo nodo y son consumidos por ese nodo, en su lugar, los mensajes se transmiten al siguiente nodo en una cadena a medida que se procesan. Los datos de entrada a un nodo se leen a medida que el mensaje se procesa y los datos de salida se insertan en el mensaje al siguiente nodo.

EtherCAT Master emite un solo mensaje con datos para todos los nodos, a medida que el mensaje se transmite alrededor del anillo y de vuelta hacia el Maestro, cada nodo lee sus entradas y agrega sus salidas al mensaje, cuando el mensaje vuelve al Maestro EtherCAT, cada nodo en la red ha recibido nuevos datos de entrada del Maestro y ha devuelto nuevos datos de salida al Maestro. Sin la deficiencia de pequeñas cargas útiles o mensajes dirigidos a nodos específicos, una red EtherCAT puede lograr la máxima utilización del ancho de banda.

Una red EtherCAT puede compararse con un ferrocarril donde cada estación puede descargar y volver a cargar los vagones del tren mientras el tren se mueve a través de la estación.

Tecnología de auto terminación

EtherCAT utiliza la capa física estándar IEEE 802.3, no se requiere hardware especial para implementar una red EtherCAT.

Los conmutadores externos no se utilizan en una red EtherCAT, en su lugar, cada dispositivo EtherCAT incorpora un interruptor, cada dispositivo tiene dos puertos RJ45, un RJ45 está conectado al nodo anterior en la red y el otro está conectado al siguiente nodo.

Algo exclusivo de Ethernet es el concepto EtherCAT de redes de terminación automática, cualquier nodo que no detecte un nodo siguiente en la cadena terminará automáticamente la red en ese punto, los nodos de terminación copian los mensajes de la ruta de transmisión del Maestro a la ruta de recepción de los Maestros.

Las redes EtherCAT se pueden cablear en un anillo si el Maestro tiene dos puertos Ethernet, las redes cableadas en un anillo proporcionan una medida de redundancia. Las roturas de cables en cualquier parte del anillo están cerradas por los puertos ascendentes y descendentes de la ruptura. El Maestro puede detectar la interrupción y enviar mensajes a los dos sub-segmentos nuevos.

Debido a esta característica de terminación automática, las redes EtherCAT se pueden conectar mediante el uso de varias topologías diferentes, incluidas la estrella, la línea o el árbol.

Representación de datos

Cómo una red representa datos es una característica fundamental de una red. Es un factor distintivo que debe ser la primera pregunta en la mente de cualquiera que esté investigando seriamente una tecnología de red.

La capa de aplicación Ethernet con la representación de datos más sofisticada es CIP. Los dispositivos CIP (Common Industrial Protocol) de ODVA utilizan una representación de datos Objeto / Instancia / Atributo. Al igual que los datos se recogen en los objetos. Los conjuntos comunes de esos objetos se especifican como instancias. Los elementos de datos dentro de esos objetos son atributos. Los objetos también pueden tener controladores de eventos y estructuras operativas implementadas como máquinas de estado.

La capa de aplicación Ethernet con la representación de datos menos sofisticada es Modbus TCP. Al igual que su primo en serie, todos los dispositivos Modbus TCP representan datos como registros o bobinas sin firma de 16 bits. Hay versiones de entrada y salida de cada uno. Desafortunadamente, hay poca estandarización o similitud en los dispositivos Modbus. Cada fabricante desarrolla su propio mapa de registro Modbus único.

Profinet IO utiliza una representación de datos similar a Profibus. Cada dispositivo se parece a un bastidor de E / S. Hay un designador de bastidor, una ranura, un canal y un punto.

EtherCAT utiliza una representación de datos muy simple, similar a Modbus. Hay un espacio de datos, un espacio de datos enorme, y a cada dispositivo se le asigna una parte de ese espacio de datos. A medida que los mensajes se transmiten a través de la red, asignan su parte del espacio de datos a los datos en el mensaje de Ethernet.

Marco EtherCAT

Para que el chasis EtherCAT siga rodando sin detenerse en cada nodo, el paquete debe contener componentes específicos, como los vagones de un tren … Mirando el chasis EtherCAT, su analogía con un tren es bastante evidente. El encabezado actúa como una locomotora. Los coches, más su contenido, son datos de DOP. El caboose, completo con la información de envío, es el contador de trabajo.

Todas estas partes encajan simplemente en el marco EtherCAT, y el marco encaja simplemente en un marco Ethernet. Ethernet es el medio de transmisión que permite que EtherCAT funcione. El marco EtherCAT simplemente reemplaza el marco IP de un mensaje Ethernet estándar. Por lo tanto, la trama Ethernet no necesita modificación, lo que nuevamente contribuye a la flexibilidad para EtherCAT.

Encabezado EtherCAT

El marco EtherCAT comienza con un encabezado estándar. El primer entero es un identificador de longitud. Este bit le dice a los nodos cuánto tiempo será la porción EtherCAT del marco. La longitud es especialmente importante en un marco EtherCAT; la longitud varía según la cantidad de bytes y nodos de mensajes, al igual que la mayoría de los vagones de tren del producto alargan el tren.

La segunda parte del encabezado EtherCAT es un bit reservado, que es seguido por un entero de tipo. El tipo entero define el tipo de mensaje, lo que garantiza una interpretación correcta.

Datos de DOP

Después del encabezado, el marco EtherCAT contiene objetos de datos de proceso o PDO. Los PDO corresponden al número de nodos y mensajes dentro del marco. Cada DOP contiene datos para un nodo, el producto dentro del furgón. Los DOP también se tratan individualmente, indicando a los nodos qué DOP deben tomar.

Contador de trabajo

La parte final de un marco EtherCAT es el contador de trabajo. Este número funciona de la misma manera que una secuencia de verificación de cuadros. El contador de trabajo depende del contenido del marco EtherCAT. Al garantizar que el contador de trabajo sea correcto, cada nodo puede asegurarse de que recibe la totalidad de la trama.

Ventaja: la velocidad

El principio fundamental de “procesamiento sobre la marcha” detrás de EtherCAT proporciona una clara ventaja. El retraso que experimentaría un mensaje en una red Ethernet estándar es mucho mayor que el pequeño retraso en una red EtherCAT. Sin embargo, hay dos cosas importantes a tener en cuenta. Primero, hay un retraso. El marco EtherCAT no puede moverse continuamente, por lo que cada nodo introduce un pequeño retraso.

Segundo, las redes EtherCAT pueden reducirse si es necesario. Algunas computadoras pueden tener dificultades para manejar la mayor cantidad de ciclos y la reducción de los tiempos de ciclo que EtherCAT puede ofrecer. Sin embargo, la red se puede configurar para que la computadora permita la mayor velocidad con la que estas computadoras pueden operar.

Como siempre se dice de los números; “Las cifras no mienten sino las mentirosas”. El otorgamiento de números de rendimiento para una red industrial está abierto a la sospecha, pero generalmente las IO digitales de 1000 se pueden actualizar en 30 microsegundos y los 100 Servos se pueden actualizar a 10 KHz.

Topología flexible

El principio de “procesamiento sobre la marcha” de EtherCAT tiene otra ventaja además de la velocidad. Las redes EtherCAT se pueden configurar en muchos tipos de topología. Al igual que Ethernet, una topología en estrella es bastante simple. Sin embargo, EtherCAT puede extenderse mucho más allá de una topología en estrella.

EtherCAT crea la posibilidad de un sistema de bus de campo utilizando hardware de Ethernet. Combinando la topología de bus de campo o troncal con la topología de inicio se crea un nuevo estilo increíblemente útil. La combinación de líneas troncales y sucursales individuales proporciona flexibilidad en la programación para una red EtherCAT.

EtherCAT tiene redundancia incorporada que compensa las posibles interrupciones en el cableado. Cuando una línea se rompe, la red puede detectar un corte. El marco EtherCAT puede viajar hasta el final de la red y, debido a que los mensajes regresan por el mismo camino en sentido inverso, el marco retrocede y regresa al maestro. De esta manera, todas las redes EtherCAT pueden actuar como si estuvieran en una topología en anillo. La configuración de una red EtherCAT en una topología de anillo, a continuación, agrega otro nivel de redundancia.

Se podría suponer a partir de esta discusión que EtherCAT está limitado a una única subred. Eso no es verdad. Los telegramas EtherCAT se pueden transportar en paquetes UDP enrutables. Por supuesto, el enrutamiento introducirá más retrasos que tener todos los esclavos EtherCAT en una única subred.

Sincronización

Como quedó claro a través de la publicación del estándar IEEE 1588 Precision Time Protocol, la sincronización ha ganado importancia en la industria de redes industriales. La sincronización es otra ventaja de los sistemas EtherCAT. EtherCAT incluye un mecanismo de reloj distribuido, lo que le otorga un bajo jitter que cumple con las especificaciones de IEEE 1588 sin hardware adicional.

El mecanismo es posible debido a las marcas de tiempo que cada nodo incluye en el marco EtherCAT. Cada nodo adjunta una marca de tiempo al marco EtherCAT dos veces. Primero, el nodo esclavo agrega una marca de tiempo cuando recibe el mensaje cuando se envía a través de la red. Luego, cuando el cuadro regresa a través de los nodos, cada esclavo agrega otra marca de tiempo. El maestro recibe el cuadro con dos sellos de tiempo por esclavo.

Con la información de tiempo, el maestro puede calcular el retraso para cada nodo. El maestro repite el cálculo para cada trama que envía. A medida que la red opera, el enorme tamaño de muestra significa que el maestro tiene datos increíblemente precisos. La topología de anillo inherente crea un mecanismo de reloj increíblemente eficiente que aumenta la precisión con cada mensaje.

Otras características

La sincronización, la topología flexible y la velocidad son ventajas que EtherCAT tiene debido a su principio de operación único. Sin embargo, a través del trabajo del ETG, EtherCAT tiene algunas otras características distintas que vale la pena mencionar.

Perfiles de dispositivos

EtherCAT usa perfiles de dispositivos como Ethernet / IP y otros protocolos CIP usan objetos. Muchos dispositivos de bus de campo utilizados en redes EtherCAT ya están definidos en CAN. EtherCAT es compatible con toda la familia CANopen, otro EtherCAT estándar IEC encaja dentro. Además de CANopen, EtherCAT admite el perfil de unidad Sercos. Los perfiles de la unidad le permiten al usuario configurar la red EtherCAT según sus necesidades específicas sin “reinventar la rueda”. Los perfiles básicos están predefinidos.

Protocolo de seguridad

Otro estándar IEC entre los muchos que describen partes de EtherCAT es IEC 61508. Este estándar describe la Seguridad funcional sobre EtherCAT (FSoE). La versión FSoE del protocolo EtherCAT cumple con los requisitos del Nivel de integridad de seguridad 3. Para lograr una mayor seguridad, FSoE agrega información de seguridad a la estructura EtherCAT estándar.

Desarrollo

Los dispositivos EtherCAT Master pueden desarrollarse utilizando cualquier Ethernet MAC estándar. No se necesita ningún hardware especial. Beckoff proporciona un dispositivo PC Master que puede acceder a dispositivos esclavos EtherCAT desde una PC estándar con Windows. Los dispositivos esclavos EtherCAT deben utilizar el ASIC (circuito integrado específico de la aplicación) de EtherCAT para acceder a la red EtherCAT. El EtherCAT ASIC está disponible en Beckoff y otros proveedores.

Costos de Implementación

Los costos de hardware para el controlador o dispositivo maestro son limitados, ya que no se requiere hardware especial y cualquier PC habilitada para Ethernet puede usarse como dispositivo maestro. Los dispositivos esclavos EtherCAT requieren una inversión bastante grande en diseño y desarrollo, ya que el ASIC EtherCAT es un dispositivo de gran tamaño que es más caro que los microprocesadores estándar habilitados para Ethernet. En la implementación del sistema, EtherCAT puede ser muy rentable. No se requieren conmutadores, enrutadores o concentradores adicionales para formar la red EtherCAT y se puede implementar en la topología más adecuada para la aplicación.

Resumen

EtherCAT es un protocolo de capa de aplicación abierta de alto rendimiento y fácil de implementar para aplicaciones Ethernet. Sus capacidades de sincronización y la utilización completa del ancho de banda son muy atractivas para aplicaciones de movimiento donde se requiere la sincronización de grandes cantidades de unidades. Ahorra gastos de instalación al eliminar la topología de inicio Ethernet y todos los conmutadores enrutadores y concentradores. EtherCAT encaja en el espectro de capas de aplicación de Ethernet donde el rendimiento, la topología y el costo general de implementación son factores determinantes.

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