EtherCAT là gì? Giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ban đầu được phát triển bởi Beckhoff Automation, một nhà sản xuất PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) được sử dụng trong các hệ thống điều khiển thời gian thực và tự động hóa công nghiệp.

Họ đã tăng trưởng phiên bản Fieldbus của riêng mình có tên là “ LightBus ” vào cuối những năm 1980, để xử lý yếu tố băng thông của những giao diện khác. Việc ứng dụng bổ trợ trên giao thức này sau cuối đã dẫn đến việc ý tưởng ra EtherCAT .
Beckhoff đã trình làng EtherCAT với quốc tế vào năm 2003. Và sau đó vào năm 2004, họ đã trao quyền cho ETG ( EtherCAT Technology Group ) – những người chịu nghĩa vụ và trách nhiệm tiếp thị tiêu chuẩn này. ETG có một nhà tăng trưởng và nhóm người dùng rất tích cực. EtherCAT được tiêu chuẩn hóa theo IEC 61158 .

Tại sao lại sử dụng EtherCAT?

Tại sao chúng ta không thể đơn giản sử dụng Ethernet để kết nối các hệ thống điều khiển ? Ethernet rất nhanh. Nó không tốn kém. Và nó dễ dàng thực hiện trong các công cụ phần mềm trên máy tính ngày nay. Vậy còn thiếu những gì?

Câu trả lời chủ yếu nằm ở việc xác định hoặc độ chính xác về thời gian.

Trong những trường hợp ứng dụng vào việc gửi và nhận thư. Vào một ngày mà chỉ có 100 lá thư được gửi đến, thư của bạn sẽ nhanh gọn Open trong hộp thư của bạn. Vào những ngày nhiều thư, sẽ mất nhiều thời hạn hơn, nhưng không có gì là độc lạ, phải không ?
Vì vậy, Ethernet trọn vẹn tương thích để gửi tài liệu xung quanh văn phòng hoặc từ thiết bị này sang thiết bị khác. “ Thư ” của bạn được gửi nhanh gọn và thực sự không quan trọng nếu thư được nhận vào lúc 10:00:02. 12 hay lúc 10 : 01 – việc thời hạn đúng mực không quan trọng trong ứng dụng này .

Tuy nhiên với những mạng lưới hệ thống điều khiển và tinh chỉnh thì thời hạn là một yếu tố cực kỳ quan trọng. Thời gian nào đó đã xảy ra và với độ phân giải và độ đúng chuẩn trục thời hạn càng nhiều càng tốt. Hệ thống điều khiển và tinh chỉnh tự động hóa xí nghiệp sản xuất theo định nghĩa là mạng lưới hệ thống thời hạn thực. Việc bật và tắt máy nhu yếu độ trễ rất thấp. Ví dụ : bạn không muốn thông tin tắt khẩn cấp của mình lẫn vào luồng sao lưu dữ liệu gigabyte – những thông tin thời hạn thực luôn được ưu tiên .
Nhưng trong một mạng lưới hệ thống Ethernet thường thì, không có giao thức nào giải quyết và xử lý cho việc này – toàn bộ tài liệu về cơ bản là “ bình đẳng ”. Điều này hoạt động giải trí tốt với những máy tính văn phòng khi san sẻ băng thông mạng để truy vấn sever và máy in, nhưng không tương thích với những ứng dụng thời hạn thực .

Các lớp vật lý của EtherCAT

EtherCAT sử dụng cùng một lớp link vật lý và tài liệu của Ethernet, được biểu lộ bên dưới :

Lớp vật lý là phần cứng truyền tải tài liệu qua mạng một cách vật lý. Đây là cấp điện cốt lõi, tức là Lever “ cơ học ” của mạng .
Lớp link tài liệu là nơi tài liệu được mã hóa thành những gói. Việc tiến hành Ethernet ở đây là tốt và EtherCAT sử dụng nó. Nhưng sau đó những lớp khác được người dùng Ethernet biết đến như lớp Mạng ( IP ) và lớp truyền tải ( TCP và UDP ) bị EtherCAT bỏ lỡ trọn vẹn vì nó chăm sóc đến thời hạn chu kỳ luân hồi .
Tất thảy điều này và những góc nhìn khác của giao thức là cách EtherCAT hoàn toàn có thể giảm thời hạn chu kỳ luân hồi 10 ms của Ethernet theo 1 số ít bậc lớn và nó mang lại vận tốc tài liệu hiệu suất cao là 100 Mbps .

Sự khác biệt về cấu trúc mạng Ethernet và EtherCAT

Ethernet và EtherCAT khác nhau ở những lớp cao hơn lớp link vật lý và tài liệu. Chúng ta hãy xem xét sự độc lạ và sau đó đưa được ra Tóm lại là EtherCAT tương thích cho những ứng dụng mạng lưới hệ thống thời hạn thực :

Trong một mạng Ethernet nổi bật tại văn phòng hoặc nhà của bạn, nhiều thiết bị được liên kết về cơ bản ở cùng một cấp. Mọi thiết bị đều hoàn toàn có thể gửi tài liệu qua mạng và mọi thiết bị đều hoàn toàn có thể nhận tài liệu. Mạng hoàn toàn có thể có một bộ switch liên kết nó với một thiết bị internet để cung ứng quyền truy vấn từ xa qua internet .
Điều này rất linh động nhưng dễ bị quá tải tài liệu khi nhiều thiết bị gửi hoặc nhu yếu một lượng lớn tài liệu cùng một lúc. Các tin nhắn quan trọng về thời hạn hoàn toàn có thể bị chậm lại hoặc thậm chí còn bị chặn trong những trường hợp quá tải .
Mặt khác, EtherCAT hoạt động giải trí theo một cách rất khác :

Thiết bị EtherCAT MASTER là thiết bị duy nhất được phép truyền tài liệu qua mạng ! Master gửi một chuỗi tài liệu qua bus, vô hiệu những xung đột tài liệu của mạng lưới hệ thống Ethernet và hiệu quả là tối ưu hóa vận tốc .
Khung EtherCAT được nhúng trong khung Ethernet tiêu chuẩn và được xác lập trong trường EtherType bằng giá trị 0x88 A4. Thiết bị Master là thiết bị duy nhất trong phân đoạn EtherCAT được phép gửi tin nhắn – những Slave hoàn toàn có thể thêm tài liệu và gửi khung theo đó, nhưng chúng không hề tự tạo tin nhắn mới .
Các khung này được nhận bởi những thiết bị slave EtherCAT ( những nút ) mà nó được gửi đến. Các thiết bị slave giải quyết và xử lý tài liệu và thêm lại bất kể thứ gì được master nhu yếu và gửi khung cùng với nút tiếp theo trong vòng .
Nút tiếp theo thực thi đúng chuẩn điều tựa như, lấy tài liệu dành cho nó, đưa tài liệu thiết yếu trở lại khung EtherCAT và gửi nó đến nút tiếp theo .
Tốc độ được tăng lên so với Ethernet thường thì không chỉ vì chỉ có một thiết bị gửi tài liệu, mà còn dựa trên kỹ thuật được gọi là “ giải quyết và xử lý nhanh gọn ”. Trong Ethernet thường thì, mỗi thiết bị phải đọc tiêu đề của mỗi thông tin để xác lập xem tài liệu có được dành cho nó hay không, sau đó nhập tài liệu và giải quyết và xử lý theo một cách nào đó. Nhưng với quy trình giải quyết và xử lý nhanh gọn, nút đọc tiêu đề và gửi tài liệu cùng một lúc, tiết kiệm ngân sách và chi phí thời hạn và nâng cao hiệu suất cao .
Cuối cùng, không giống như Ethernet thường thì, EtherCAT được cho phép tài liệu đến và đi từ nhiều thiết bị trên mạng được kết hợp thành những khung đơn. Điều này một lần nữa tối ưu hóa vận tốc .
Điều mê hoặc là nếu một nút đơn cử không có năng lực giải quyết và xử lý để giải quyết và xử lý tài liệu, vận tốc bus hoàn toàn có thể được kiểm soát và điều chỉnh bởi master, bảo vệ rằng không có tài liệu nào bị mất bởi bất kể thiết bị nào trên mạng .

Dữ liệu được đóng dấu thời gian EtherCAT

Một trong những góc nhìn quan trọng nhất của EtherCAT là đồng hồ đeo tay phân tán. Mỗi nút lưu lại thời hạn tài liệu khi nó được nhận và sau đó đóng dấu lại khi nó gửi đến nút tiếp theo. Vì vậy, khi master nhận lại tài liệu từ những nút, nó hoàn toàn có thể thuận tiện xác lập độ trễ của mỗi nút. Mỗi lần truyền tài liệu từ master đều nhận được dấu thời hạn I / O từ mọi nút, làm cho EtherCAT xác lập và đúng chuẩn hơn nhiều trên trục thời hạn so với Ethernet .
Tuy nhiên, ngay cả trước khi EtherCAT hoạt động giải trí, master sẽ gửi một chương trình phát sóng tới tổng thể những nút slave trên mạng, những slave này sẽ chốt nó khi chúng nhận nó và khi chúng gửi nó trở lại. Master sẽ tự động hóa làm điều này nhiều lần nếu thiết yếu để giảm “ jitter ” và giữ cho những nút slave được đồng điệu hóa với nhau .
Độ đúng mực về thời hạn này cực kỳ quan trọng trong những ứng dụng điều khiển và tinh chỉnh thời hạn thực và tự động hóa nhà máy sản xuất .
Đồng hồ phân tán tích hợp của EtherCAT phân phối hiệu suất “ jitter ” tuyệt vời nhỏ hơn nhiều so với một micro giây ( 1 µs ), tương tự với IEEE 1588 PTP ( Giao thức thời gian đúng chuẩn ) mà không cần thêm bất kể phần cứng nào .

EtherCAT có khả năng chịu lỗi

Nếu đầu ra của nút ở đầu cuối không được liên kết với nút chính, tài liệu sẽ tự động hóa được trả về theo hướng khác trải qua giao thức EtherCAT. Dấu thời hạn được duy trì .

Khả năng chịu lỗi này có nghĩa là những mạng EtherCAT không phải được sắp xếp theo một vòng giống như những sơ đồ được hiển thị ở trên, nhưng hoàn toàn có thể được định thông số kỹ thuật theo nhiều cách khác nhau, gồm có cấu trúc link cây, cấu trúc link vòng, cấu trúc link dòng, cấu trúc link hình sao và thậm chí còn là phối hợp .
Tất nhiên, phải có một link giữa master và slave. Nếu bạn ngắt nguồn chúng, chúng không hề hoạt động giải trí, nhưng điểm mấu chốt là cấu trúc link của mạng rất linh động và chịu được lỗi ở một mức độ đặc biệt quan trọng .
Bạn thường thấy trong mạng lưới hệ thống Ethernet cần phải có những bộ chuyển mạch switch, tuy nhiên mạng lưới hệ thống EtherCAT không nhu yếu thiết bị này. Có thể có chiều dài cáp lên đến 100 mét ( 328 ft ) giữa những nút. LVDS ( tín hiệu vi sai điện áp thấp ) trên đường dây đồng xoắn đôi chạy ở vận tốc cao và tiêu thụ điện năng rất thấp. Cũng hoàn toàn có thể sử dụng cáp quang để tăng vận tốc và thêm cách ly điện giữa những thiết bị .

Ethernet so với EtherCAT

 
Ethernet
EtherCAT
Các lớp liên kết vật lý và dữ liệu chung
Có
Có

Tiêu chuẩn quốc tế
IEEE-802.3
IEC 61158

Thời gian xác định
Không
Có

Hoạt động Master / Slave
Không
Có

Cấu trúc liên kết dựa trên vòng
Không yêu cầu
Có

Được tối ưu hóa để kiểm soát thời gian thực
Không
Có

Được tối ưu hóa để tránh xung đột dữ liệu
Không
Có

Sự khác biệt giữa EtherCAT và CANopen là gì?

CANopen là một giao thức cấp cao dựa trên bus phần cứng CAN. Nó cũng gồm có một thông số kỹ thuật kỹ thuật cho bất kể thiết bị nào trên bus. Trong khi EtherCAT sử dụng hai lớp thấp nhất ( tài liệu và vật lý ) của giao thức Ethernet, CANopen sử dụng hai lớp thấp nhất của CAN OSI .

Việc tận dụng phần cứng sẵn có và đã được chứng minh bởi nhiều nhà sản xuất là một lợi thế chính của CANopen. CAN được khởi tạo như một cách để giảm hệ thống đường dây điện trong ô tô, nhưng nó đã phát triển qua nhiều thập kỷ để được sử dụng trong hầu hết mọi ngành và hàng nghìn ứng dụng, từ công nghiệp đến hàng không vũ trụ, năng lượng, v.v. Việc đưa giao thức CANopen cấp cao lên trên phần cứng CAN đã được kiểm chứng và đáng tin cậy giúp cho việc triển khai và phát triển hệ thống trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết.

CANopen phân phối một mức độ link cao và do đó đơn giản hóa cho những kỹ sư để tích hợp những thiết bị sử dụng CAN làm lớp tiếp xúc phần cứng. Giao thức giải quyết và xử lý nhiều tác vụ cấp thấp dành riêng cho phần cứng, đơn giản hóa và tăng vận tốc truyền. Các yếu tố phần cứng đơn cử của CAN như lọc gật đầu và định thời bit được giải quyết và xử lý bởi giao thức CANopen. CANopen cung ứng những đối tượng người dùng tiếp xúc ( COB ) cho những mạng lưới hệ thống nhạy với thời hạn và những tác vụ quản trị phần cứng khác .
EtherCAT là một kiến ​ ​ trúc duy nhất một master / slave ( nhiều slave ). Master gán địa chỉ cho từng slave, trấn áp vận tốc truyền của mạng và triển khai đồng điệu hóa thời hạn bắt đầu của tổng thể những thiết bị, hoàn toàn có thể lặp lại khi thiết yếu. Hơn nữa, thiết bị master là thiết bị duy nhất được phép truyền thông điệp. Các slave có nghĩa vụ và trách nhiệm phản ứng với những tin nhắn, chèn những phản hồi được ghi lại thời hạn của chúng, và sau đó trả chúng cho master .
Mạng CANopen hoàn toàn có thể có nhiều hơn một master. Tuy nhiên, bộ tích hợp phải bảo vệ rằng mỗi thiết bị có một địa chỉ duy nhất và tổng thể những thiết bị đều được đặt ở cùng một vận tốc bit. Tốc độ bit được đề xuất kiến nghị cao nhất của mạng lưới hệ thống CANopen là 1000 kbps .
Một mạng lưới hệ thống CANopen hoàn toàn có thể có tới 127 thiết bị trên đó, một trong số đó phải là thiết bị master. Một phân đoạn EtherCAT hoàn toàn có thể có tối đa 65.535 thiết bị trên đó. Khoảng cách tối đa giữa những thiết bị là 100 m ( 328 feet ) .
EtherCAT có tính xác lập cao, đạt được jitter tốt hơn 1 µs ở vận tốc 100 Mbps. Điện tín CANopen SYNC được số lượng giới hạn ở một độ dài khung hình và hoàn toàn có thể bị chập chờn với 130 μs ở 1 Mbps .
So sánh cấp cao nhất : EtherCAT và CANopen
 
EtherCAT
CANopen
Lớp phần cứng vật lý và dữ liệu
Ethernet
CANbus

Tốc độ bus
100 Mb / giây
1 Mbps (tối đa)

Chế độ truyền
Song công
Bán song công

Tính xác định (rung lắc giữa các thiết bị)
Thấp nhất là 1 ns
Thông thường 100-200 ns

Tối đa Thiết bị
65.536
127 (0 được đặt trước)

Tối đa khoảng cách giữa các thiết bị (1)
100 m (328 ft.)
Phụ thuộc vào tốc độ bus:

1,5 m @ 1 Mbps
2,5 m @ 800 kbps
5,5 m @ 500 kbps
11 m @ 250 kbps

Cổng giao tiếp phụ
 USB
 RS232
Master / Slave
Master duy nhất với một hoặc nhiều Slave
Một hoặc nhiều Master, với một hoặc nhiều Slave

Định địa chỉ Slave tự động bởi Master
Có
Không

Đồng bộ thời gian tự động của các thiết bị bởi Master
Có
Không

• Tiêu chuẩn CANopen được duy trì bởi CAN in Automation (CiA) International Users and Manufacturers Group
• Tiêu chuẩn EtherCAT được duy trì bởi EtherCAT Technology Group và được tiêu chuẩn hóa theo IEC 61158

Cả EtherCAT và CANopen đều được sử dụng trong nhiều ngành và ứng dụng khác nhau, gồm có :

• Ô tô
• Vận tải và đường sắt
• Chăm sóc sức khỏe
• Ngành công nghiệp
• Tự động hóa nhà máy
• Nông nghiệp
• Hàng không vũ trụ.

Cả hai giao thức đều tân tiến, được duy trì và có ích. Đối với những ứng dụng phân tán vận tốc thấp và trung bình, CANopen là một lựa chọn tuyệt vời. Đối với những ứng dụng vận tốc cao hơn, đặc biệt quan trọng là những ứng dụng nhu yếu độ đúng chuẩn cao, đồng nhất hóa thời hạn chuẩn xác và phối hợp điều khiển và tinh chỉnh thì EtherCAT là lựa chọn tốt hơn .

Cách thức hoạt động của CANopen qua EtherCAT (CoE)?

Như chúng ta đã thấy trong suốt bài viết này, EtherCAT là một hệ thống mạnh mẽ tận dụng lợi thế của phần cứng Ethernet, cho phép kết nối lên đến 100 mét giữa các thiết bị, cung cấp cấu trúc liên kết mạng linh hoạt và cung cấp luồng dữ liệu có tính xác định cao, đồng bộ hóa thời gian tự động,..

Tất nhiên, CANopen cũng có những ưu điểm của nó. Nó sống sót lâu hơn EtherCAT và đã được kiểm soát và điều chỉnh hàng nghìn lần vì ngân sách phần cứng thấp và dễ tiến hành. Xem xét điểm mạnh của cả CANopen và EtherCAT, rõ ràng là cần có cách để tích hợp chúng và tận dụng lợi thế của cả hai mạng lưới hệ thống. Giao thức này được gọi là CANopen qua Ethernet ( CoE ) và nó được cho phép những kỹ sư sử dụng hàng loạt tính năng CANopen được thiết lập trên EtherCAT nhanh và can đảm và mạnh mẽ .
Giao thức CoE gồm có những đối tượng người dùng tài liệu quy trình ( PDO ) và những đối tượng người dùng tài liệu dịch vụ ( SDO ). Gần như toàn bộ những ngăn xếp CANopen hiện có hoàn toàn có thể được sử dụng mà không cần sửa đổi vì giao thức SDO được tiến hành trực tiếp .
Các ngăn xếp PDO được chuyển bằng phần cứng EtherCAT xác lập, nhanh hơn, nhưng không còn bị số lượng giới hạn 8 bit của CANopen. Điểm tương đương giữa những trạng thái EtherCAT và CANopen là một số ít đổi khác cần phải được thực thi khi kiểm soát và điều chỉnh thông số kỹ thuật CANopen để chạy trên EtherCAT. CoE tương hỗ toàn bộ những thông số kỹ thuật thiết bị CANopen và CAN .
Băng thông cao hơn của EtherCAT được cho phép hàng loạt Object Dictionary được tải lên trên mạng. Nhiều thông số kỹ thuật thiết bị cũng hoàn toàn có thể được tái sử dụng, giảm thời hạn và ngân sách tiến hành .
EtherCAT đa giao thức là một nền tảng can đảm và mạnh mẽ, nhanh gọn để chạy những thiết bị CANopen và đóng vai trò là cầu nối được cho phép chúng thuận tiện di dời sang Ethernet công nghiệp .

Sự khác biệt giữa EtherCAT và Ethernet tiêu chuẩn là gì?

Đầu tiên, EtherCAT được kiến thiết xây dựng trên hai lớp tiên phong của giao thức Ethernet, như chúng tôi đã miêu tả trong phần này. Vì vậy, có sự tương đương rất mạnh ở những cấp thấp nhất – nhưng không phải ở cấp mạng, truyền tải hoặc ứng dụng, vì thế không có TCP / IP hoặc UDP trong EtherCAT .
EtherCAT đã được tối ưu hóa như một mạng lưới hệ thống master / slave thời hạn thực, xác lập .
Các khung EtherCAT ( thông tin ) được thiết kế xây dựng bên trong những Khung Ethernet tiêu chuẩn. Tuy nhiên, cũng có nhiều độc lạ lớn :

• Trên mạng EtherCAT, chỉ master mới có thể gửi tin nhắn, hướng chúng đến các slave thích hợp, và sau đó lấy lại dữ liệu được đóng dấu thời gian từ chúng. Điều này rất khác so với mạng Ethernet, nơi mọi thiết bị đều có thể gửi tin nhắn và dữ liệu không được đóng dấu thời gian một cách xác định.
• EtherCAT có tính xác định, có nghĩa là dữ liệu thời gian thực có độ trễ cực thấp sẽ quay trở lại master từ các slave.
• Trong mạng EtherCAT, master phụ trách căn chỉnh thời gian của tất cả các slave khi khởi động và theo từng khoảng thời gian, để tạo điều kiện cho việc đóng dấu thời gian có độ trễ thấp. Điều này được tích hợp trong EtherCAT, nhưng phải được thêm vào mạng Ethernet tiêu chuẩn.
• EtherCAT được thiết kế ngay từ đầu để cho phép kiểm soát thời gian thực đối với các thiết bị và hệ thống với độ trễ cực thấp. Ethernet được thiết kế chủ yếu cho các ứng dụng văn phòng và kết nối máy tính, máy in và các thiết bị ngoại vi mạng khác.
• Không giống như mạng Ethernet tiêu chuẩn, trong mạng EtherCAT, không thể xảy ra xung đột dữ liệu nhờ các đặc trưng nêu trên.
• Truyền dữ liệu trên mạng EtherCAT nhanh hơn so với mạng Ethernet tiêu chuẩn: 100 Mb / s có hiệu lực với độ chập chờn rất thấp.
• Giống như Ethernet, mạng EtherCAT có thể được sắp xếp theo nhiều loại cấu trúc liên kết: đường, vòng, sao, v.v.

Làm cách nào để triển khai EtherCAT bằng Ethernet?

Mạng EtherCAT sử dụng cáp Ethernet tiêu chuẩn để liên kết những thiết bị với nhau. Vì vậy, đơn thuần về mạng lưới hệ thống cáp, cả mạng EtherCAT và Ethernet đều sử dụng cùng một loại cáp CAT5 .
Tuy nhiên, nếu câu hỏi đề cập đến điều gì đó nhiều hơn, ví dụ điển hình như liên kết những thiết bị Ethernet khác với mạng EtherCAT, thì tất cả chúng ta cần xem xét giao thức được gọi là Ethernet over EtherCAT ( EoE ) .

EoE là một giao thức được cho phép ứng dụng khách Windows tiếp xúc với những thiết bị trên mạng EtherCAT. Các gói Ethernet được gửi từ máy khách vào mạng EtherCAT trải qua một thiết bị gọi là Cổng chuyển mạch. Một Cổng quy đổi truyền tài liệu Ethernet vào giao thức EtherCAT bằng cách chèn những TCP / IP vào những thông điệp mạng lưới hệ thống EtherCAT hiện có theo cách không can thiệp vào mạng .
Thiết bị chuyển mạch switch hoàn toàn có thể được tiến hành như một thiết bị riêng không liên quan gì đến nhau, ví dụ điển hình như Beckhoff 6601, tương hỗ toàn bộ những giao thức dựa trên Ethernet ( IEEE 802.3 ) và được cách ly điện áp đến 500 V. Nó hoàn toàn có thể được thiết lập ở bất kể đâu trong phân đoạn EtherCAT và không nhu yếu bất kể thông số kỹ thuật nào .
Nhưng nó cũng hoàn toàn có thể được tiến hành như một công dụng trong một trong những thiết bị slave trên mạng EtherCAT, hoặc thậm chí còn là một công dụng ứng dụng trên EtherCAT master .

EtherCAT master là gì?

Mỗi phân đoạn mạng EtherCAT cần một EtherCAT master. Thiết bị master này đảm nhiệm mạng và là thiết bị duy nhất được phép gửi tin nhắn qua mạng. Nó cũng chịu nghĩa vụ và trách nhiệm đồng nhất hóa thời hạn cho tổng thể những slave trên mạng và gán địa chỉ cho từng slave. Nó chịu nghĩa vụ và trách nhiệm nhu yếu tài liệu từ những slave và nhận lại những thông tin đã sửa đổi từ chúng có chứa tài liệu được nhu yếu .
Một EtherCAT master gửi tài liệu bằng MAC ( Media Access Controller ) ở lớp 2 ( lớp tài liệu ) trong quy mô Ethernet OSI được chuẩn hóa. Không cần bộ giải quyết và xử lý tiếp xúc bổ trợ, có nghĩa là tính năng chính của EtherCAT hoàn toàn có thể được tiến hành trên bất kể thiết bị nào có cổng Ethernet .
Do đó, EtherCAT master có sẵn cả dưới dạng phần cứng chuyên sử dụng và ở dạng ứng dụng chạy trên máy tính, bất kể nó chạy hệ quản lý và điều hành nào. Các EtherCAT master đã được tăng trưởng cho Microsoft Windows, Linux, QNX, RTX, VxWorks, v.v.
Khi sử dụng máy tính làm EtherCAT master, nhu yếu duy nhất là cổng Ethernet. Đây hoàn toàn có thể là một cổng tích hợp sẵn hoặc một NIC ( Network Interface Card ) được bổ trợ. Hầu hết những NIC đều có quyền truy vấn DMA trực tiếp, có nghĩa là CPU không tương quan đến việc truy vấn tài liệu, tạo nên một mạng lưới hệ thống có hiệu suất rất cao .

Khoảng cách tối đa giữa các thiết bị EtherCAT là bao nhiêu?

Đây là một câu hỏi không có một câu vấn đáp duy nhất vì có rất nhiều biến số. Đầu tiên, cấu trúc link của một phân đoạn EtherCAT hoàn toàn có thể là một đường, vòng, cây, hình ngôi sao 5 cánh và thậm chí còn là sự phối hợp của những thông số kỹ thuật này .
Thứ hai, EtherCAT tương hỗ tối đa 65.536 thiết bị duy nhất trên một phân khúc, điều này chắc như đinh ý niệm rằng một số lượng rất lớn thiết bị được tương hỗ và hoàn toàn có thể được liên kết đồng thời. Tất nhiên, tính trong thực tiễn của một mạng lưới hệ thống như vậy là một câu hỏi .
Sử dụng cáp Ethernet tiêu chuẩn ( 100BASE – TX ), khoảng cách tối đa giữa hai thiết bị bất kể trên phân khúc là 100 m ( 328 feet ) .
Tuy nhiên, sử dụng cáp sợi quang ( 100BASE – FX ) 100 m này hoàn toàn có thể được lan rộng ra lên đến 2 km ( 1,25 dặm )
Thực tế mà nói, gần như là tổng thể những mạng lưới hệ thống EtherCAT đều được tiến hành trên một tòa nhà, một nhà máy sản xuất hoặc một khu vực đơn cử trong xí nghiệp sản xuất .

Giao thức Ethernet nào tốt nhất cho các ứng dụng thời gian thực?

Trên thực tế, EtherCAT và Profinet không phải là hai giao thức Ethernet công nghiệp (IE) duy nhất được sử dụng ngày nay. Có một số giao thức mạng công nghiệp bao gồm EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP, Powerlink, SERCOS III, Modbus TCP và CC-Link IE .

Mục đích của mỗi giao thức này là tận dụng phần cứng Ethernet nhanh và ngân sách thấp khi tạo mạng lưới hệ thống giám sát và điều khiển và tinh chỉnh trong thiên nhiên và môi trường điều khiển và tinh chỉnh mạng lưới hệ thống công nghiệp … đồng thời cải tổ đáng kể tính đồng nhất hóa thời hạn, tính xác lập và độ bền thiên nhiên và môi trường .
Được trình làng vào năm 2003, Profinet là một tiêu chuẩn kỹ thuật tiếp thị quảng cáo tiếp xúc công nghiệp. Không nên nhầm lẫn với Profibus, là một chuẩn Fieldbus được trình làng vào năm 1989 theo chuẩn IEC 61158. Profibus dựa trên tiếp xúc tiếp nối đuôi nhau RS485, trong khi Profinet dựa trên Ethernet. Hệ thống Profinet hoàn toàn có thể tích hợp những bộ phận hiện có của mạng lưới hệ thống Profibus mà không cần biến hóa, khiến nó trở nên mê hoặc như một lộ trình tăng cấp cho những mạng lưới hệ thống cũ hơn đó .
Tất cả những mạng lưới hệ thống Ethernet công nghiệp này hoàn toàn có thể đều mang nét đặc trưng của Ethernet OSI mà chúng sử dụng. Như tất cả chúng ta đã thấy trước đó trong tài liệu này, EtherCAT chỉ sử dụng 2 lớp tiên phong của Ethernet OSI, bỏ lỡ lớp truyền tải ( TCP, UDP ), v.v. để đạt được thời hạn chu kỳ luân hồi nhanh nhất hoàn toàn có thể và do đó tính chuẩn xác cao nhất cho triển khai những ứng dụng trấn áp thời hạn .
Hãy tập trung chuyên sâu vào EtherCAT và Profinet dựa trên câu hỏi đang đặt ra và xem cách họ sử dụng Ethernet OSI :
Ether CAT
Profinet V1
Profinet V2
Profinet V3
Lớp 7 (lớp ứng dụng)

Lớp ứng dụng Fieldbus (FAL). Dịch vụ và giao thức

Lớp 6 (lớp giới thiệu)

RSI (Giao diện dịch vụ từ xa) hoặc RPC (lệnh gọi thủ tục từ xa) được sử dụng

Lớp 5 (lớp chủ trì)

RSI (Giao diện dịch vụ từ xa) hoặc RPC (lệnh gọi thủ tục từ xa) được sử dụng

Lớp 4 (lớp vận chuyển/ truyển tải)

TCP / IP, UDP

Lớp 3 (lớp mạng)
IP (đồng bộ bằng cách sử dụng switch)
Mạng IP
Mạng IP (không đồng bộ)

Lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu)
MAC Ethernet

Lớp 1 (lớp vật lý)
Có thể sử dụng đồng song công 100 MBit / s (100BASE-TX) hoặc cáp quang (100BASE-FX) theo IEEE 802.3

Profinet có sẵn ba phiên bản:

• Phiên bản 1: Dựa trên thành phần (CBA): 100 ms lần chu kỳ
• Phiên bản 2: Thời gian thực (thời gian thực của phần mềm): thời gian chu kỳ ~ 10 ms
• Phiên bản 3: Thời gian thực (thời gian thực của phần cứng): thời gian chu kỳ <1 ms

Trong phiên bản 2 của Profinet, lớp truyền tải ( TCP / IP ) không được sử dụng mà được sửa chữa thay thế bằng bộ điều khiển và tinh chỉnh chuyên được dùng được luân chuyển trong khung Ethernet. Trong phiên bản 2, bộ tinh chỉnh và điều khiển này được tiến hành trong ứng dụng, trong khi ở phiên bản 3, nó được tiến hành trong phần cứng, đạt được thời hạn chu kỳ luân hồi tốt nhất hiện có trong Profinet .
Những biến hóa này không phải là nỗ lực không sử dụng TCP và IP trong giao thức, nhưng để tránh sự phụ thuộc vào vào chúng .
Profinet Phiên bản 1, hay còn gọi là CBA ( tự động hóa dựa trên thành phần ), không được tăng trưởng nữa. Nó không hề giải quyết và xử lý một số lượng lớn những biến và được coi là cầu nối từ Profibus cũ hơn đến quốc tế Ethernet công nghiệp. Trọng tâm ngày ngày hôm nay là Profinet IO, trước đây được gọi là SRT ( thời hạn thực ứng dụng ) và IRT ( thời hạn thực [ phần cứng ] không đồng nhất ) .
Việc bổ trợ phần cứng đặc biệt quan trọng trong Profinet IO làm cho nó đủ nhanh và đủ xác lập để sử dụng cho những ứng dụng điều khiển và tinh chỉnh hoạt động ( tinh chỉnh và điều khiển vị trí ). Vì Profinet IO ( IRT ) là gần nhất với EtherCAT về hiệu suất, chúng tôi sẽ tập trung chuyên sâu vào nó chứ không phải hai phiên bản khác trong bài so sánh cấp cao nhất này :
Tính năng / Tham số
EtherCAT
Profinet IO (IRT)

Số nút tối đa trên mỗi mạng
65,536
64 (1)

Các cấu trúc liên kết được hỗ trợ
Dòng, vòng, cây, ngôi sao và các kết hợp của chúng
Dòng, cây, ngôi sao

Khôi phục mạng tự động
Có
Không

Switch mạng được quản lý
Không áp dụng cho EtherCAT, không sử dụng switch hoặc bộ trung tâm
Cần thiết

Công nghệ đồng hồ phân tán
Có
Không

Tốc độ mạng
2 x 100 Mbps (song công)
2 x 100 Mbps (song công)

Thời gian chu kỳ
100 µs
<1 mili giâyĐộ chính xác đồng bộ hóa ~ 1 ns <1 µsJitter <1 µs <1 µsCó thể bị gián đoạn do tắc nghẽn truyền thông Không Có. Người dùng phải quản lý tải mạng (2)Định địa chỉ thiết bị slave tự động Có, thiết bị chính thực hiện việc này tự động, ngay cả khi thiết bị mới được thêm vào Không, nhà tích hợp hệ thống phải đảm bảo tất cả các thiết bị có một địa chỉ duy nhấtMức chi phí Nói chung thấp hơn hầu hết các hệ thống Fieldbus Chi phí tích hợp và phần mềm cao hơn1 ) Có thể có nhiều nút hơn, nhưng Siemens khuyến nghị tối đa 64 nút. Siemens là đơn vị sản xuất chính của những thiết bị Profinet và là đơn vị chức năng hỗ trợ vốn giao thức . 2 ) Không giống như EtherCAT, Profinet không có cách nào tích hợp sẵn để hạn chế lưu lượng truy vấn đến, thế cho nên hoàn toàn có thể xảy ra thực trạng quá tải mạng dẫn đến phá vỡ mạng. Người dùng có nghĩa vụ và trách nhiệm quản trị tải mạng và bảo vệ điều này không xảy ra . Theo toàn bộ những chỉ số chính, EtherCAT là một giải pháp Ethernet công nghiệp tiêu biểu vượt trội. Nó nhanh hơn, dễ thực thi hơn, linh động hơn và ngân sách thấp về mặt cấu trúc link và là một tiêu chuẩn trọn vẹn mở mà không có ngân sách cấp phép ( giao thức mở, không cần cấp phép bản quyền ) .

Ưu điểm của EtherCAT

• Hiệu suất cao – cấu trúc liên kết Ethernet công nghiệp nhanh nhất với tốc độ 200 Mb / giây (song công = 100 Mb / giây x 2)
• Chính xác – hoạt động thời gian thực với đồng bộ hóa ~ 1 ns
• Cấu trúc liên kết linh hoạt – có thể được sắp xếp theo vòng, thẳng, cây, sao không giới hạn
• Không có trung tâm hoặc switch – mở rộng mạng gần như vô hạn
• Thao tác dễ dàng – master tự động gán địa chỉ nút và gửi thông báo đồng bộ đồng hồ cho chúng
• Cấu hình đơn giản – không có địa chỉ IP hoặc địa chỉ MAC để duy trì
• Giá cả phải chăng – giá tương tự hoặc thấp hơn mạng Fieldbus thông thường. Bộ điều khiển chính tương đối rẻ.

Ứng dụng EtherCAT

• Tự động hóa công nghiệp
• Giao thức mạng PLC
• Điều khiển động cơ Servo
• Hệ thống thu thập dữ liệu
• Điều khiển chuyển động và điều khiển máy
• Người máy (Robot)
• Hệ thống xử lý vật liệu và hành lý
• Hệ thống cân
• Máy in
• Sản xuất chất bán dẫn
• Sản xuất kim loại và bột giấy & giấy
• Nhà máy điện
• Tua bin gió
• Máy móc nông nghiệp
• Máy phay
• Hệ thống kiểm soát đường hầm
• Hệ thống an toàn
• …

Trên đây, MESIDAS đã san sẻ rất chi tiết cụ thể cho những bạn về giao thức truyền thông online công nghiệp EtherCAT. Rất kỳ vọng, những kỹ năng và kiến thức phía trên sẽ giúp ích cho những bạn trong quy trình tìm hiểu và khám phá, nghiên cứu và điều tra, học tập hay thao tác với giao thức EtherCAT. Xin cảm ơn !
Tài liệu tìm hiểu thêm chính : https://dewesoft.com/daq/what-is-ethercat-protocol

5
1
vote

Article Rating

Source: https://mindovermetal.org
Category: Wiki là gì