סקירה כללית
EtherCAT היא מערכת אוטובוס שדה מבוססת Ethernet עם ארכיטקטורה פתוחה. ה-CAT ב-EtherCAT הוא ראשי תיבות של Control Automation Technology. פותח במקור על ידי Beckhoff Automation GmbH בגרמניה. EtherCAT קובע סטנדרט חדש לביצועים בזמן אמת וגמישות טופולוגית, תוך עמידה או אפילו הפחתת עלות השימוש באוטובוסי שטח. EtherCAT כולל גם סנכרון מכשיר דיוק גבוה, יתירות כבל אופציונלית ופרוטוקול אבטחה פונקציונלי (SIL3).
עִקָרוֹן
ישנם מספר פתרונות Ethernet המספקים פונקציונליות בזמן אמת: למשל, השבתת תהליך הגישה ל-CSMA/CD באמצעות שכבת פרוטוקול גבוהה יותר והחלפתו בפרוסת זמן או בהליך סקר. תוכניות אחרות משתמשות במתגים פרטיים ומפיצות מנות Ethernet עם בקרת זמן מדויקת. למרות שפתרונות אלו יכולים לספק מנות לצמתי Ethernet מחוברים במהירות ובדייקנות יחסית, ניצול רוחב הפס נמוך, במיוחד עבור התקני אוטומציה טיפוסיים, מכיוון שגם עבור כמויות קטנות מאוד של נתונים, יש לשלוח מסגרת Ethernet מלאה. יתר על כן, הזמן הנדרש להפניה מחדש לפלט או לבקר הכונן ולקריאת נתוני הקלט תלוי במידה רבה במצב הביצוע. לעתים קרובות יש צורך להשתמש בתת-בוס, במיוחד במערכות I/O מודולריות, אשר, כמו ה-Bekhoff K-bus, מזרזות שידור דרך מערכת אפיק סינכרוני, אך סנכרון כזה לא ימנע עיכובים בהעברת אפיקי תקשורת.
עם EtherCAT, בקהוף הצליח להתגבר על מגבלות המערכת הללו של פתרונות אתרנט אחרים: לא היה עוד צורך לקבל מנות Ethernet בכל נקודת חיבור, לפענח אותן ולהעתיק אותן לנתוני תהליך. כאשר מסגרות עוברות דרך כל התקן, כולל התקן הטרמינל הבסיסי, EtherCAT קורא נתונים מבקר התחנה החשובים לאותו התקן. באופן דומה, ניתן להכניס נתוני קלט להודעה כשהיא עוברת דרכה. לאחר שהפריים עבר (עוכב בסיביות בודדות בלבד), תחנת העבדים מזהה את הפקודה הרלוונטית ומעבדת אותה. תהליך זה מיושם באמצעות חומרה בבקר העבד ולכן אינו תלוי במערכת ההפעלה בזמן אמת או בביצועי המעבד של תוכנת מחסנית הפרוטוקול. העבד האחרון של EtherCAT בקטע הרשת מחזיר הודעה מעובדת במלואה כך שההודעה מוחזרת כהודעת תגובה מהעבד הראשון למאסטר.
מנקודת מבט של Ethernet, קטע האוטובוס EtherCAT הוא פשוט התקן Ethernet גדול שמקבל ושולח מסגרות Ethernet. עם זאת, "התקן" זה אינו מכיל בקר Ethernet אחד עם מיקרו-מעבד במורד הזרם, אלא רק מספר רב של תחנות עבד EtherCAT. כמו בכל אתרנט, EtherCAT אינו דורש מתג כדי ליצור תקשורת, וכתוצאה מכך מערכת EtherCAT טהורה.
ביצועים
EtherCAT מגיע לרמה חדשה של ביצועי רשת. תקופת הרענון של 1000 נתוני I/O מבוזרים היא רק 30μs, כולל זמן מחזור מסוף. באמצעות מסגרת Ethernet, ניתן להחליף עד 1486 בתים של נתוני תהליך, שווה ערך לכמעט 12,000 נפחים דיגיטליים של קלט/פלט. כמות נתונים זו יכולה להיות מועברת תוך 300μs בלבד.
התקשורת עם 100 פירי סרוו היא רק 100μs. במהלך זמן זה, ניתן לספק ערכי הגדרה ונתוני בקרה לכל הצירים ולדווח על מיקומם ומצבם בפועל. טכנולוגיית שעון מבוזר מבטיחה שסטיית זמן הסנכרון בין הצירים הללו היא פחות מ-1 מיקרושנייה.
עם הביצועים המצוינים של טכנולוגיית EtherCAT, אנו יכולים לממש את שיטת הבקרה שאינה ניתנת למימוש על ידי מערכת השדה המסורתית. בדרך זו, ניתן ליצור גם לולאות שליטה במהירות גבוהה דרך האוטובוס. כעת ניתן למפות בתוכנה פונקציות שבעבר דרשו תמיכת חומרה ייעודית מקורית. משאבי רוחב הפס העצומים מאפשרים העברת נתוני מצב במקביל לכל נתונים. טכנולוגיית EtherCAT מאפשרת לטכנולוגיית תקשורת להתאים PCS תעשייתיים מודרניים ובעלי ביצועים גבוהים. מערכת האוטובוסים אינה עוד צוואר בקבוק לשליטה ברעיונות. אספקת הנתונים ב-I/O מבוזר עולה על ביצועים שניתן להשיג רק על ידי ממשקי I/O מקומיים.
יתרון ביצועי הרשת הזה ניכר בבקרים קטנים עם כוח מחשוב בינוני יחסית. הלולאה המהירה של EtherCAT, הניתנת לביצוע בין שתי לולאות בקרה. לכן, לבקר תמיד יש את נתוני הקלט העדכניים ביותר הזמינים ועיכוב הכתובת הפלט הוא מינימלי. ניתן לשפר באופן משמעותי את התנהגות התגובה של הבקר מבלי לשפר את כוח המחשוב שלו.
העקרונות של EtherCAT ניתנים להרחבה ואינם מוגבלים ל-100 מגה-ביט של רוחב פס - אפשר להגדיל את ה-Gigabit Ethernet.
EtherCAT מחליף את PCI:
עם האצת הפיתוח של מזעור רכיבי PC, נפח המחשב התעשייתי תלוי בעיקר במספר החריצים הנדרשים.
השימוש ברוחב פס Ethernet מהיר וברוחב פס נתונים של חומרת תקשורת EtherCAT (בקר עבד EtherCAT) פתח אפשרות יישום חדשה: ממשקים הממוקמים בדרך כלל ב-IPC הועברו למסופי ממשק חכמים במערכות EtherCAT. בנוסף ל-I/O מבוזרים, צירים ויחידות בקרה, ניתן לטפל במערכות מורכבות כגון תחנות מאסטר של אוטובוס שדה, ממשקים טוריים במהירות גבוהה, שערים וממשקי תקשורת אחרים באמצעות יציאת Ethernet במחשב. אפילו התקני Ethernet אחרים ללא מגבלות על גרסת פרוטוקול יכולים להיות מחוברים דרך מסופי ה-DVS. גודל מיינפריים למחשב תעשייתי הולך וקטן, העלות יורדת, מספיק ממשק Ethernet כדי להתמודד עם כל משימות התקשורת.
השתמש ב-Ethernet במקום בהתקני אוטובוס שדה PCI (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i וכו') לצורך אינטגרציה באמצעות מסוף ראשי של אוטובוס שדה מבוזר. אי שימוש ב-fieldbus master חוסך חריצי PCI במחשב.
טופולוגיית אוטובוס
אוטובוס, עץ או כוכב: EtherCAT תומך כמעט בכל הטופולוגיות. לפיכך, ניתן להשתמש במבנה האוטובוסים הנגזר מאבוסי שדה גם עבור Ethernet. השילוב של מבני אוטובוס וענפים מועיל במיוחד עבור חיווט מערכת. כל הממשקים ממוקמים על מצמדים, מה שמבטל את הצורך במתגים נוספים. כמובן, אתה יכול גם להשתמש בטופולוגיית Ethernet הכוכבים המסורתית מבוססת מתג.
השימוש בכבלי שידור שונים יכול למקסם את הגמישות של החיווט. כבלי חיבור Ethernet סטנדרטיים גמישים וזולים יכולים להעביר אותות דרך מצב Ethernet (100baseTX) או דרך אפיק E. סיבים אופטיים (Pfos) יכולים לשמש ליישומים מיוחדים. ניתן להשתמש ברוחב פס Ethernet (כגון כבלים אופטיים ונחושת שונים) בשילוב עם מתגים או ממירי מדיה. התכונות הפיזיות של Fast Ethernet מאפשרות להתקנים להיות במרחק של 100 מטרים זה מזה, בעוד שה-E-bus יכול להיות במרחק של 10 מטרים בלבד. ניתן לבחור Ethernet מהיר או E-bus בהתאם לדרישות המרחק. מערכת EtherCAT יכולה להכיל עד 65535 מכשירים, כך שגודל הרשת הכולל הוא כמעט בלתי מוגבל.
אתה יכול לבחור את הטופולוגיה באופן חופשי. לחיווט יש את הגמישות הגדולה ביותר: האם להשתמש במתג, האם השימוש במבנה טופולוגית האוטובוס, או מבנה טופולוגיית העץ, יכול להיות כל שילוב של בחירה. הקצאת כתובת אוטומטית; אין צורך להגדיר כתובת IP.
פְּתִיחוּת
EtherCAT לא רק תואם באופן מלא עם Ethernet, אלא גם בעל תכונת עיצוב פתוחה ייחודית: הוא יכול להתקיים במקביל עם פרוטוקולי Ethernet אחרים המספקים מגוון שירותים, וכולם מתקיימים במקביל על אותו מדיום פיזי - בדרך כלל עם השפעה קטנה בלבד על ביצועי הרשת הכוללים. ניתן לחבר התקני Ethernet סטנדרטיים למערכת EtherCAT דרך מסוף המתג, אשר אינו משפיע על זמני המחזור. ניתן לשלב מכשירים המצוידים בממשק fieldbus מסורתי ברשת באמצעות חיבור למסוף ה-fieldbus הראשי של EtherCAT. גרסת פרוטוקול UDP מאפשרת לשלב מכשירים בכל ממשק חריץ. EtherCAT הוא פרוטוקול פתוח לחלוטין שהוכר כמפרט רשמי של חברת החשמל (IEC/PAS62407).