EtherCAT werd in eerste instantie ontwikkeld door een grote PLC's fabrikant namelijk Beckhoff Automation die wordt gebruikt in real-time controlesystemen & industriële automatie . Beckhoff Automation ontwikkelde in de jaren 80 hun eigen Fieldbus-versie zoals LightBus om het probleem van bandbreedte voor andere interfaces aan te pakken. Extra werk aan dit protocol resulteerde uiteindelijk in de EtherCAT-uitvinding. Beckhoff lanceerde in 2003 wereldwijd het EtherCAT-protocol. Daarna droegen ze in 2004 de rechten bij aan de EtherCAT Technology Group (ETG). ETG heeft zowel een zeer actieve ontwikkelaar als een gebruikersgroep. In dit artikel wordt een overzicht gegeven van: Basisprincipes van Ethercat – werken met applicaties.

Wat is een Ethercat?

EtherCAT of Ethernet Control Automation Technology is een industrieel netwerksysteem dat afhankelijk is van het gebruikte Ethernet-systeem om zeer snelle en vaardigere communicatie mogelijk te maken. EtherCAT is dus een zeer snel netwerk dat wordt gebruikt om gegevens te verwerken met speciale hardware en software. Dit netwerk gebruikt een master-slave, full-duplexconfiguratie met elke netwerk topologie .

De tijd die nodig is om 1000 I/O-punten te verwerken is 30 seconden en communiceert met 100 servo-assen binnen 100 ons. Servo-assen krijgen ingestelde waarden om gegevens te controleren en de werkelijke status te rapporteren. Deze assen worden gesynchroniseerd via een gedistribueerde klokmethode die een eenvoudige IEEE 1588-versie is en jitter vermindert tot minder dan 1 us. De EtherCAT levert een snelle output omdat berichten binnen hardware worden verwerkt voordat ze naar de volgende slave worden verplaatst.

EtherCAT-architectuur

Hieronder wordt de EtherCAT-netwerkarchitectuur weergegeven die het master/slave-principe gebruikt voor het regelen van de toegang tot het medium. In deze architectuur is de EtherCAT-master normaal gesproken het besturingssysteem dat gebruikmaakt van een typische Ethernet-poort en van de opgeslagen netwerkconfiguratie-informatie in het ENI-bestand (EtherCAT Network Information).

EtherCAT-architectuur

Het EtherCAT-netwerkinformatiebestand wordt eenvoudig gemaakt op basis van ESI-bestanden (EtherCAT SlaveInformation) die door de handelaren voor elk apparaat worden verstrekt. Hier verzendt het masterknooppunt de frames naar de slave-knooppunten die gegevens uit deze frames kunnen invoegen en verwijderen. Slave-apparaten zijn knooppunten zoals EPOS3-motoraandrijvingen die de Ethernet-poorten bevatten om via een EtherCAT-master te communiceren. Hier is de EtherCAT-master een computerapparaat dat wordt gebruikt om de datacommunicatie tussen de master en verschillende slaves te onderhouden.

Hoe werkt EtherCAT?

EtherCAT wordt gebruikt om de typische fouten van industrieel ethernet te verhelpen door de krachtige bedrijfsmodus, waarbij een enkel frame meestal voldoende is om besturingsgegevens van en naar alle knooppunten te verzenden en ontvangen. Het EtherCAT-protocol is gebouwd op de fysieke laag van Ethernet, maar EtherCAT maakt gebruik van een 'processing-on-the-fly'-benadering voor transport en berichtroutering, ook wel 'communicatie-on-the-fly' genoemd in plaats van TCP/IP te gebruiken.

De EtherCAT-master- en slave-configuraties worden hieronder weergegeven. In deze configuratie stuurt de master van Ethercat een datapakket (telegram) door elke slave, ook wel een node genoemd.
De belangrijkste EtherCAT-functie is dat de slaves binnen de bovenstaande configuratie kunnen lezen. Het telegram beweegt dus door alle aangesloten slaves en komt daarna terug naar de master.

EtherCAT Master & Slave-configuratie

Het EtherCAT-protocol stuurt een telegram van het master-apparaat naar alle slaves die binnen het netwerk zijn aangesloten. Elke slave binnen het netwerk kan eenvoudig gegevens lezen die van toepassing zijn op die slave en kan gegevens toevoegen aan het telegram voordat het naar het tweede knooppunt gaat.

Het lezen en schrijven van gegevens wordt eenvoudig mogelijk gemaakt via een speciale ASIC op elke slave van EtherCAT. In deze benadering zal elke slave een minimale vertraging in de procedure introduceren en zijn botsingen niet haalbaar.

Het EtherCAT-protocol biedt eenvoudig realtime en deterministische communicatie die compatibel is met gesynchroniseerde en meerassige motion control zonder dat er extra hardware nodig is om synchronisatie tussen verschillende assen te bereiken.

Fouttolerantie

Als in de master- en slaveconfiguratie van EtherCAT de uitvoer van het laatste knooppunt niet is gekoppeld aan de master, worden gegevens automatisch in een andere richting geretourneerd via het EtherCAT-protocol. Tijdstempels blijven dus behouden.

“middenspanning vacuüm stroomonderbrekers ”

Elk knooppunt in de bovenstaande configuratie geeft de gegevens een tijdstempel zodra het is verkregen, en daarna wordt het opnieuw gestempeld zodra het naar het tweede knooppunt wordt verzonden. Dus wanneer de master de gegevens van de verschillende knooppunten terugkrijgt, bepaalt het eenvoudig de latentie van elk knooppunt. De overdracht van gegevens van de master verkrijgt een I/O-tijdstempel van elk knooppunt om de EtherCAT veel deterministischer en nauwkeuriger te maken.

Fouttolerantie

De fouttolerantie betekent dat de netwerken van EtherCAT niet in een ringnetwerk hoeven te worden aangesloten zoals weergegeven in het bovenstaande diagram, maar het kan op verschillende manieren worden aangesloten, zoals boomtopologie, lijntopologie, ringtopologie, stertopologie en ook met combinaties.

Natuurlijk moet er tussen de slaves en de master een verbindingsbaan zijn. Als u ze eenmaal loskoppelt, kunnen ze niet werken, hoewel de netwerktopologie zeer flexibel is en fouten tot een uitstekend niveau tolereert.

In EtherCAT-systemen zijn de switches niet nodig, zoals we hebben gevonden in Ethernet. De kabellengtes tussen knooppunten tot 100 meter zijn haalbaar. De differentiële laagspanningssignalering op de getwiste koperen kabels werkt met maximale snelheden met een zeer laag stroomverbruik. Het is dus ook mogelijk om glasvezelkabels (FOC's) te gebruiken om de snelheid te verbeteren en galvanische isolatie tussen apparaten op te nemen.

EtherCAT gebruikt een Ethernet-kabel met een bereik van maximaal 100 m tussen twee knooppunten. Bovendien maakt het protocol datatransmissie en stroom via één kabel mogelijk. Dit soort verbinding wordt gebruikt om verschillende apparaten, zoals sensoren, met een enkele lijn te verbinden. Als de afstand van het knooppunt meer dan 100 m is, wordt glasvezelkabel gebruikt zoals 100BASE-FX. Voor EtherCAT is ook het complete Ethernet-bedradingsassortiment beschikbaar.

EtherCAT-frame

Het EtherCAT-protocol gebruikt een typisch Ethernet-frame dat minimaal één of meer datagrammen bevat. In dit frame zal de datagram-header specificeren wat voor soort invoer het master-apparaat zou willen uitvoeren:

Lezen, schrijven, lezen-schrijven.
Recht van toegang tot een bepaald slave-apparaat door directe adressering of recht van toegang tot verschillende slave-apparaten door logische adressering.

De logische adressering wordt gebruikt voor het proces van cyclische gegevensuitwisseling waarbij elk datagram een exacte fractie van het procesbeeld binnen het segment van het EtherCAT-protocol adresseert.

EtherCAT-frame

Elk slave-apparaat krijgt een of meer adressen toegewezen in deze globale adresruimte in het hele netwerk. Een enkel datagram kan worden overwogen als aan meerdere slave-apparaten adressen zijn toegewezen binnen een vergelijkbare regio.

In EtherCAT bevatten de datagrammen de informatie met betrekking tot gegevenstoegang, waardoor het masterapparaat een beslissing neemt over wanneer toegang tot de gegevens moet worden verkregen.

Protocol Veiligheid

Op dit moment is veiligheid een van de belangrijkste kenmerken, zelfs op het gebied van automatisering voor zowel gegevensoverdracht als communicatie. EtherCAT gebruikt dus het protocol Safety voor beveiligingsdoeleinden door een enig communicatiesysteem toe te staan voor zowel veiligheid als controle van gegevens. Deze veiligheidsfunctie wijzigt ook gegevens flexibel en breidt de architectuur van het beveiligingssysteem uit, enz.

De veiligheidstechnologie van het EtherCAT-protocol is TÜV-gecertificeerd en is ontwikkeld op basis van IEC 61508 en is identiek aan IEC 61784-3. Dit protocol is toepasbaar in veiligheidstoepassingen via een Safety Integrity Level gelijk aan SIL 3.

Ethercat versus Ethernet

De verschillen tussen EtherCAT en Ethernet worden hieronder besproken.

EtherCAT	Ethernet
EtherCAT is een veldbussysteem op basis van Ethernet.	Ethernet is een bekabelde computernetwerktechnologie.
Het is toepasbaar in zowel zachte als harde realtime computervereisten binnen automatiseringstechnologie.	Het is toepasbaar in LAN's, MAN's en WAN's.
Internationale Ethercat-standaard is IEC 61158	De internationale Ethernet-standaard is IEEE-802.3.
Het vereist master/slave-werking.	Het vereist geen master/slave-bediening.
Het heeft een op ring gebaseerde topologie nodig.	Het heeft geen ringgebaseerde topologie nodig.
Het is speciaal geoptimaliseerd voor realtime controle.	Het is niet geoptimaliseerd voor realtime controle.
Het is geoptimaliseerd om gegevensbotsingen te voorkomen.	Het is niet geoptimaliseerd om gegevensbotsingen te voorkomen.

Ethercat versus Profinet

De verschillen tussen EtherCAT en Profinet worden hieronder besproken.

EtherCAT	Profinet
EtherCAT is een type protocol dat wordt gebruikt om de flexibiliteit en de kracht van Ethernet naar industriële automatisering, realtime besturingssystemen, motion control en data-acquisitiesystemen te brengen.	Profinet is een communicatieprotocol dat wordt gebruikt om gegevens uit te wisselen tussen controllers en apparaten.
EtherCAT biedt een open oplossing tegen zeer lage kosten in vergelijking met zowel PROFINET IRT als SERCOS III.	Profinet biedt geen open oplossing tegen veel lagere kosten.
De responstijd is 0,1 ms.	De reactietijd is <1ms.
Ethercat-jitter is < 0,1 ms.	Profinet-jitter is < 1ms.

Ethercat versus CANopen

De verschillen tussen EtherCAT en CANopen worden hieronder besproken.

EtherCAT	Kan openen
De bussnelheid in Ethercat is 100 Mbps.	De bussnelheid in CANopen is 1 Mbps.
De overdrachtsmodus die in Ethercat wordt gebruikt, is een full-duplex.	De overdrachtsmodus die in CANopen wordt gebruikt, is half duplex.
Determinisme of jitter tussen apparaten is laag als 1ns.	Determinisme of jitter tussen apparaten is normaal gesproken 100 tot 200 ns.
Een enkele master wordt gebruikt met een of meerdere slaves.	Single/multi-master wordt gebruikt met één of meerdere slaves.
De maximale afstand tussen apparaten is 100 meter.	De maximale afstand tussen apparaten hangt vooral af van de snelheid van de bus.
De communicatiepoort die als secundaire poort wordt gebruikt, is een USB.	De communicatiepoort die als secundair wordt gebruikt, is RS232.

Ethercat versus Modbus

De verschillen tussen EtherCAT en Modbus worden hieronder besproken.

EtherCAT	Modbus “hoe maak je een zonnekoker thuis? ”
EtherCAT is een veldbussysteem op basis van Ethernet.	Modbus is een protocol voor seriële datacommunicatie
Het maakt gebruik van het processing on the fly-principe.	Het maakt gebruik van karakter seriële communicatielijnen.
EtherCAT is gebaseerd op het master- en slavemodel.	Modbus is gebaseerd op een request-response-model.
Het ondersteunt alle netwerktopologieën bijna.	Het ondersteunt alleen lijn- en stertopologieën.
Ethercat is deterministisch.	Modbus is niet deterministisch omdat het gebaseerd is op TCP.

Voor-en nadelen

De voordelen van het Ethercat-protocol omvatten de volgende.

EtherCAT is een uitstekende veldbus die wordt gebruikt in motion control-toepassingen.
Het is geverifieerd voor het optimaliseren van machineprestaties door zijn flexibele topologie, deterministische prestaties en verschillende reeks functies.
Het ondersteunt gewoon de hele CANopen-familie en het aandrijfprofiel van Sercos. Dit helpt de gebruikers dus om EtherCAT-netwerken eenvoudig op de exacte toepassing af te stemmen door vooraf gedefinieerde fundamentele profielen te wijzigen.
De redundantie is ook mogelijk met behulp van een ringtopologie. EtherCAT gebruikt ook ster, boom, lijn en bustopologie .
Dit protocol biedt hoge snelheid, minder dataverkeer, minder hardwarekosten en meer precisie en synchronisatiemechanisme van de klok in vergelijking met Ethernet.
Deze netwerksnelheid kan ook worden beheerd omdat de computers problemen kunnen hebben met het verwerken van het grotere aantal cycli, waardoor de optimalisatie binnen EtherCAT haalbaar is.
Het ondersteunt bijna alle topologieën, zodat het kan worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen met de typische op Ethernet-stertopologie gebaseerde switch.
Ethernet-protocollen zijn zeer veilig, gebruiken vereenvoudigde masters, dataruimte is meer en verwerking is on the fly.

Nadelen van het Ethercat-protocol zijn de volgende.

Het belangrijkste nadeel van EtherCAT is dat slave-apparaten een specifieke ASIC-hardware nodig hebben om EtherCAT uit te voeren. Het datamodel is extreem verschillend en ook erg moeilijk te begrijpen.

Toepassingen

De toepassingen van EtherCAT omvatten het volgende.

De EtherCAT is toepasbaar op verschillende gebieden vanwege vele functies zoals uitstekende prestaties, eenvoud, robuustheid, betaalbaarheid, geïntegreerde beveiliging en flexibele topologie. Het wordt gebruikt in verschillende gebieden, zoals werktuigmachines, robotica, drukpersen, persen, energiecentrales, onderstations, testbanken, lasmachines, landbouwmachines, kranen en liften, windturbines, freesmachines, pick-and-place-machines, verpakkingsmachines, metingen installaties, ijzer- en staalfabrieken, papier- en pulpmachines, toneelbesturingssystemen, tunnelbesturingssystemen, enz.
Het is toepasbaar bij het meten van apparatuur, medische apparaten, machinebesturing, mobiele machines, talrijke embedded systemen en auto's.
Het heeft extreem hoge prestaties, is eenvoudig te installeren en een op applicatielaag gebaseerd protocol dat wordt gebruikt in Ethernet-applicaties
Dit is een realtime en open communicatiesysteem dat zo veel wordt gebruikt in de automatiseringsproductie.

Dit is dus een overzicht van Ethercat – werken met applicaties. EtherCAT maakt systemen en machines eenvoudiger, sneller en kosteneffectiever. Het is een internationale IEC-standaard die niet uitsluitend staat voor stabiliteit, maar ook voor openheid: tot nu toe zijn de EtherCAT-specificaties nooit gewijzigd, maar alleen compatibel uitgebreid. EtherCAT wordt beschouwd als de 'Ethernet Fieldbus' omdat het de Ethernet-voordelen combineert met de eenvoud van standaard Fieldbus-systemen en de complexiteit van IT-technologieën vermijdt. Hier is een vraag voor u, wat is Ethernet?