Qué es un EtherCAT: arquitectura, funcionamiento y sus aplicaciones

EtherCAT fue desarrollado en primer lugar por un importante PLC fabricante a saber, Beckhoff Automation, que se utiliza en sistemas de control en tiempo real y automatización industrial . Beckhoff Automation desarrolló su propia versión Fieldbus como LightBus en la década de 1980 para abordar el problema del ancho de banda para otras interfaces. El trabajo adicional en este protocolo finalmente resultó en la invención de EtherCAT. Beckhoff lanzó el protocolo EtherCAT en 2003 en todo el mundo. Después de eso, aportaron los derechos a EtherCAT Technology Group (ETG) en 2004. ETG tiene un desarrollador extremadamente activo, así como un grupo de usuarios. Este artículo analiza una descripción general de Conceptos básicos de Ethercat – trabajar con aplicaciones.

¿Qué es un Ethercat?

EtherCAT o Ethernet Control Automation Technology es un sistema de red industrial que depende del sistema Ethernet utilizado para lograr comunicaciones muy rápidas y eficientes. Entonces, EtherCAT es una red muy rápida que se usa para procesar datos con hardware y software dedicados. Esta red utiliza una configuración de dúplex completo maestro-esclavo con cualquier topología de la red .

El tiempo necesario para procesar 1000 puntos de E/S es de 30 segundos y se comunica con 100 servoejes en 100 us. Los servoejes obtendrán valores establecidos para controlar los datos e informar el estado real. Estos ejes se sincronizan a través de un método de reloj distribuido que es una versión simple de IEEE 1588 y reduce el jitter por debajo de 1 us. El EtherCAT ofrece una salida rápida porque los mensajes se procesan dentro del hardware antes de pasar al siguiente esclavo.

Arquitectura EtherCAT

A continuación se muestra la arquitectura de red EtherCAT que utiliza el principio maestro/esclavo para controlar el acceso al medio. En esta arquitectura, el maestro EtherCAT es normalmente el sistema de control que utiliza un puerto Ethernet típico, así como la información de configuración de red almacenada en el archivo ENI (Información de red EtherCAT).

El archivo de información de la red EtherCAT se crea simplemente en base a los archivos ESI (EtherCAT SlaveInformation) proporcionados por los comerciantes para cada dispositivo. Aquí, el nodo maestro transmite las tramas a los nodos esclavos que pueden insertar y eliminar datos de estas tramas. Los dispositivos esclavos son nodos como los controladores de motor EPOS3 que contienen los puertos Ethernet para comunicarse a través de un maestro EtherCAT. Aquí, el maestro EtherCAT es un dispositivo informático que se utiliza para mantener la comunicación de datos entre el maestro y los diferentes esclavos.

¿Cómo funciona EtherCAT?

EtherCAT se usa para superar las fallas típicas de Industrial Ethernet a través de su modo de operación de alto rendimiento, donde generalmente un solo marco es suficiente para transmitir y recibir datos de control desde y hacia todos los nodos. El protocolo EtherCAT se basa en la capa física de Ethernet; sin embargo, EtherCAT utiliza un enfoque de procesamiento sobre la marcha para el enrutamiento de mensajes y transporte que también se denomina comunicación sobre la marcha en lugar de utilizar TCP/IP.

Las configuraciones de maestro y esclavo de EtherCAT se muestran a continuación. En esta configuración, el maestro de Ethercat transmite un paquete de datos (telegrama) a través de cada esclavo, que también se denomina nodo.
La característica principal de EtherCAT es que los esclavos dentro de la configuración anterior pueden leer, de lo contrario, extraer simplemente los datos relacionados requeridos del telegrama y agregar información al telegrama antes de que se mueva al segundo nodo o esclavo. Entonces, el telegrama se mueve a través de todos los esclavos conectados y luego regresa al maestro.

El protocolo EtherCAT envía un telegrama desde el dispositivo maestro a todos los esclavos conectados dentro de la red. Cada esclavo dentro de la red puede simplemente leer los datos aplicables a ese esclavo y puede agregar datos al telegrama antes de que pase al segundo nodo.

La lectura y escritura de datos se habilita simplemente a través de un ASIC especial en cada esclavo de EtherCAT. En este enfoque, cada esclavo introducirá un retraso mínimo en el procedimiento y las colisiones no son factibles.

El protocolo EtherCAT simplemente proporciona una comunicación determinista y en tiempo real que es compatible con el control de movimiento sincronizado y de varios ejes sin necesidad de hardware adicional para lograr la sincronización entre varios ejes.

Tolerancia a fallos

En la configuración maestro y esclavo de EtherCAT, si la salida del último nodo no está aliada al maestro, los datos se devuelven automáticamente en otra dirección a través del protocolo EtherCAT. Por lo tanto, se mantiene el sellado de tiempo.

Cada nodo en la configuración anterior marca la fecha y hora de los datos una vez que se obtienen y, después de eso, vuelve a marcar una vez que los transmite al segundo nodo. En consecuencia, cada vez que el maestro recupera los datos de los diferentes nodos, determina fácilmente la latencia de cada nodo. La transmisión de datos desde el maestro obtiene una marca de tiempo de E/S de cada nodo para hacer que el EtherCAT sea mucho más determinista y preciso.

La tolerancia a fallas significa que las redes de EtherCAT no tienen que estar conectadas en una red de anillo como se muestra en el diagrama anterior, sin embargo, se puede conectar de diferentes maneras, como topología de árbol, topología de línea, topología de anillo, topología de estrella y también con combinaciones

Por supuesto, entre los esclavos y el maestro, tiene que haber un carril de conexión. Una vez que los desconecta, no pueden funcionar, aunque la topología de la red es muy flexible y tolera los errores a un nivel excelente.

En los sistemas EtherCAT no son necesarios los switches como los que hemos encontrado en Ethernet. Se pueden lograr longitudes de cable entre nodos de hasta 100 metros. La señalización diferencial de baja tensión en los cables de cobre de par trenzado funciona a máximas velocidades con un consumo energético muy reducido. Por lo tanto, también es factible utilizar cables de fibra óptica (FOC) para mejorar la velocidad e incluir aislamiento galvánico entre dispositivos.

EtherCAT utiliza un cable Ethernet que puede tener un alcance de hasta 100 m entre dos nodos. Además, el protocolo permite la transmisión de datos y la alimentación a través de un cable. Este tipo de conexión se utiliza para conectar diferentes dispositivos como sensores con una sola línea. Si la distancia del nodo es superior a 100 m, se utiliza el cable de fibra óptica como 100BASE-FX. Para EtherCAT, también está disponible la gama completa de cableado Ethernet.

Marco EtherCAT

El protocolo EtherCAT utiliza una trama típica de Ethernet que incluye un mínimo de uno o más datagramas. En este marco, el encabezado del datagrama especificará qué tipo de entrada le gustaría realizar al dispositivo maestro:

• Leer, escribir, leer-escribir.
• Derecho de entrada a un dispositivo esclavo en particular a través de direccionamiento directo o derecho de entrada a varios dispositivos esclavos a través de direccionamiento lógico.

El direccionamiento lógico se utiliza para el proceso de intercambio de datos cíclico donde cada datagrama se dirige a una fracción exacta de la imagen del proceso dentro del segmento del protocolo EtherCAT.

A cada dispositivo esclavo se le asigna una o más direcciones en este espacio de direcciones global en toda la red establecida. Se puede considerar un único datagrama si se asignan direcciones a varios dispositivos esclavos dentro de una región similar.

En EtherCAT, los datagramas incluyen la información relacionada con el acceso a los datos, por lo que el dispositivo maestro toma una decisión sobre cuándo acceder a los datos.

Protocolo de Seguridad

En la actualidad, la seguridad es una de las principales características incluso en el campo de la automatización tanto para la transferencia de datos como para la comunicación. Por lo tanto, EtherCAT utiliza el protocolo Safety con fines de seguridad al permitir un único sistema de comunicación tanto para la seguridad como para el control de los datos. Esta función de seguridad también modifica los datos de forma flexible y amplía la arquitectura del sistema de seguridad, etc.

La tecnología de seguridad del protocolo EtherCAT está certificada por TÜV y se desarrolló en base a IEC 61508 y es idéntica a IEC 61784-3. Este protocolo es aplicable en aplicaciones de seguridad a través de un Nivel de Integridad de Seguridad igual a SIL 3.

Ethercat frente a Ethernet

Las diferencias entre EtherCAT y Ethernet se analizan a continuación.

Ethercat vs Profinet

Las diferencias entre EtherCAT y Profinet se analizan a continuación.

Ethercat frente a CANopen

Las diferencias entre EtherCAT y CANopen se analizan a continuación.

Ethercat frente a Modbus

Las diferencias entre EtherCAT y modbus se discuten a continuación.

Ventajas y desventajas

Las ventajas del protocolo Ethercat incluyen lo siguiente.

• EtherCAT es un excelente Fieldbus utilizado en aplicaciones de control de movimiento.
• Se verifica para optimizar el rendimiento de la máquina a través de su topología flexible, rendimiento determinista y un conjunto diferente de características.
• Simplemente es compatible con toda la familia CANopen y el perfil de accionamiento de Sercos. Esto ayuda a los usuarios a organizar fácilmente las redes EtherCAT para la aplicación exacta cambiando los perfiles fundamentales predefinidos.
• Su redundancia también es posible usando una topología de anillo. EtherCAT también usa estrella, árbol, línea y topología del bus .
• Este protocolo proporciona alta velocidad, menos tráfico de datos, menos costo de hardware y más precisión y mecanismo de sincronización del reloj en comparación con Ethernet.
• Esta velocidad de red también se puede administrar porque las computadoras pueden tener problemas para manejar la mejor cantidad de ciclos, por lo que se puede lograr la optimización dentro de EtherCAT.
• Es compatible con casi todas las topologías, por lo que se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones con el típico conmutador basado en topología de estrella de Ethernet.
• Protocolos Ethernet son muy seguros, utilizan maestros simplificados, el espacio de datos es mayor y el procesamiento se realiza sobre la marcha.

Las desventajas del protocolo Ethercat incluyen lo siguiente.

• El principal inconveniente de EtherCAT es que los dispositivos esclavos requieren insertar un hardware ASIC específico para ejecutar EtherCAT. Su modelo de datos es extremadamente diferente y también muy difícil de entender.

Aplicaciones

los aplicaciones de EtherCAT Incluya lo siguiente.

• EtherCAT es aplicable en diferentes campos debido a muchas características como excelente rendimiento, simplicidad, robustez, asequibilidad, seguridad integrada y topología flexible. Se utiliza en diferentes campos como máquinas herramienta, robótica, imprentas, prensas, centrales eléctricas, subestaciones, bancos de prueba, máquinas de soldadura, maquinaria agrícola, grúas y ascensores, turbinas eólicas, fresadoras, máquinas Pick and Place, máquinas de embalaje, medición. siderurgia, máquinas de papel y pulpa, sistemas de control de escenarios, sistemas de control de túneles, etc.
• Es aplicable en la medición de equipos, dispositivos médicos, control de máquinas, máquinas móviles, numerosos sistemas integrados y automóviles.
• Tiene un rendimiento extremadamente alto, es fácil de instalar y un protocolo basado en la capa de aplicación abierta que se utiliza en las aplicaciones Ethernet.
• Este es un sistema de comunicación abierto y en tiempo real, muy utilizado en la fabricación de automatización.

Así, esto es una descripción general de Ethercat – trabajar con aplicaciones. EtherCAT hace que los sistemas y las máquinas sean más simples, rápidos y rentables. Es un estándar IEC internacional que no solo representa estabilidad, sino también apertura: hasta ahora, las especificaciones de EtherCAT nunca se han modificado, sino que solo se han ampliado de manera compatible. EtherCAT se considera como el 'Ethernet Fieldbus' ya que combina los beneficios de Ethernet con la simplicidad de los sistemas Fieldbus estándar y evita la complejidad de las tecnologías de TI. Aquí hay una pregunta para usted, ¿qué es Ethernet?