EtherCAT คืออะไร: สถาปัตยกรรม การทำงาน และแอปพลิเคชัน

EtherCAT ได้รับการพัฒนาครั้งแรกโดย major PLC ผู้ผลิตคือ Beckhoff Automation ซึ่งใช้ในระบบควบคุมแบบเรียลไทม์ & ระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม . Beckhoff Automation ได้พัฒนาเวอร์ชัน Fieldbus ของตนเองเช่น LightBus ในปี 1980 เพื่อแก้ไขปัญหาแบนด์วิดท์สำหรับอินเทอร์เฟซอื่นๆ การทำงานเพิ่มเติมในโปรโตคอลนี้ส่งผลให้เกิดการประดิษฐ์ EtherCAT ในที่สุด Beckhoff เปิดตัวโปรโตคอล EtherCAT ในปี 2546 ทั่วโลก หลังจากนั้น พวกเขาให้สิทธิ์แก่ EtherCAT Technology Group (ETG) ในปี 2547 ETG มีนักพัฒนาและกลุ่มผู้ใช้ที่มีความกระตือรือร้นอย่างมาก บทความนี้กล่าวถึงภาพรวมของ ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับ Ethercat - การทำงานกับแอพพลิเคชั่น

อีเธอร์แคทคืออะไร?

EtherCAT หรือ Ethernet Control Automation Technology เป็นระบบเครือข่ายอุตสาหกรรมที่ขึ้นอยู่กับระบบอีเทอร์เน็ตที่ใช้เพื่อให้ได้การสื่อสารที่รวดเร็วและมีความเชี่ยวชาญมากขึ้น ดังนั้น EtherCAT จึงเป็นเครือข่ายที่รวดเร็วมากในการประมวลผลข้อมูลด้วยฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์เฉพาะ เครือข่ายนี้ใช้การกำหนดค่ามาสเตอร์-สเลฟ ฟูลดูเพล็กซ์กับทุก โทโพโลยีเครือข่าย .

เวลาที่ใช้ในการประมวลผล 1,000 จุด I/O คือ 30 วินาที และสื่อสารกับแกนเซอร์โว 100 แกนภายใน 100 เรา แกนเซอร์โวจะได้รับการตั้งค่าเพื่อควบคุมข้อมูลและรายงานสถานะจริง แกนเหล่านี้ซิงโครไนซ์ผ่านวิธีนาฬิกาแบบกระจายซึ่งเป็นรุ่น IEEE 1588 อย่างง่าย & ลดความกระวนกระวายใจให้ต่ำกว่า 1 เรา EtherCAT ให้ผลลัพธ์ที่รวดเร็ว เนื่องจากข้อความจะถูกประมวลผลภายในฮาร์ดแวร์ก่อนที่จะถูกย้ายไปยังทาสถัดไป

สถาปัตยกรรม EtherCAT

สถาปัตยกรรมเครือข่าย EtherCAT แสดงไว้ด้านล่างซึ่งใช้หลักหลัก/รองในการควบคุมการเข้าถึงสื่อ ในสถาปัตยกรรมนี้ โดยปกติ EtherCAT master เป็นระบบควบคุมที่ใช้พอร์ตอีเทอร์เน็ตทั่วไปรวมถึงข้อมูลการกำหนดค่าเครือข่ายที่จัดเก็บไว้ภายในไฟล์ ENI (EtherCAT Network Information)

ไฟล์ข้อมูลเครือข่าย EtherCAT สร้างขึ้นโดยอิงจากไฟล์ ESI (EtherCAT SlaveInformation) ที่ผู้ค้ามอบให้สำหรับแต่ละอุปกรณ์ ที่นี่โหนดหลักส่งเฟรมไปยังโหนดรองซึ่งสามารถแทรกและลบข้อมูลออกจากเฟรมเหล่านี้ได้ อุปกรณ์สเลฟคือโหนดต่างๆ เช่น มอเตอร์ไดรฟ์ EPOS3 ซึ่งมีพอร์ตอีเทอร์เน็ตเพื่อสื่อสารผ่าน EtherCAT มาสเตอร์ ที่นี่ EtherCAT ต้นแบบเป็นอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ที่ใช้ในการรักษาการสื่อสารข้อมูลระหว่างต้นแบบและทาสที่แตกต่างกัน

EtherCAT ทำงานอย่างไร

EtherCAT ใช้เพื่อเอาชนะข้อบกพร่องทั่วไปของ Industrial Ethernet ผ่านโหมดการทำงานที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งโดยปกติแล้วเฟรมเดียวก็เพียงพอที่จะส่งและรับข้อมูลการควบคุมจากและไปยังโหนดทั้งหมด โปรโตคอล EtherCAT สร้างขึ้นบนฟิสิคัลเลเยอร์ของอีเทอร์เน็ต อย่างไรก็ตาม EtherCAT ใช้วิธีการประมวลผลแบบทันทีสำหรับการขนส่งและการกำหนดเส้นทางข้อความซึ่งเรียกอีกอย่างว่าการสื่อสารแบบทันทีทันใดแทนที่จะใช้ TCP/IP

การกำหนดค่า EtherCAT ต้นแบบและทาสแสดงอยู่ด้านล่าง ในการกำหนดค่านี้ ต้นแบบของ Ethercat จะส่งแพ็กเก็ตข้อมูล (โทรเลข) ไปทั่วทุกสเลฟซึ่งเรียกอีกอย่างว่าโหนด
ฟีเจอร์หลักของ EtherCAT คือสเลฟภายในการกำหนดค่าข้างต้นสามารถอ่านหรือแยกข้อมูลที่เกี่ยวข้องที่จำเป็นจากโทรเลข และเพิ่มข้อมูลไปยังโทรเลขก่อนที่จะย้ายไปยังโหนดที่สองหรือสเลฟ ดังนั้นโทรเลขจะเคลื่อนที่ไปทั่วทาสทั้งหมดที่เชื่อมต่อ & หลังจากนั้นก็กลับมาหาเจ้านาย

โปรโตคอล EtherCAT ส่งโทรเลขจากอุปกรณ์หลักไปยังทาสทั้งหมดที่เชื่อมต่อภายในเครือข่าย สเลฟทุกตัวในเครือข่ายสามารถอ่านข้อมูลที่ใช้ได้กับสเลฟนั้นและสามารถเพิ่มข้อมูลไปยังโทรเลขก่อนที่จะย้ายไปยังโหนดที่สอง

การอ่านและเขียนข้อมูลเปิดใช้งานได้ง่ายๆ ผ่าน ASIC พิเศษบนทุกทาสของ EtherCAT ในแนวทางนี้ ทาสทุกคนจะแนะนำการหน่วงเวลาขั้นต่ำให้กับขั้นตอน และการชนกันนั้นไม่สามารถทำได้

โปรโตคอล EtherCAT ให้การสื่อสารตามเวลาจริงและกำหนดไว้ซึ่งเข้ากันได้กับการควบคุมการเคลื่อนไหวแบบซิงโครไนซ์และแบบหลายแกนโดยไม่ต้องใช้ฮาร์ดแวร์เพิ่มเติมเพื่อให้เกิดการซิงโครไนซ์ระหว่างหลายแกน

ค่าเผื่อความผิดพลาด

ในการกำหนดค่าหลัก & ทาสของ EtherCAT หากเอาต์พุตของโหนดสุดท้ายไม่ได้เชื่อมโยงกับต้นแบบ ข้อมูลจะถูกส่งกลับโดยอัตโนมัติในทิศทางอื่นผ่านโปรโตคอล EtherCAT ดังนั้นการประทับเวลาจะยังคงอยู่

ทุกโหนดในการกำหนดค่าด้านบนจะประทับเวลาของข้อมูลเมื่อได้รับ และหลังจากนั้นจะประทับอีกครั้งเมื่อส่งข้อมูลไปยังโหนดที่สอง ดังนั้น เมื่อใดก็ตามที่มาสเตอร์ได้รับข้อมูลสำรองจากโหนดที่ต่างกัน มันจะกำหนดเวลาแฝงของแต่ละโหนดได้อย่างง่ายดาย การส่งข้อมูลจากต้นแบบจะได้รับการประทับเวลา I/O จากแต่ละโหนด เพื่อทำให้ EtherCAT มีความชัดเจนและแม่นยำยิ่งขึ้น

ความทนทานต่อข้อผิดพลาดหมายถึง เครือข่ายของ EtherCAT ไม่จำเป็นต้องเชื่อมต่อในเครือข่ายวงแหวนตามที่แสดงในแผนภาพด้านบน อย่างไรก็ตาม สามารถเชื่อมต่อได้หลายวิธี เช่น โทโพโลยีแบบต้นไม้ โทโพโลยีแบบเส้น โทโพโลยีแบบวงแหวน โทโพโลยีแบบดาว และด้วย ชุดค่าผสม

แน่นอน ระหว่างทาสกับเจ้านาย ต้องมีช่องทางเชื่อมต่อ เมื่อคุณถอดปลั๊กแล้ว พวกมันจะไม่ทำงาน แม้ว่าโทโพโลยีเครือข่ายจะมีความยืดหยุ่นสูงและทนต่อข้อผิดพลาดได้ในระดับดีเยี่ยม

ในระบบ EtherCAT สวิตช์ไม่จำเป็นเหมือนที่เราพบในอีเทอร์เน็ต ความยาวของสายเคเบิลระหว่างโหนดสูงสุด 100 เมตรสามารถทำได้ สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลแรงดันต่ำบนสายทองแดงคู่บิดเกลียวทำงานที่ความเร็วสูงสุดโดยใช้พลังงานน้อยกว่ามาก ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะใช้สายเคเบิลใยแก้วนำแสง (FOC) เพื่อเพิ่มความเร็วและรวมการแยกด้วยไฟฟ้าระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ

EtherCAT ใช้สายเคเบิลอีเทอร์เน็ตที่มีช่วงสูงสุด 100 ม. ระหว่างสองโหนด นอกจากนี้ โปรโตคอลยังช่วยให้การรับส่งข้อมูลและพลังงานผ่านสายเคเบิลเส้นเดียว การเชื่อมต่อประเภทนี้ใช้เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่างๆ เช่น เซ็นเซอร์ด้วยเส้นเดียว หากระยะห่างของโหนดสูงกว่า 100 ม. ให้ใช้สายไฟเบอร์ออปติกเช่น 100BASE-FX สำหรับ EtherCAT ยังมีช่วงการเดินสายอีเทอร์เน็ตที่สมบูรณ์อีกด้วย

กรอบ EtherCAT

โปรโตคอล EtherCAT ใช้เฟรมอีเทอร์เน็ตทั่วไปซึ่งรวมถึงดาตาแกรมอย่างน้อยหนึ่งรายการขึ้นไป ในเฟรมนี้ ส่วนหัวของดาตาแกรมจะระบุประเภทของการเข้าที่อุปกรณ์หลักต้องการดำเนินการ:

• อ่าน เขียน อ่าน-เขียน.
• สิทธิ์ในการเข้าสู่อุปกรณ์สเลฟเฉพาะผ่านการกำหนดแอดเดรสโดยตรงหรือสิทธิ์ในการเข้าสู่อุปกรณ์สเลฟต่างๆ ผ่านการกำหนดแอดเดรสเชิงตรรกะ

การกำหนดแอดเดรสแบบลอจิคัลใช้สำหรับกระบวนการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบวนซ้ำ โดยที่ดาตาแกรมทุกอันจะระบุส่วนที่แน่นอนของอิมเมจกระบวนการภายในเซ็กเมนต์ของโปรโตคอล EtherCAT

อุปกรณ์สเลฟทุกเครื่องได้รับการจัดสรรด้วยที่อยู่เดียวหรือมากกว่าในพื้นที่ที่อยู่ส่วนกลางนี้ทั่วทั้งเครือข่ายที่สร้างขึ้น สามารถพิจารณาดาตาแกรมเดียวได้หากมีการจัดสรรอุปกรณ์สเลฟหลายตัวภายในภูมิภาคที่คล้ายคลึงกัน

ใน EtherCAT ดาตาแกรมจะรวมข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับการเข้าถึงข้อมูล ดังนั้นอุปกรณ์หลักจึงตัดสินใจได้ว่าเมื่อใดจึงจะเข้าถึงข้อมูลได้

ความปลอดภัยของโปรโตคอล

ในปัจจุบัน ความปลอดภัยเป็นหนึ่งในคุณสมบัติหลักแม้ในด้านระบบอัตโนมัติสำหรับการถ่ายโอนข้อมูลและการสื่อสาร ดังนั้น EtherCAT จึงใช้โปรโตคอล Safety เพื่อความปลอดภัย โดยอนุญาตให้ใช้ระบบสื่อสารเพียงระบบเดียวสำหรับทั้งความปลอดภัยและการควบคุมข้อมูล คุณลักษณะด้านความปลอดภัยนี้ยังปรับเปลี่ยนข้อมูลได้อย่างยืดหยุ่น & ขยายสถาปัตยกรรมระบบความปลอดภัย ฯลฯ

เทคโนโลยีความปลอดภัยของโปรโตคอล EtherCAT ได้รับการรับรองจาก TÜV และได้รับการพัฒนาตามมาตรฐาน IEC 61508 และเหมือนกับ IEC 61784-3 โปรโตคอลนี้ใช้ได้กับการใช้งานด้านความปลอดภัยผ่านระดับความสมบูรณ์ของความปลอดภัยเท่ากับ SIL 3

Ethercat Vs อีเธอร์เน็ต

ความแตกต่างระหว่าง EtherCAT และอีเธอร์เน็ตได้อธิบายไว้ด้านล่าง

Ethercat Vs Profinet

ความแตกต่างระหว่าง EtherCAT และ Profinet มีการอธิบายไว้ด้านล่าง

Ethercat Vs CANopen

ความแตกต่างระหว่าง EtherCAT และ CANopen ได้อธิบายไว้ด้านล่าง

Ethercat Vs Modbus

ความแตกต่างระหว่าง EtherCAT และ Modbus มีการกล่าวถึงด้านล่าง

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดีของโปรโตคอล Ethercat มีดังต่อไปนี้

• EtherCAT เป็น Fieldbus ที่โดดเด่นซึ่งใช้ในแอปพลิเคชันควบคุมการเคลื่อนไหว
• ได้รับการตรวจสอบสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพเครื่องจักรผ่านโทโพโลยีที่ยืดหยุ่น ประสิทธิภาพที่กำหนด และชุดคุณสมบัติที่แตกต่างกัน
• รองรับทั้งตระกูล CANopen และโปรไฟล์ไดรฟ์ของ Sercos ดังนั้น สิ่งนี้จะช่วยให้ผู้ใช้จัดเครือข่าย EtherCAT ให้เข้ากับแอปพลิเคชันได้อย่างง่ายดายโดยการเปลี่ยนโปรไฟล์พื้นฐานที่กำหนดไว้ล่วงหน้า
• ความซ้ำซ้อนยังสามารถทำได้โดยใช้โทโพโลยีแบบวงแหวนEtherCAT ยังใช้ดาว ต้นไม้ เส้น และ โทโพโลยีบัส .
• โปรโตคอลนี้ให้ความเร็วสูง การรับส่งข้อมูลน้อยลง ต้นทุนฮาร์ดแวร์น้อยลง และกลไกการซิงโครไนซ์และความแม่นยำของนาฬิกามากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับอีเธอร์เน็ต
• ความเร็วเครือข่ายนี้ยังสามารถจัดการได้ เนื่องจากคอมพิวเตอร์อาจมีปัญหาในการจัดการจำนวนรอบที่ดีขึ้น ดังนั้นการเพิ่มประสิทธิภาพภายใน EtherCAT สามารถทำได้
• รองรับโทโพโลยีเกือบทั้งหมดเพื่อให้สามารถใช้งานได้หลากหลายด้วยสวิตช์แบบอีเทอร์เน็ตสตาร์โทโพโลยีทั่วไป
• โปรโตคอลอีเทอร์เน็ต มีความปลอดภัยสูง ใช้ต้นแบบที่ง่ายขึ้น พื้นที่ข้อมูลมากขึ้น และการประมวลผลเป็นไปอย่างรวดเร็ว

ข้อเสียของโปรโตคอล Ethercat มีดังต่อไปนี้

• ข้อเสียเปรียบหลักของ EtherCAT คืออุปกรณ์ทาสจำเป็นต้องใส่ฮาร์ดแวร์ ASIC เฉพาะเพื่อดำเนินการ EtherCAT โมเดลข้อมูลมีความแตกต่างอย่างมากและยากที่จะเข้าใจ

แอปพลิเคชั่น

ดิ แอพพลิเคชั่นของ EtherCAT รวมสิ่งต่อไปนี้

• EtherCAT สามารถใช้ได้ในหลายสาขา เนื่องจากมีคุณสมบัติมากมาย เช่น ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ความเรียบง่าย ความทนทาน ความสามารถในการจ่ายได้ การรักษาความปลอดภัยแบบบูรณาการ และโทโพโลยีที่ยืดหยุ่น ใช้ในด้านต่างๆ เช่น เครื่องมือกล วิทยาการหุ่นยนต์ แท่นพิมพ์ เครื่องอัด โรงไฟฟ้า สถานีย่อย ม้านั่งทดสอบ เครื่องเชื่อม เครื่องจักรในฟาร์ม เครนและลิฟต์ กังหันลม เครื่องมิลลิ่ง เครื่องคัดแยกและวาง เครื่องจักรบรรจุภัณฑ์ การวัด ระบบ งานเหล็กและเหล็กกล้า เครื่องจักรผลิตกระดาษและเยื่อกระดาษ ระบบควบคุมเวที ระบบควบคุมอุโมงค์ ฯลฯ
• ใช้ได้กับการวัดอุปกรณ์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ การควบคุมเครื่องจักร เครื่องเคลื่อนที่ ระบบฝังตัวและรถยนต์จำนวนมาก
• มีประสิทธิภาพสูงมาก ติดตั้งง่าย และเปิดโปรโตคอลตามเลเยอร์แอปพลิเคชันที่ใช้ในแอปพลิเคชันอีเทอร์เน็ต
• นี่คือระบบสื่อสารแบบเรียลไทม์และเปิดกว้าง ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตอัตโนมัติ

ดังนั้นนี่คือ ภาพรวมของ Ethercat - การทำงานกับแอพพลิเคชั่น EtherCAT ทำให้ระบบและเครื่องจักรง่ายขึ้น เร็วขึ้น และคุ้มค่ามากขึ้น เป็นมาตรฐาน IEC สากลที่ไม่เพียงแต่หมายถึงความเสถียรเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความเปิดกว้างด้วย: จนถึงขณะนี้ ข้อมูลจำเพาะของ EtherCAT ไม่เคยมีการเปลี่ยนแปลง แต่จะขยายออกไปเพียงเข้ากันได้เท่านั้น EtherCAT ถือเป็น “Ethernet Fieldbus” เนื่องจากได้รวมเอาประโยชน์ของอีเทอร์เน็ตเข้ากับความเรียบง่ายของระบบ Fieldbus มาตรฐาน และหลีกเลี่ยงความซับซ้อนของเทคโนโลยีไอที นี่คือคำถามสำหรับคุณ อีเธอร์เน็ตคืออะไร?