EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) est un système de bus de terrain Ethernet à haute performance largement utilisé dans l'automatisation industrielle. Il est conçu pour faciliter la communication en temps réel entre les contrôleurs logiques programmables (PLC) et divers appareils d'automatisation. Ses caractéristiques uniques le rendent idéal pour les réseaux PLC à haute vitesse où le timing et la fiabilité sont critiques.

Qu'est-ce qu'EtherCAT?

EtherCAT est un protocole Ethernet ouvert qui permet de surmonter les limites de l'Ethernet traditionnel dans les applications industrielles en temps réel. Ethernet standard utilise un mécanisme de sondage maître-esclave, où le maître doit envoyer un cadre à chaque esclave et attendre une réponse, ce qui entraîne une latence significative à mesure que le nombre d'esclaves augmente. EtherCAT retourne ce modèle en utilisant une technique de traitement sur vol. Le maître envoie un seul cadre Ethernet qui voyage à travers tous les esclaves connectés; chaque esclave lit et écrit ses données pendant que le cadre passe, et le cadre est ensuite retourné au maître. Cette approche peut atteindre des temps de cycle aussi bas que 100 microsecondes (μs) avec jitter bien en dessous de 1 μs.

Le protocole a été introduit par Beckhoff Automation en 2003 et normalisé comme IEC 61158. Il prend en charge la communication à la fois duplex et semi-duplex sur les câbles Ethernet standard (Cat5e ou mieux). Parce qu'EtherCAT utilise le matériel Ethernet standard à la couche physique, il s'intègre parfaitement à l'infrastructure informatique existante tout en offrant les performances déterministes nécessaires pour le contrôle des mouvements, la robotique et l'automatisation à grande vitesse.

L'architecture du protocole EtherCAT

EtherCAT est construit sur un modèle à trois couches qui se compare au modèle de référence OSI : la couche physique, la couche de liaison de données et la couche d'application.

Couche physique

EtherCAT utilise des composants de couches physiques Ethernet standard (100BASE-TX ou 100BASE-FX) fonctionnant à 100 Mbit/s duplex complet. Il prend en charge des câbles de paires torsadées en cuivre pour des distances allant jusqu'à 100 m par segment et des connexions fibre optique pour des durées plus longues. Le protocole peut également être utilisé avec 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) dans les implémentations EtherCAT G, offrant des performances encore plus élevées.

Couche de lien de données

Chaque périphérique esclave contient une puce de contrôleur d'esclaves (ESC) d'EtherCAT qui lit le cadre Ethernet entrant, extrait ou insère des données à sa position assignée, et la transmet à l'esclave suivant. Le cadre n'est pas stocké et transmis; il est modifié en temps réel au fur et à mesure qu'il passe à travers le matériel de l'esclave. Cela permet de compléter l'ensemble du cycle en une fraction de milliseconde, quel que soit le nombre d'esclaves. Le maître envoie un télégramme unique qui peut traiter des milliers de points d'entrée/sortie numériques ou de paramètres de lecteur complexes.

Pour maintenir la synchronisation entre les appareils, EtherCAT met en œuvre un mécanisme d'horloge distribuée. Une horloge de référence dans le maître est automatiquement propagée à tous les esclaves, obtenant une précision de synchronisation supérieure à 1 μs. Ceci est essentiel pour le contrôle de mouvement multi-axes, où le mouvement coordonné nécessite un timing précis.

Couche d'application

Sur la couche de liaison de données, la couche d'application EtherCAT utilise un profil de périphérique de type CANopen (le « CoE » – CANopen sur EtherCAT) ou un profil de lecteur de servo (SoE – Sercos sur EtherCAT) pour décrire les paramètres de l'appareil et les objets de communication. La couche d'application gère les objets de données de processus (AOP) pour les objets de données d'échange et de service cycliques (SDO) pour la paramétrisation acyclique.

Principales caractéristiques et avantages pour les réseaux de CPL à grande vitesse

EtherCAT offre une combinaison de fonctionnalités qui le distinguent des autres bus de terrain et protocoles Ethernet industriels. L'article original énumérait quatre fonctionnalités clés; nous élargissons sur chacune ici.

Haute vitesse et temps de cycle bas

EtherCAT peut mettre à jour des milliers de points d'entrée/sortie distribués dans 30 μs – beaucoup plus rapidement que les bus de terrain traditionnels comme PROFIBUS ou DeviceNet. Pour les applications de contrôle de mouvement, les temps de cycle typiques varient de 50 à 250 μs. Cela permet aux PLC de fermer les boucles de contrôle à haute bande sans sacrifier la capacité de traitement.

Communication déterministe et prévisible

Le déterminisme garantit que les données arrivent dans un délai maximum garanti. Parce qu'EtherCAT utilise toujours un seul cadre par cycle (ou un nombre fixe de cadres), le timing est entièrement prévisible. Jitter – la variation de l'heure d'arrivée – est généralement inférieure à 1 μs. Cette prévisibilité est essentielle pour des opérations synchronisées comme les machines d'emballage, où plusieurs axes doivent se déplacer en parfaite coordination.

Scalabilité sans perte de performance

Dans de nombreux protocoles réseau, ajouter plus d'appareils augmente le temps de cycle parce que le maître doit effectuer un sondage individuel de chaque appareil. Le mécanisme de traitement à la volée d'EtherCAT signifie que l'ajout d'esclaves n'augmente pas significativement le temps de cycle, tant que le volume total de données s'intègre à un seul cadre Ethernet (généralement jusqu'à 1500 octets plus des cadres jumbo optionnels).

Topologie flexible et intégration facile

Dans une topologie en ligne, chaque appareil dispose de deux ports Ethernet – un pour l'entrée et un pour l'entrée – ce qui rend le câblage simple et rentable. Les topologies Star peuvent être créées à l'aide de commutateurs Ethernet standard, mais les commutateurs introduisent un certain retard. Les topologies Ring fournissent une redondance : si un câble se brise, le cadre se déplace simplement dans la direction opposée. Le protocole prend également en charge l'intégration avec les appareils Ethernet conventionnels via un pont ou une passerelle.

Rentabilité et réduction du câblage

Parce qu'EtherCAT utilise des câbles et des connecteurs Ethernet standard, aucun matériel propriétaire coûteux n'est nécessaire. L'approche de traitement à la volée réduit le besoin de commutateurs actifs dans de nombreuses topologies, réduisant les coûts d'infrastructure.

Applications dans les réseaux de PLC à grande vitesse

EtherCAT est déployé dans un large éventail d'industries où le contrôle à grande vitesse et déterministe est obligatoire. Ci-dessous sont quelques-uns des domaines d'application les plus courants.

Robotique et automatisation de la fabrication

Les robots industriels nécessitent une coordination précise de plusieurs axes avec une faible latence. Les temps de cycle sous-milliseconde d'EtherCAT et les horloges distribuées permettent de contrôler le mouvement synchronisé à travers les articulations d'un robot, ainsi qu'entre plusieurs robots dans une cellule de travail.

Systèmes de contrôle des mouvements

Les applications de contrôle de mouvement haut de gamme – comme les machines CNC, les presses d'impression et les équipements d'emballage – reposent sur EtherCAT pour l'interpolation et la rétroaction multiaxes. Le protocole prend en charge les boucles de contrôle de position et de couple, et sa nature déterministe permet au PLC de calculer des trajectoires et d'envoyer des points de consigne en temps réel sans bâillonnement.

Emballage et manutention des matériaux

Dans les machines d'emballage, les vitesses peuvent dépasser 1000 paquets par minute. Les réseaux EtherCAT synchronisent les convoyeurs, les charges, les scelleurs et les postes d'étiquetage.

Impression et conversion

Les presses d'impression nécessitent un enregistrement extrêmement serré entre les couleurs, souvent à quelques micromètres. Les horloges distribuées d'EtherCAT et les jitters bas permettent une synchronisation précise des cylindres d'impression et de la commande de tension du web.

Industries de l'énergie et des procédés

Bien que souvent associés à une fabrication discrète, EtherCAT est également utilisé dans la gestion de l'énergie et les applications de contrôle des processus. Par exemple, les éoliennes utilisent EtherCAT pour surveiller le tangage des pales et le couple du générateur en temps réel.

EtherCAT vs. Autres protocoles Ethernet industriels

Plusieurs protocoles Ethernet industriels concurrents existent, chacun avec des forces et des faiblesses. La comparaison d'EtherCAT avec ses pairs aide les ingénieurs à choisir la technologie appropriée pour leur réseau PLC à grande vitesse.

EtherCAT c. PROFINET

PROFINET est un autre standard Ethernet en temps réel populaire, en particulier dans l'automatisation européenne. PROFINET utilise une approche différente : il s'appuie sur des commutateurs Ethernet standard et priorise les cadres en temps réel en utilisant des mécanismes de qualité de service (QoS). Sa classe RT (Real-Time) peut atteindre des temps de cycle d'environ 1 ms, et sa classe IRT (Isochronous Real-Time) peut atteindre 250 μs avec des commutateurs spéciaux. EtherCAT réalise généralement des temps de cycle plus faibles et des jitters plus faibles que PROFINET IRT, et ne nécessite pas de commutateurs gérés.

EtherCAT c. EtherNet/IP

EtherNet/IP est largement utilisé en Amérique du Nord et repose sur des piles TCP/UDP/IP standard. Il prend en charge à la fois la messagerie cyclique (I/O) et acyclique (configuration), mais ses performances sont limitées par les frais généraux du traitement TCP/IP. Les temps de cycle typiques sont de 1 à 10 ms, ce qui rend EtherNet/IP inapproprié pour le contrôle de mouvement à grande vitesse. EtherCAT est des commandes de magnitude plus rapides et offre un comportement déterministe que EtherNet/IP ne peut pas assortir sans accélérateurs matériels.

EtherCAT c. Sercos III

Sercos III est un protocole Ethernet industriel à haute performance développé à l'origine pour le contrôle des mouvements. Comme EtherCAT, il réalise des temps de cycle sous-milliseconde et supporte la redondance des anneaux. Cependant, Sercos III utilise une structure de cadre différente et nécessite des puces de contrôleur spécifiques. EtherCAT possède un écosystème de dispositifs plus large et une communauté d'utilisateurs plus grande, ce qui entraîne souvent des coûts plus faibles et une disponibilité plus facile des composants.

Mise en œuvre d'EtherCAT dans votre réseau PLC

Déployer EtherCAT exige une planification minutieuse du matériel, de la topologie et de la configuration.

Exigences relatives au matériel

Un réseau EtherCAT est composé d'un master (généralement un PLC ou un PC industriel) et d'un ou plusieurs slaves[ (drives, modules d'entrée/sortie, encodeurs, etc.). Le maître doit avoir un port Ethernet qui supporte EtherCAT – la plupart des contrôleurs industriels modernes ont des interfaces EtherCAT intégrées ou peuvent utiliser des adaptateurs PCIe/ExpressCard. Les esclaves doivent contenir une puce EtherCAT Slave Controller (ESC) qui gère la logique de traitement à la volée.

Conception topologique

Pour la plupart des réseaux à haute vitesse, une topologie line est la plus simple et la plus rentable. Chaque appareil est enchaîné en marguerite avec deux ports Ethernet. Assurez-vous que la longueur totale du câble entre les appareils ne dépasse pas 100 m. Pour des distances plus longues, utilisez des convertisseurs de médias fibre optique. Les topologies de l'anneau sont recommandées pour les applications critiques pour la mission; elles permettent une redondance automatique en permettant au cadre de parcourir les deux directions de l'anneau.

Configuration et mise en service

Les outils de configuration fournis par le fabricant maître EtherCAT (par exemple TwinCAT de Beckhoff, CODESYS ou des outils tiers) gèrent la numérisation réseau, la paramétration de l'appareil et la cartographie d'E/S. Le maître détecte automatiquement tous les esclaves du réseau et attribue des adresses en fonction de leur position physique (ou d'une topologie fixe). L'utilisateur map ensuite les objets de données (PDO) de traitement vers les variables PLC. Des fonctionnalités avancées comme les horloges distribuées, la redondance de câble et les chronomètres de veille sont configurées dans ces outils.

Dépannage et entretien

Comme EtherCAT utilise des câbles Ethernet standard, les problèmes courants comprennent les connecteurs lâches, les fils cassés ou les interférences électromagnétiques. La plupart des outils principaux fournissent des informations diagnostiques telles que les erreurs de cadre, les télégrammes manqués et l'état des esclaves. Pour les diagnostics avancés, utilisez un analyseur de bus EtherCAT (par exemple, de Beckhoff ou de tiers) pour capturer et décoder les cadres.

L'avenir d'EtherCAT dans les réseaux de CPL à grande vitesse

L'introduction de EtherCAT G[ étend le protocole aux vitesses Ethernet Gigabit (1000 Mbit/s), permettant des temps de cycle encore plus courts et un support pour des applications à forte intensité de données comme les systèmes de vision haute résolution et les scanners laser 3D. EtherCAT G reste entièrement compatible avec les appareils EtherCAT standard, en préservant les investissements existants.

Une autre tendance est l'intégration d'EtherCAT avec Time-sensitive Networking (TSN)[, une norme IEEE qui fournit une communication déterministe sur les réseaux Ethernet standard. TSN peut relier les segments EtherCAT avec d'autres protocoles Ethernet industriels, permettant des réseaux convergents qui transportent le trafic de contrôle en temps réel aux côtés du trafic IT standard.

De plus, l'augmentation du calcul de bord et l'analyse en nuage nécessiteront des réseaux PLC à haute vitesse pour alimenter les données en systèmes de niveau supérieur. La faible latence et le timing précis d'EtherCAT en font un protocole de front-end idéal pour les architectures IoT industrielles, où les données horodatées de milliers de capteurs doivent être agrégées et traitées.

Conclusion

L'architecture de traitement à la volée réduit considérablement les temps de cycle, tandis que les horloges distribuées assurent la synchronisation entre les appareils. De la robotique et du contrôle des mouvements à la gestion des emballages et de l'énergie, EtherCAT permet des applications qui étaient auparavant impossibles avec les bus de terrain traditionnels. Lorsqu'elle compare les protocoles, EtherCAT offre les meilleures performances pour les applications exigeantes en temps réel, et sa norme ouverte assure un large soutien aux fournisseurs.

Pour plus d'information, visitez le site officiel EtherCAT Technology Group et la documentation de Beckhoff TwinCAT.