EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) è un sistema di fieldbus basato su Ethernet ad alte prestazioni ampiamente utilizzato nell'automazione industriale. È progettato per facilitare la comunicazione in tempo reale tra i controller di logica programmabili (PLC) e vari dispositivi di automazione. Le sue caratteristiche uniche lo rendono ideale per reti PLC ad alta velocità dove tempi e affidabilità sono fondamentali. Originariamente sviluppato da Beckhoff Automation, EtherCAT è diventato uno standard aperto gestito da aziende di oggigiorno.

Cos'è EtherCAT?

EtherCAT è un protocollo basato su Ethernet aperto che supera i limiti della tradizionale Ethernet nelle applicazioni in tempo reale industriale. Standard Ethernet utilizza un meccanismo di controllo master-slave, dove il master deve inviare una cornice a ogni schiavo e aspettare una risposta, con conseguente latenza significativa come aumenta il numero di slave.

Il protocollo è stato introdotto da Beckhoff Automation nel 2003 e standardizzato come IEC 61158. Supporta sia la comunicazione full-duplex che semi-duplex sui cavi Ethernet standard (Cat5e o meglio). Perché EtherCAT utilizza hardware Ethernet standard a livello fisico, si integra perfettamente con l'infrastruttura IT esistente, offrendo le prestazioni deterministiche necessarie per il controllo del movimento, la robotica e l'automazione ad alta velocità.

Architettura del protocollo EtherCAT

EtherCAT è costruito su un modello a tre strati che mappa il modello di riferimento OSI: lo strato fisico, lo strato di collegamento dati e lo strato di applicazione.

Layer fisico

EtherCAT utilizza componenti standard a livello fisico Ethernet (100BASE-TX o 100BASE-FX) che operano a 100 Mbit/s full-duplex. Supporta cavi in rame contorto-pair per distanze fino a 100 m per segmento e connessioni in fibra ottica per più lunghe run. Il protocollo può essere utilizzato anche con 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) nelle implementazioni EtherCAT G, offrendo prestazioni ancora più elevate.

Lo strato di collegamento dati EtherCAT è dove avviene la magia del trattamento-sul-fly. Ogni dispositivo slave contiene un chip EtherCAT Slave Controller (ESC) che legge il frame Ethernet in entrata, estrae o inserisce i dati nella sua posizione assegnata, e inoltra il frame al prossimo slave. Il frame non è memorizzato e inoltrato; è modificato in tempo reale mentre passa attraverso l'hardware dell'indirizzo slave.

Per mantenere la sincronizzazione tra i dispositivi, EtherCAT implementa un meccanismo di clock distribuito. Un orologio di riferimento nel master viene propagato automaticamente a tutti gli schiavi, ottenendo precisione di sincronizzazione superiore a 1 μs. Questo è fondamentale per il controllo del movimento multiasse, dove il movimento coordinato richiede tempi precisi.

Livello di applicazione

Nel quadro del collegamento dati, lo strato di applicazione EtherCAT utilizza un profilo di dispositivo simile a CANopen (il "CoE" – CANopen over EtherCAT) o un profilo di servoazionamento (SoE – Sercos over EtherCAT) per descrivere i parametri di dispositivo e gli oggetti di comunicazione.

Caratteristiche e vantaggi chiave per le reti PLC ad alta velocità

EtherCAT offre una combinazione di caratteristiche che lo contraddistinguono da altri bus di campo e protocolli Ethernet industriali. L'articolo originale elenca quattro caratteristiche chiave; espandiamo qui.

Alta velocità e tempi di ciclo bassi

EtherCAT può aggiornare migliaia di punti I/O distribuiti in 30 μs – molto più veloce dei bus di campo tradizionali come PROFIBUS o DeviceNet. Per applicazioni di controllo del movimento, i tempi di ciclo tipici variano da 50 a 250 μs. Questo consente ai PLC di chiudere i loop di controllo ad alta larghezza di banda senza sacrificare la capacità di elaborazione.

Comunicazione disintensiva e prevedibile

Il determinismo assicura che i dati arrivino entro un ritardo massimo garantito. Poiché EtherCAT utilizza sempre un singolo frame per ciclo (o un numero fisso di cornici), il tempismo è completamente prevedibile. Jitter – la variazione nel tempo di arrivo – è generalmente inferiore a 1 μs. Questa prevedibilità è essenziale per operazioni sincronizzate come macchine di confezionamento, dove più assi devono muoversi in perfetto coordinamento.

Scalabilità senza perdite di prestazioni

In molti protocolli di rete, l'aggiunta di più dispositivi aumenta il tempo di ciclo perché il master deve sondare ogni dispositivo singolarmente. Il meccanismo di elaborazione di EtherCAT significa che l'aggiunta di schiavi non aumenta significativamente il tempo di ciclo, finché il volume di dati totale si adatta all'interno di un singolo frame Ethernet (tipicamente fino a 1500 byte più frame opzionali di jumbo).

Topologia flessibile e facile integrazione

In una topologia di linea, ogni dispositivo ha due porte Ethernet – una per in arrivo e una per in uscita – rendendo il cablaggio semplice e conveniente. Le topologie stellari possono essere create utilizzando switch Ethernet standard, anche se gli switch introducono un certo ritardo. Le topologie dell'anello forniscono ridondanza: se un cavo si rompe, la struttura semplicemente viaggia

Costo-efficacia e cabina ridotta

Poiché EtherCAT utilizza cavi e connettori Ethernet standard, non è necessario alcun hardware proprietario costoso. L'approccio di elaborazione-on-the-fly riduce la necessità di interruttori attivi in molte topologie, riducendo i costi dell'infrastruttura. Inoltre, la sincronizzazione dell'orologio distribuito elimina la necessità di cablaggio di sincronizzazione separato, riducendo ulteriormente le spese di installazione.

Applicazioni in reti PLC ad alta velocità

EtherCAT è impiegato in una vasta gamma di settori in cui è obbligatorio il controllo deterministico ad alta velocità.

Robotica e Automazione di Produzione

I tempi di ciclo di EtherCAT e gli orologi distribuiti consentono il controllo del movimento sincronizzato attraverso le articolazioni di un robot, oltre a tra più robot in una cella di lavoro. Nelle linee di assemblaggio, EtherCAT collega PLC a servoazionamento, sistemi di visione e moduli I/O, garantendo che ogni passo sia eseguito con tempi esatti.

Sistemi di controllo del movimento

Le applicazioni di controllo del movimento di fascia alta – come macchine CNC, presse da stampa e attrezzature per l'imballaggio – si affidano a EtherCAT per interpolazione e feedback multiasse. Il protocollo supporta sia i loop di controllo di posizione che di coppia, e la sua natura deterministica consente al PLC di calcolare traiettori e inviare setpoint in tempo reale senza jitter.

Imballaggio e manipolazione dei materiali

Nelle macchine di confezionamento, le velocità possono superare 1000 pacchetti al minuto. Le reti EtherCAT sincronizzano nastri trasportatori, riempitivi, sigillanti e stazioni di etichettatura. I sistemi di movimentazione dei materiali, come lo stoccaggio automatizzato e il recupero (AS/RS) o i trasportatori di smistamento, utilizzano EtherCAT per coordinare sensori, attuatori e unità con tempi morti minimi.

Stampa e conversione

Le presse di stampa richiedono una registrazione estremamente stretta tra i colori, spesso all'interno di pochi micrometri. Gli orologi distribuiti di EtherCAT e i materiali a basso jitter consentono una sincronizzazione precisa dei cilindri di stampa e del controllo della tensione del web.

Industrie energetiche e di processo

Anche se spesso associato alla produzione discreta, EtherCAT è utilizzato anche nelle applicazioni di gestione dell'energia e controllo dei processi. Ad esempio, le turbine eoliche utilizzano EtherCAT per monitorare la coppia di lancio e generatore in tempo reale.

EtherCAT vs. altri protocolli Ethernet industriali

Esistono diversi protocolli Ethernet industriali concorrenti, ciascuno con punti di forza e di debolezza. Confrontare EtherCAT con i suoi coetanei aiuta gli ingegneri a scegliere la tecnologia giusta per la loro rete PLC ad alta velocità.

EtherCAT vs. PROFINET

PROFINET è un altro popolare standard Ethernet in tempo reale, in particolare nell'automazione europea. PROFINET utilizza un approccio diverso: si basa su switch Ethernet standard e privilegia frame in tempo reale utilizzando la qualità dei meccanismi di servizio (QoS). La sua classe RT (Real-Time) può raggiungere i tempi di ciclo di circa 1 ms, e la sua classe IRT (Isochrono Real-Time) può raggiungere 250 μs con cicli di miscelazione speciali.

EtherCAT vs. EtherNet/IP

EtherNet/IP è ampiamente usato in Nord America ed è basato su standard TCP/UDP/IP stack. Supporta sia ciclic (I/O) che acyclic (configurazione), ma le sue prestazioni sono limitate dalla sovraccarico di elaborazione TCP/IP. I tempi di ciclo tipici sono nella gamma di 1-10 ms, rendendo EtherNet/IP inadattabile per il controllo di movimento ad alta velocità.

EtherCAT vs. Sercos III

Sercos III è un protocollo industriale ad alte prestazioni sviluppato originariamente per il controllo del movimento. Come EtherCAT, raggiunge i tempi di ciclo di sotto-millisecondi e supporta la ridondanza dell'anello. Tuttavia, Sercos III utilizza una struttura diversa e richiede chip controller specifici. EtherCAT ha un ecosistema più ampio del dispositivo e una comunità di utenti più ampia, che spesso si traduce in costi più bassi e più facile disponibilità dei componenti.

EtherCAT implementare nella rete PLC

Deploying EtherCAT richiede un'attenta pianificazione di hardware, topologia e configurazione.

Requisiti hardware

Un sistema EtherCAT è composto da un master] (di solito un PLC o un PC industriale) e uno o più slaves] (drive, moduli I/O, encoders, ecc.). Il master deve avere una porta Ethernet che supporta EtherCAT – la maggior parte dei controller industriali moderni hanno integrato EtherC

Design Topologia

Per la maggior parte delle reti PLC ad alta velocità, una topologia ] è la più semplice e conveniente. Ogni dispositivo è a catena margherita utilizzando due porte Ethernet. Assicurarsi che la lunghezza totale del cavo tra i dispositivi non supera 100 m. Per distanze più lunghe, utilizzare convertitori di fibra ottica media.

Configurazione e Commissionazione

Strumenti di configurazione forniti dal produttore master EtherCAT (ad esempio, TwinCAT da Beckhoff, CODESYS, o strumenti di terze parti) gestiscono la scansione della rete, la parametrizzazione del dispositivo e la mappatura I/O. Il master rileva automaticamente tutti gli schiavi sulla rete e assegna gli indirizzi in base alla loro posizione fisica (o una topologia fissa).

Risoluzione dei problemi e manutenzione

Poiché EtherCAT utilizza cavi Ethernet standard, i problemi comuni includono connettori sciolti, fili rotti o interferenze elettromagnetiche. La maggior parte degli strumenti di master fornisce informazioni diagnostiche come errori di frame, telegram mancati e stato slave. Per la diagnostica avanzata, utilizzare un analizzatore di bus EtherCAT (ad esempio, da Beckhoff o da terzi) per catturare e decodificare i frame.

Il futuro di EtherCAT in reti PLC ad alta velocità

L'introduzione di EtherCAT G[] estende il protocollo alle velocità Gigabit Ethernet (1000 Mbit/s), consentendo tempi di ciclo ancora più brevi e supporto per applicazioni ad alta intensità di dati come sistemi di visione ad alta risoluzione e scanner laser 3D.

Un'altra tendenza è l'integrazione di EtherCAT con Time-Sensitive Networking (TSN)[], uno standard IEEE che fornisce una comunicazione deterministica sulle reti Ethernet standard. TSN può collegare segmenti EtherCAT con altri protocolli Ethernet industriali, consentendo reti convergenti che trasportano il traffico di controllo in tempo reale insieme al traffico IT standard.

Inoltre, l'aumento del calcolo dei bordi e l'analisi basata su cloud richiederanno reti PLC ad alta velocità per alimentare i dati a sistemi di livello superiore. La bassa latenza e la tempistica precisa di EtherCAT lo rendono un protocollo di front-end ideale per le architetture IoT industriali, dove i dati a campione di tempo da migliaia di sensori devono essere aggregati e elaborati.

Conclusioni

La sua tecnologia di elaborazione-su-il-fly riduce notevolmente i tempi di ciclo, mentre gli orologi distribuiti garantiscono la sincronizzazione tra i dispositivi. Dal robot e il controllo del movimento al packaging e alla gestione dell'energia, EtherCAT consente applicazioni che erano precedentemente impossibili con i bus di campo tradizionali.

Per ulteriori informazioni, visitare il EtherCAT Technology Group[ sito ufficiale e la documentazione di Beckhoff TwinCAT[.