Понимание использования Ethercat в высокоскоростных Plc-сетях

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) - это высокопроизводительная система на базе Ethernet, широко используемая в промышленной автоматизации. Она предназначена для облегчения связи в реальном времени между программируемыми логическими контроллерами (PLC) и различными устройствами автоматизации. Ее уникальные функции делают ее идеальной для высокоскоростных PLC-сетей, где время и надежность имеют решающее значение. Первоначально разработанная Beckhoff Automation, EtherCAT стала открытым стандартом, управляемым EtherCAT Technology Group (ETG), которая сегодня включает в себя тысячи компаний-членов по всему миру.

Что такое EtherCAT?

EtherCAT — открытый протокол на базе Ethernet, преодолевающий ограничения традиционного Ethernet в промышленных приложениях реального времени. Стандартный Ethernet использует механизм опроса master-slave, где мастер должен отправлять кадр каждому рабу и ждать ответа, что приводит к значительной задержке по мере увеличения числа рабов. EtherCAT переворачивает эту модель с помощью метода обработки на лету. Мастер отправляет один кадр Ethernet, который проходит через всех подключенных рабов; каждый раб читает и записывает свои данные, пока кадр проходит, и кадр затем возвращается мастеру. Этот подход может достигать времени цикла до 100 микросекунд (μs) с дрожанием значительно ниже 1 мкс.

Протокол был введен компанией Beckhoff Automation в 2003 году и стандартизирован как IEC 61158. Он поддерживает как полнодуплексную, так и полудуплексную связь по стандартным кабелям Ethernet (Cat5e или лучше). Поскольку EtherCAT использует стандартное оборудование Ethernet на физическом уровне, он легко интегрируется с существующей ИТ-инфраструктурой, обеспечивая детерминированную производительность, необходимую для управления движением, робототехники и высокоскоростной автоматизации.

Архитектура протокола EtherCAT

EtherCAT построен на трёхслойной модели, которая отображает на референсную модель OSI: физический слой, слой связи данных и прикладной слой. Понимание этих слоев помогает инженерам проектировать надежные высокоскоростные PLC-сети.

Физический слой

EtherCAT использует стандартные компоненты физического уровня Ethernet (100BASE-TX или 100BASE-FX), работающие на 100 Мбит/с полнодуплексном. Он поддерживает медные кабели с витой парой на расстояния до 100 м на сегмент и волоконно-оптические соединения для более длительных прогонов. Протокол также может использоваться с 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) в реализациях EtherCAT G, предлагая еще более высокую производительность. Физическая избыточность слоя доступна через избыточность кабеля или топологии колец, которые обеспечивают автоматическую реконфигурацию в случае разрыва кабеля.

Слой Data Link

Слой передачи данных EtherCAT — это то место, где происходит магия обработки на лету. Каждое устройство-рабочник содержит чип EtherCAT Slave Controller (ESC), который считывает входящий кадр Ethernet, извлекает или вставляет данные в назначенное ему положение и пересылает кадр следующему рабу. Рамка не хранится и пересылается; она изменяется в реальном времени при прохождении через аппаратное обеспечение раба. Это позволяет завершить весь цикл за доли миллисекунды, независимо от количества рабов. Мастер отправляет одну телеграмму, которая может адресовать тысячи цифровых точек ввода/вывода или сложные параметры привода.

Для поддержания синхронизации между устройствами EtherCAT реализует распределённый часовой механизм. Ссылочные часы в мастере автоматически распространяются на всех рабов, достигая точности синхронизации лучше 1 мкс. Это критически важно для многоосевого управления движением, где скоординированное движение требует точного времени.

Уровень применения

На уровне канала передачи данных, прикладной уровень EtherCAT использует CANopen-подобный профиль устройства (CoE - CANopen over EtherCAT) или профиль сервопривода (SoE - Sercos over EtherCAT) для описания параметров устройства и объектов связи. Прикладной уровень обрабатывает объекты данных процесса (PDO) для циклического обмена и объектов данных обслуживания (SDO) для ациклической параметризации. Этот модульный подход делает EtherCAT совместимым с широким спектром промышленных устройств и упрощает интеграцию со стандартными средами программирования PLC, такими как IEC 61131-3.

Основные функции и преимущества высокоскоростных PLC-сетей

EtherCAT предлагает комбинацию функций, которые отличают его от других полевых шишек и промышленных протоколов Ethernet. В оригинальной статье перечислены четыре ключевые функции; мы расширяем каждый здесь.

Высокая скорость и низкие циклы

EtherCAT может обновлять тысячи распределенных точек ввода/вывода в 30 мкс — намного быстрее, чем традиционные полевые шины, такие как PROFIBUS или DeviceNet. Для приложений управления движением типичные времена цикла варьируются от 50 до 250 мкс. Это позволяет PLC закрывать высокоширотные петли управления без ущерба для пропускной способности. Преимущество скорости особенно выражено в приложениях, требующих обратной связи с высоким разрешением, таких как сервоприводы или интерфейсы кодеров.

Детерминистская и предсказуемая коммуникация

Детерминизм гарантирует, что данные поступают в пределах гарантированной максимальной задержки. Поскольку EtherCAT всегда использует один кадр за цикл (или фиксированное количество кадров), время полностью предсказуемо. Jitter - изменение времени прибытия - обычно составляет менее 1 мкс. Эта предсказуемость необходима для синхронизированных операций, таких как упаковочные машины, где несколько осей должны двигаться в идеальной координации.

Масштабируемость без потери производительности

Во многих сетевых протоколах добавление большего количества устройств увеличивает время цикла, потому что мастер должен опросить каждое устройство индивидуально. Механизм обработки на лету EtherCAT означает, что добавление рабов не значительно увеличивает время цикла, пока общий объем данных укладывается в один кадр Ethernet (обычно до 1500 байт плюс дополнительные рамки дюжины). Один сегмент EtherCAT может поддерживать до 65 535 узлов, хотя практические ограничения ниже из-за кабелей и электрических ограничений. Для более крупных систем несколько сегментов могут быть подключены через соединения EtherCAT или коммутаторы.

Гибкая топология и легкая интеграция

EtherCAT поддерживает топологии линий, деревьев, звезд и колец, не требуя специальных переключателей. В топологии линий каждое устройство имеет два порта Ethernet — один для входящего и один для исходящего — что делает проводку простой и экономичной. Звездные топологии могут быть созданы с использованием стандартных переключателей Ethernet, хотя переключатели вводят некоторую задержку. Топологии колец обеспечивают избыточность: если кабель ломается, кадр просто перемещается в противоположном направлении. Протокол также поддерживает интеграцию с обычными устройствами Ethernet через мост или шлюз.

Экономическая эффективность и снижение кабелей

Поскольку EtherCAT использует стандартные кабели и разъемы Ethernet, не требуется дорогостоящее фирменное оборудование. Подход «обработка на лету» снижает потребность в активных коммутаторах во многих топологиях, сокращая затраты на инфраструктуру. Кроме того, распределенная синхронизация часов устраняет необходимость в отдельной синхронизирующей проводке, что еще больше снижает затраты на установку.

Приложения в высокоскоростных сетях PLC

EtherCAT развернут в широком спектре отраслей, где высокоскоростной, детерминированный контроль является обязательным. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных областей применения.

Робототехника и автоматизация производства

Промышленные роботы требуют точной координации нескольких осей с низкой задержкой. Время субмиллисекундного цикла EtherCAT и распределенные часы позволяют синхронизировать управление движением через суставы робота, а также между несколькими роботами в рабочей ячейке. На сборочных линиях EtherCAT соединяет PLC с сервоприводами, системами зрения и модулями ввода-вывода, гарантируя, что каждый шаг выполняется с точным временем.

Системы контроля движения

Высокопроизводительные приложения для управления движением, такие как машины с ЧПУ, печатные станки и упаковочное оборудование, полагаются на EtherCAT для многоосевой интерполяции и обратной связи. Протокол поддерживает как петли управления положением, так и крутящим моментом, а его детерминированный характер позволяет PLC вычислять траектории и отправлять заданные точки в реальном времени без джиттера. Способность EtherCAT обрабатывать данные кодера высокого разрешения также делает его подходящим для линейных двигателей и систем прямого привода.

Упаковка и обработка материалов

В упаковочном оборудовании скорости могут превышать 1000 упаковок в минуту. Сети EtherCAT синхронизируют конвейеры, наполнители, герметики и маркирующие станции. Системы обработки материалов, такие как автоматизированные системы хранения и извлечения (AS/RS) или сортировочные конвейеры, используют EtherCAT для координации датчиков, приводов и приводов с минимальным временем бездействия.

Печатные прессы и конвертация

Печатные прессы требуют чрезвычайно жесткой регистрации между цветами, часто в пределах нескольких микрометров. Распределенные часы EtherCAT и низкий джиттер позволяют точно синхронизировать печатные цилиндры и управление натяжением сети. Аналогично, преобразующие машины, которые разрезают, складывают или ламинируют материалы, получают выгоду от высокоскоростного ввода / вывода EtherCAT и управления приводом.

Энергетическая и перерабатывающая промышленность

Хотя часто ассоциируется с дискретным производством, EtherCAT также используется в приложениях управления энергией и управления технологическими процессами. Например, ветровые турбины используют EtherCAT для мониторинга лезвия шага и крутящего момента генератора в режиме реального времени. На водоочистных установках высокоскоростные сети PLC управляют насосами и клапанами с циклами, что было бы невозможно с традиционными полевыми шинами.

EtherCAT против других протоколов промышленного Ethernet

Существует несколько конкурирующих протоколов промышленного Ethernet, каждый из которых имеет сильные и слабые стороны.Сравнение EtherCAT с его аналогами помогает инженерам выбрать правильную технологию для своей высокоскоростной сети PLC.

EtherCAT vs. PROFINET

PROFINET является еще одним популярным стандартом Ethernet в реальном времени, особенно в европейской автоматизации. PROFINET использует другой подход: он опирается на стандартные коммутаторы Ethernet и приоритизирует кадры реального времени с использованием механизмов качества обслуживания (QoS). Его класс RT (Real-Time) может достигать времени цикла около 1 мс, а его класс IRT (Isochronous Real-Time) может достигать 250 мкс со специальными коммутаторами. EtherCAT обычно достигает более низких времен цикла и более низкого джиттера [FLT: 1], чем PROFINET IRT, и не требует управляемых коммутаторов. Однако PROFINET предлагает большую гибкость в смешивании трафика в реальном времени и нереального времени в той же сети и имеет большую установленную базу в некоторых регионах.

EtherCAT против EtherNet/IP

EtherNet/IP широко используется в Северной Америке и основан на стандартных стеках TCP/UDP/IP. Он поддерживает как циклические (I/O), так и ациклические (конфигурация) сообщения, но его производительность ограничена накладными расходами на обработку TCP/IP. Типичные циклы находятся в диапазоне 1-10 мс, что делает EtherNet/IP непригодным для высокоскоростного управления движением. EtherCAT на порядок быстрее и предлагает детерминированное поведение, которое EtherNet/IP не может сопоставить без аппаратных ускорителей. Однако EtherNet/IP легче интегрировать с ИТ-системами с использованием стандартных инструментов управления сетью.