EtherCAT là gì?
EtherCAT là một hệ thống fieldbus dựa trên Ethernet. Giao thức được tiêu chuẩn hóa trong IEC 61158 và phù hợp với cả yêu cầu tính toán thời gian thực cứng và mềm trong công nghệ tự động hóa.
EtherCAT là một giao thức mạng Ethernet rất linh hoạt. Một nguyên tắc độc đáo được gọi là “xử lý khi đang di chuyển” mang lại cho EtherCAT một số lợi thế độc đáo. Vì các thông điệp EtherCAT được chuyển trước khi được xử lý trong mỗi nút, nên EtherCAT hoạt động với tốc độ và hiệu quả cao. Quá trình này cũng tạo ra sự linh hoạt trong cấu trúc liên kết và đồng bộ hóa đáng kinh ngạc.
Lịch sử phát triển
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ban đầu được phát triển bởi Beckhoff Automation , một nhà sản xuất PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) được sử dụng trong các hệ thống điều khiển thời gian thực và tự động hóa công nghiệp.
Họ đã phát triển phiên bản Fieldbus của riêng mình có tên là “LightBus” vào cuối những năm 1980, để giải quyết vấn đề băng thông của các giao diện khác. Việc ứng dụng bổ sung trên giao thức này cuối cùng đã dẫn đến việc phát minh ra EtherCAT.
Beckhoff đã giới thiệu EtherCAT với thế giới vào năm 2003. Và sau đó vào năm 2004, họ đã trao quyền cho ETG (EtherCAT Technology Group) – những người chịu trách nhiệm quảng bá tiêu chuẩn này. ETG có một nhà phát triển và nhóm người dùng rất tích cực. EtherCAT được tiêu chuẩn hóa theo IEC 61158.
Vào năm 2005, EtherCAT đã được tiêu chuẩn hóa thành IEC/ PAS 62407. Tiêu chuẩn này hiện đã lỗi thời, mặc dù không phải do lỗi nào trong EtherCAT. Thay vào đó, EtherCAT đã được tích hợp vào một số tiêu chuẩn khác, một dấu hiệu cho thấy tính linh hoạt của nó.
Cả hai tiêu chuẩn IEC fieldbus IEC 61158 và IEC 61784-2 đều bao gồm EtherCAT vào năm 2007. EtherCAT cũng được bao gồm trong các tiêu chuẩn công bố tiêu chuẩn ISO 15.745-4.
Nguyên tắc hoạt động của EtherCAT
Nguyên tắc cơ bản của EtherCAT là đọc truyền qua. Đọc qua có nghĩa là các thông điệp không được dành cho một nút duy nhất và được sử dụng bởi nút đó. Thay vào đó, các thông điệp được truyền tới nút sau, trong một chuỗi khi chúng được xử lý. Dữ liệu đầu vào cho một nút được đọc khi thông báo được xử lý và dữ liệu đầu ra được chèn vào thông báo cho nút tiếp theo.
Một thông báo duy nhất được phát hành bởi EtherCAT Master với dữ liệu cho tất cả các nút. Khi thông điệp được truyền xung quanh vòng và quay trở lại Master, mỗi nút đọc các đầu vào của nó và thêm các đầu ra của nó vào thông điệp. Khi thông báo quay trở lại EtherCAT Master, mọi nút trong mạng đã nhận được dữ liệu đầu vào mới từ Master và trả lại dữ liệu đầu ra mới cho Master. Nếu không có các tải nhỏ hoặc thông báo được nhắm mục tiêu đến các nút cụ thể, mạng EtherCAT có thể đạt được mức sử dụng băng thông tối đa.
Mạng EtherCAT có thể được so sánh với một tuyến đường sắt nơi mỗi ga có thể hạ tải và xếp lại các toa tàu trong khi tàu di chuyển qua ga.
Công nghệ tự chấm dứt
EtherCAT sử dụng cùng một lớp liên kết vật lý và dữ liệu của Ethernet. Không cần phần cứng đặc biệt để triển khai mạng EtherCAT.
Các thiết bị chuyển mạch switch thường thấy trong hệ thống Ethernet không được sử dụng trong mạng EtherCAT. Thay vào đó, mỗi thiết bị EtherCAT nhúng một công tắc. Mỗi thiết bị có hai cổng RJ45. Một RJ45 được kết nối với nút trước đó trong mạng và một được kết nối với nút tiếp theo.
Thiết bị EtherCAT MASTER là thiết bị duy nhất được phép truyền dữ liệu qua mạng! Master gửi một chuỗi dữ liệu qua bus, loại bỏ các xung đột dữ liệu của hệ thống Ethernet.
Thiết bị Master là thiết bị duy nhất trong phân đoạn EtherCAT được phép gửi tin nhắn – các Slave có thể thêm dữ liệu và gửi khung theo đó, nhưng chúng không thể tự tạo tin nhắn mới.
Bất kỳ nút nào không phát hiện ra nút tiếp theo trong chuỗi sẽ tự động kết thúc mạng tại điểm đó, dữ liệu sẽ tự động được trả về theo hướng khác thông qua giao thức EtherCAT
Mạng EtherCAT có thể được nối thành vòng nếu Master có hai cổng Ethernet. Mạng có dây trong một vòng cung cấp một biện pháp dự phòng. Các điểm đứt cáp ở bất kỳ vị trí nào trong vòng được đóng lại bởi các cổng ở thượng nguồn và hạ lưu của điểm đứt. Master có thể phát hiện điểm ngắt và gửi thông báo đến cả hai phân đoạn con mới.
Mạng EtherCAT với cấu trúc liên kết vòng
Do tính năng tự kết thúc này, mạng EtherCAT có thể được nối dây bằng cách sử dụng một số cấu trúc liên kết khác nhau như cấu trúc liên kết cây, liên kết vòng, liên kết dòng, liên kết hình sao và thậm chí là kết hợp.
Khung EtherCAT
EtherCAT Frame
Để khung EtherCAT tiếp tục lăn mà không dừng lại ở mỗi nút, gói tin phải chứa các thành phần cụ thể.
Tất cả các bộ phận này chỉ vừa với khung EtherCAT và khung này vừa với khung Ethernet. Ethernet là phương tiện truyền dẫn cho phép EtherCAT hoạt động. Khung EtherCAT chỉ đơn giản là thay thế khung IP của một thông điệp Ethernet tiêu chuẩn. Do đó, khung Ethernet không cần sửa đổi, một lần nữa góp phần tạo nên tính linh hoạt cho EtherCAT.
- EtherCAT Header
Khung EtherCAT bắt đầu với một tiêu đề tiêu chuẩn. Số nguyên đầu tiên là số nhận dạng độ dài. Bit này cho các nút biết phần EtherCAT của khung sẽ dài bao nhiêu. Chiều dài đặc biệt quan trọng trong khung EtherCAT, độ dài thay đổi theo số byte thông báo.
Phần thứ hai của tiêu đề EtherCAT là một bit dành riêng, theo sau là một số nguyên. Số nguyên này xác định kiểu thông báo, đảm bảo diễn giải chính xác.
- PDO Data
Sau tiêu đề, khung Ether CAT chứa các Đối tượng Dữ liệu Quy trình (Process Data Object – PDO). Các PDO tương ứng với số lượng nút và thông báo trong khung. Mỗi PDO chứa dữ liệu cho một nút, sản phẩm bên trong boxcar. Các PDO cũng được định địa chỉ riêng, cho các nút biết PDO sẽ nhận.
- Working Counter
Phần cuối cùng của khung EtherCAT là bộ đếm hoạt động. Con số này hoạt động giống như cách hoạt động của chuỗi kiểm tra khung hình. Bộ đếm làm việc phụ thuộc vào nội dung của khung EtherCAT. Bằng cách đảm bảo bộ đếm làm việc chính xác, mỗi nút có thể đảm bảo nó nhận được toàn bộ khung.
Tại sao lại sử dụng EtherCAT?
Cấu trúc liên kết linh hoạt
Nguyên tắc “xử lý nhanh chóng” của EtherCAT có một lợi thế khác ngoài tốc độ. Mạng EtherCAT có thể được cấu hình theo nhiều kiểu cấu trúc liên kết. Cũng giống như Ethernet, cấu trúc liên kết hình sao khá đơn giản. Tuy nhiên, EtherCAT có thể mở rộng ra ngoài cấu trúc liên kết hình sao.
EtherCAT tạo ra khả năng của một hệ thống bus trường sử dụng phần cứng Ethernet. Việc kết hợp giữa fieldbus, hoặc đường trục và các nhánh riêng lẻ mang lại sự linh hoạt trong lập trình cho mạng EtherCAT.
EtherCAT có khả năng dự phòng tích hợp để bù đắp cho các trường hợp đứt dây có thể xảy ra. Khi một đường dây bị đứt, mạng có thể phát hiện ra sự cố. Khung EtherCAT có thể di chuyển đến cuối mạng và vì các thông điệp đi ngược lại trên cùng một đường dẫn, khung sẽ đảo ngược và quay trở lại phía Master. Bằng cách này, tất cả các mạng EtherCAT có thể hoạt động như thể chúng nằm trong một cấu trúc liên kết vòng. Sau đó, định cấu hình mạng EtherCAT trong cấu trúc liên kết vòng, thêm một mức dự phòng khác.
Đồng bộ hóa
Như đã làm rõ thông qua việc xuất bản tiêu chuẩn Giao thức thời gian chính xác IEEE 1588 (Precision Time Protocol), đồng bộ hóa đã trở nên quan trọng trong ngành Mạng công nghiệp. Đồng bộ hóa là một lợi thế khác của hệ thống EtherCAT.
EtherCAT bao gồm một cơ chế đồng hồ phân tán cung cấp hiệu suất “jitter” tuyệt vời nhỏ hơn nhiều so với một micro giây (1 µs), tương đương với IEEE 1588 PTP mà không cần thêm bất kỳ phần cứng nào.
Cơ chế này có thể thực hiện được vì các dấu thời gian của mỗi nút bao gồm trong khung EtherCAT. Mỗi nút gắn một dấu thời gian vào khung EtherCAT hai lần. Đầu tiên, nút Slave đánh dấu thời gian khi nhận thông báo được gửi qua mạng. Sau đó, khi khung quay trở lại thông qua các nút, mỗi Slave sẽ đánh một dấu thời gian khác. Master nhận frame với hai dấu thời gian cho mỗi slave.
Với thông tin thời gian, Master có thể tính toán độ trễ cho mỗi nút. Mỗi lần truyền dữ liệu từ master đều nhận được dấu thời gian I / O từ mọi nút, làm cho EtherCAT xác định và chính xác hơn nhiều trên trục thời gian so với Ethernet.
Tuy nhiên, ngay cả trước khi EtherCAT hoạt động, master sẽ gửi một chương trình phát sóng tới tất cả các nút slave trên mạng, những slave này sẽ chốt nó khi chúng nhận nó và khi chúng gửi nó trở lại. Master sẽ tự động làm điều này nhiều lần nếu cần thiết để giảm “jitter” và giữ cho các nút slave được đồng bộ hóa với nhau.
Độ chính xác về thời gian này cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng điều khiển thời gian thực và tự động hóa nhà máy.
Các tính năng khác
Đồng bộ hóa, cấu trúc liên kết linh hoạt và tốc độ là những lợi thế mà EtherCAT có được do nguyên tắc hoạt động độc đáo của nó. Tuy nhiên, thông qua hoạt động của ETG, EtherCAT có một số tính năng riêng biệt khác đáng được đề cập.
- Cấu hình thiết bị
EtherCAT sử dụng các cấu hình thiết bị giống như Ethernet/ IP và các giao thức CIP khác. Nhiều thiết bị fieldbus được sử dụng trong mạng EtherCAT đã được định nghĩa trong CAN. EtherCAT hỗ trợ toàn bộ gia đình CANopen. Ngoài CANopen, EtherCAT hỗ trợ Sercos drive. Các drive cho phép người dùng định cấu hình mạng EtherCAT theo nhu cầu cụ thể của họ mà không cần ““reinventing the wheel”
- Giao thức bảo mật
Một tiêu chuẩn IEC nữa trong số nhiều tiêu chuẩn mô tả các phần của EtherCAT là IEC 61508. Tiêu chuẩn này mô tả Chức năng bảo mật trên EtherCAT (Functional Safety over EtherCAT – FSoE). Phiên bản FSoE của giao thức EtherCAT đáp ứng các yêu cầu Safety Integrity Level 3. Để đạt được độ bảo mật cao hơn, FSoE thêm thông tin bảo mật vào khung EtherCAT tiêu chuẩn.
- Khả năng Phát triển
Các thiết bị EtherCAT Master có thể được phát triển bằng bất kỳ Ethernet MAC tiêu chuẩn nào. Không cần phần cứng đặc biệt, Beckoff cung cấp thiết bị PC Master có thể truy cập các thiết bị nô lệ EtherCAT từ PC Windows tiêu chuẩn. Các thiết bị EtherCAT Slave phải sử dụng EtherCAT ASIC (Application Specific Integrated Circuit) để truy cập mạng EtherCAT. EtherCAT ASIC có sẵn từ Beckoff và các nhà cung cấp khác.
- Chi phí triển khai
Chi phí phần cứng cho bộ điều khiển hoặc thiết bị Master được giới hạn vì không yêu cầu phần cứng đặc biệt và bất kỳ PC nào hỗ trợ Ethernet đều có thể được sử dụng làm thiết bị Master. Các thiết bị EtherCAT Slave yêu cầu đầu tư khá lớn vào thiết kế và phát triển vì EtherCAT ASIC đắt hơn các bộ vi xử lý hỗ trợ Ethernet tiêu chuẩn.
Khi triển khai hệ thống, EtherCAT có thể rất hiệu quả về chi phí. Không cần thiết bị chuyển mạch switch, bộ định tuyến hoặc trung tâm bổ sung nào để tạo thành mạng EtherCAT, khả năng mở rộng mạng gần như vô hạn. Cấu trúc liên kết linh hoạt – có thể được sắp xếp theo vòng, thẳng, cây, sao không giới hạn
Sự khác biệt giữa EtherCAT và Ethernet tiêu chuẩn là gì?
Đầu tiên, EtherCAT được xây dựng trên hai lớp đầu tiên của giao thức Ethernet, như chúng tôi đã mô tả trong phần này. Vì vậy, có sự tương đồng rất mạnh ở các cấp thấp nhất – nhưng không phải ở cấp mạng, truyền tải hoặc ứng dụng, vì vậy không có TCP / IP hoặc UDP trong EtherCAT.
EtherCAT đã được tối ưu hóa như một hệ thống master / slave thời gian thực, xác định .
Các khung EtherCAT (thông báo) được xây dựng bên trong các Khung Ethernet tiêu chuẩn. Tuy nhiên, cũng có nhiều khác biệt lớn:
- Trên mạng EtherCAT, chỉ master mới có thể gửi tin nhắn, hướng chúng đến các slave thích hợp, và sau đó lấy lại dữ liệu được đóng dấu thời gian từ chúng. Điều này rất khác so với mạng Ethernet, nơi mọi thiết bị đều có thể gửi tin nhắn và dữ liệu không được đóng dấu thời gian một cách xác định.
- EtherCAT có tính xác định, có nghĩa là dữ liệu thời gian thực có độ trễ cực thấp sẽ quay trở lại master từ các slave.
- Trong mạng EtherCAT, master phụ trách căn chỉnh thời gian của tất cả các slave khi khởi động và theo từng khoảng thời gian, để tạo điều kiện cho việc đóng dấu thời gian có độ trễ thấp. Điều này được tích hợp trong EtherCAT, nhưng phải được thêm vào mạng Ethernet tiêu chuẩn.
- EtherCAT được thiết kế ngay từ đầu để cho phép kiểm soát thời gian thực đối với các thiết bị và hệ thống với độ trễ cực thấp. Ethernet được thiết kế chủ yếu cho các ứng dụng văn phòng và kết nối máy tính, máy in và các thiết bị ngoại vi mạng khác.
- Không giống như mạng Ethernet tiêu chuẩn, trong mạng EtherCAT, không thể xảy ra xung đột dữ liệu nhờ các đặc trưng nêu trên.
- Truyền dữ liệu trên mạng EtherCAT nhanh hơn so với mạng Ethernet tiêu chuẩn: 100 Mb / s có hiệu lực với độ chập chờn rất thấp.
- Giống như Ethernet, mạng EtherCAT có thể được sắp xếp theo nhiều loại cấu trúc liên kết: đường, vòng, sao, v.v.
Làm cách nào để triển khai EtherCAT bằng Ethernet?
Mạng EtherCAT sử dụng cáp Ethernet tiêu chuẩn để kết nối các thiết bị với nhau. Vì vậy, đơn giản về hệ thống cáp, cả mạng EtherCAT và Ethernet đều sử dụng cùng một loại cáp CAT5.
Tuy nhiên, nếu câu hỏi đề cập đến điều gì đó nhiều hơn, chẳng hạn như kết nối các thiết bị Ethernet khác với mạng EtherCAT, thì chúng ta cần xem xét giao thức được gọi là Ethernet over EtherCAT (EoE).
Dữ liệu Ethernet được truyền vào hệ thống EtherCAT qua Switch
EoE là một giao thức cho phép ứng dụng khách Windows giao tiếp với các thiết bị trên mạng EtherCAT. Các gói Ethernet được gửi từ máy khách vào mạng EtherCAT thông qua một thiết bị gọi là Cổng chuyển mạch. Một Cổng chuyển đổi truyền dữ liệu Ethernet vào giao thức EtherCAT bằng cách chèn các TCP / IP vào các thông điệp hệ thống EtherCAT hiện có theo cách không can thiệp vào mạng.
Thiết bị chuyển mạch switch có thể được triển khai như một thiết bị riêng biệt, chẳng hạn như Beckhoff 6601 , hỗ trợ tất cả các giao thức dựa trên Ethernet (IEEE 802.3) và được cách ly điện áp đến 500 V. Nó có thể được thiết lập ở bất kỳ đâu trong phân đoạn EtherCAT và không yêu cầu bất kỳ cấu hình nào.
Nhưng nó cũng có thể được triển khai như một chức năng trong một trong các thiết bị slave trên mạng EtherCAT, hoặc thậm chí là một chức năng phần mềm trên EtherCAT master.
Kết luận
EtherCAT là một giao thức lớp ứng dụng mở, hiệu suất rất cao, dễ triển khai cho các ứng dụng Ethernet. Khả năng đồng bộ hóa và sử dụng đầy đủ băng thông của nó rất hấp dẫn đối với các ứng dụng: Tự động hóa công nghiệp, Điều khiển động cơ Servo, Hệ thống thu thập dữ liệu, Điều khiển chuyển động và điều khiển máy, Người máy (Robot),…
