¿Qué es el protocolo EtherCAT y cómo funciona?

Una breve historia de Ethernet

Ethernet, desarrollada en la década de 1970 en el Palo Alto Research Center (PARC) de Xerox, se diseñó como una interfaz de red de bajo costo y tolerante a fallas para redes locales y de área amplia. En el momento de su invención, existían otras redes, como TokenBus, TokenRing, ARCNET, CDDI y una variedad de interfaces de red propietarias o menos conocidas.

Una breve historia de Ethernet

Ethernet, desarrollada en la década de 1970 en el Palo Alto Research Center (PARC) de Xerox, se diseñó como una interfaz de red de bajo costo y tolerante a fallas para redes locales y de área amplia. En el momento de su invención, existían otras redes, como TokenBus, TokenRing, ARCNET, CDDI y una variedad de interfaces de red propietarias o menos conocidas.

Al científico de PARC, Robert Metcalf, se le asignó la tarea de averiguar cómo interconectar los cientos de computadoras de la empresa para que pudieran compartir la primera impresora láser del mundo, que había sido inventada recientemente por Xerox.

Hoy en día, esto puede parecer un problema trivial, pero a principios de la década de 1970 pocas empresas tenían más de dos o tres computadoras. No había computadoras personales, computadoras portátiles, teléfonos celulares, tabletas, etc. Las redes existentes no eran lo suficientemente escalables o rápidas para conectar tantas máquinas, por lo que Metcalf y sus colegas necesitaban un nuevo enfoque para resolver este problema.

Combinaron algo de tecnología de Internet con sus propias ideas y dieron origen a la red que está hoy en día en todo el mundo, conectando millones de dispositivos entre sí y a la propia Internet. 

Bajo IEEE-802.3 emitido formalmente en 1985, Ethernet se convirtió en la interfaz estándar de facto para redes grandes y pequeñas, e incluso para instrumentos individuales. Es una combinación de hardware y software desarrollado para ser rápido y tolerante a fallas.

La información se divide en "paquetes" o "marcos" conocidos como datagramas. Cada datagrama contiene no solo los datos en sí, sino también la información del encabezado y la dirección de identificación para que se pueda reconstruir en el extremo receptor, y un CRC (verificación de redundancia cíclica) de 32 bits al final para evitar errores.

Los dispositivos de la red tienen una interfaz Ethernet, cada uno de los cuales tiene una dirección única. Esto es importante porque con tantos dispositivos potencialmente transmitiendo y recibiendo a través de la misma red, cada dispositivo necesita saber qué datos están destinados a él.

Cómo se envían los datos a través del protocolo Ethernet

Imagínese cientos de cartas y buzones de la oficina de correos fluyendo por su calle; la mayoría son para sus vecinos y algunas son para usted. Pero cuales? Bueno, la dirección impresa en el anverso de cada carta asegura que aquellos con su dirección se pongan automáticamente en su buzón.

Simple, ¿verdad? Ha funcionado así durante cientos de años, mucho antes que las computadoras.

Pero ahora imagina que cada letra que viene por la calle en realidad ha sido cortada en miles o incluso millones de pedazos diminutos, y cada pedazo es solo una palabra del interior de esa letra.

Además, estas palabras no están necesariamente en orden. De hecho, también se mezclan con miles de millones de palabras de las cartas de su vecino. De repente, es mucho más complicado.

Pero con ethernet, cada “palabra” (datagrama) contiene la información que su buzón necesita para capturar las palabras destinadas a él y luego volver a ensamblarlas perfectamente en cada pieza de correo única que se le envió. Entonces, cuando abre su buzón, las cartas están perfectamente ensambladas y se ven exactamente como estaban cuando se enviaron por correo.

No necesitamos profundizar en cómo funciona exactamente Ethernet, pero es importante comprender la naturaleza de esta interfaz y por qué se ha vuelto tan omnipresente en la actualidad.

Una breve historia de EtherCAT

EtherCAT fue desarrollado originalmente por Beckhoff Automation, un importante fabricante de PLC (controladores lógicos programables) utilizados en automatización industrial y sistemas de control en tiempo real.

Habían desarrollado su propia versión de Fieldbus llamada “LightBus” a fines de la década de 1980, para abordar el problema del ancho de banda de otras interfaces. El trabajo adicional en este protocolo finalmente resultó en la invención de EtherCAT.

Beckhoff presentó EtherCAT al mundo en 2003. Y luego, en 2004, donó los derechos al ETG (EtherCAT Technology Group), que es responsable de la promoción del estándar. ETG tiene un grupo de desarrolladores y usuarios muy activo. EtherCAT está estandarizado según IEC 61158.

¿Por qué EtherCAT?

¿Por qué no podemos simplemente usar Ethernet para interconectar DAQ y sistemas de control? Ethernet es rápido. Es económico. Y es fácil de implementar en los instrumentos informáticos actuales. Entonces, ¿qué falta?

La respuesta radica principalmente en el determinismo o la precisión del tiempo. El buzón imaginario de nuestro ejemplo anterior tiene todo el tiempo que necesita para recopilar todos los datagramas de sus cartas y volver a ensamblarlos en su correo.

En un día en que solo llegaran 100 cartas por su calle, su correo aparecería rápidamente en su buzón. En los días de mucho correo, tomaría más tiempo, pero la diferencia es irrelevante, ¿verdad?

Por lo tanto, Ethernet está absolutamente bien para enviar documentos por la oficina o de un dispositivo a otro. Su "correo" se entrega rápidamente, y realmente no importa si se recibió una carta a las 10: 00: 02.123211 oa las 10:01; nuevamente, el instante exacto no importa en esa aplicación.

Pero los sistemas de control tienen que ver con el tiempo. Realmente IMPORTA a qué hora sucedió algo y con la mayor resolución y precisión del eje de tiempo como sea posible.

Los sistemas de control de automatización de fábricas son, por definición, sistemas en tiempo real. Encender y apagar máquinas requiere una latencia muy baja. No desea que su mensaje de apagado de emergencia se mezcle con un flujo de respaldo de datos de un gigabyte, por ejemplo; los mensajes en tiempo real siempre deben tener prioridad.

Pero en un sistema Ethernet convencional, no existe un protocolo para esto: todos los datos son esencialmente "iguales". Esto funciona bien con las computadoras de su oficina que comparten el ancho de banda de la red para acceder a servidores e impresoras, pero no tan bien con aplicaciones en tiempo real.

Más información sobre EtherCAT

En este video, Martin Rostan, Director Ejecutivo del Grupo de Tecnología EtherCAT, explica en 20 minutos cómo EtherCAT genera ventajas competitivas para los usuarios.

Capas físicas EtherCAT

EtherCAT utiliza las mismas capas físicas y de enlace de datos de Ethernet, que se muestran a continuación:

La capa física es el hardware que transmite físicamente los datos a través de la red. Este es el núcleo eléctrico, es decir, el nivel "mecánico" de la red.

La capa de enlace de datos es donde los datos se codifican en paquetes. La implementación de Ethernet aquí está bien y EtherCAT la usa. Pero luego, las otras capas conocidas por los usuarios de Ethernet, como la capa de red (IP) y la capa de transporte (TCP y UDP), son omitidas por completo por EtherCAT en aras del tiempo de ciclo.

Este y otros aspectos del protocolo son cómo EtherCAT puede reducir los tiempos de ciclo de 10 ms de Ethernet en varios órdenes de magnitud. Esto produce una tasa de datos efectiva de 100 Mbps.

Diferencias de topología de red Ethernet y EtherCAT

Las capas más altas que las capas física y de enlace de datos son diferentes entre Ethernet y EtherCAT. Echemos un vistazo a las diferencias y luego a las ventajas resultantes de EtherCAT para aplicaciones de sistemas DAQ y en tiempo real:

En una red Ethernet típica en su oficina u hogar, varios dispositivos están conectados esencialmente al mismo nivel. Cualquier dispositivo puede enviar datos a través de la red y cualquier dispositivo puede recibir datos. La red probablemente tiene un interruptor que la conecta a un dispositivo de Internet que proporciona acceso al mundo exterior.

Esto es muy flexible pero es propenso a la sobrecarga de datos cuando varios dispositivos envían o solicitan una gran cantidad de datos al mismo tiempo. Los mensajes de tiempo crítico pueden ralentizarse o incluso bloquearse en circunstancias extremas.

EtherCAT, por otro lado, opera de una manera muy diferente:

¡El dispositivo EtherCAT MASTER es el único que puede transmitir datos a través de la red! El maestro envía una cadena de datos a través del bus, eliminando las colisiones de datos de un sistema ethernet y optimizando la velocidad como resultado.

Las tramas EtherCAT están integradas dentro de una trama Ethernet estándar y se identifican en el campo EtherType por el valor 0x88A4. El maestro es el único dispositivo en un segmento EtherCAT que puede enviar mensajes; los esclavos pueden agregar datos y enviar la trama, pero no pueden crear nuevos mensajes por sí mismos.

Estas tramas son recibidas por los dispositivos esclavos EtherCAT (nodos) a los que están dirigidas. Los dispositivos esclavos procesan los datos y agregan lo que solicitó el maestro y envían la trama al siguiente nodo del anillo.

El siguiente nodo hace exactamente lo mismo: toma los datos destinados a él, vuelve a colocar los datos requeridos en la trama EtherCAT y los envía al siguiente nodo.

La velocidad aumenta con respecto a Ethernet convencional no solo porque hay un solo dispositivo que envía datos, sino también debido a una técnica llamada "procesamiento sobre la marcha". En Ethernet convencional, cada dispositivo tiene que leer el encabezado de cada mensaje para determinar si los datos están destinados a él, luego ingerir los datos y procesarlos de alguna manera. Pero con el procesamiento sobre la marcha, el nodo lee el encabezado y envía los datos simultáneamente, lo que ahorra tiempo y mejora la eficiencia.

Finalmente, a diferencia de Ethernet convencional, EtherCAT permite que los datos entrantes y salientes de más de un dispositivo en la red se combinen en cuadros únicos. Esto nuevamente optimiza la velocidad.

Curiosamente, si un nodo en particular no tiene la potencia de procesamiento para manejar los datos, el maestro puede ajustar la velocidad del bus, asegurando que ningún dispositivo en la red pierda datos.

Datos con sello de tiempo EtherCAT

Uno de los aspectos más importantes de EtherCAT es el reloj distribuido. Cada nodo marca la fecha y hora de los datos cuando se reciben y luego los vuelve a sellar cuando los envía al siguiente nodo. Entonces, cuando el maestro recibe los datos de los nodos, puede determinar fácilmente la latencia de cada nodo. Cada transmisión de datos del maestro obtiene una marca de tiempo de E / S de cada nodo, lo que hace que EtherCAT sea mucho más determinista y preciso en el eje T de lo que puede ser Ethernet.

Sin embargo, incluso antes de que EtherCAT comience a funcionar, el maestro envía una transmisión a todos los nodos esclavos en la red, quienes la bloquean cuando la reciben y cuando la devuelven. El maestro hará esto automáticamente tantas veces como sea necesario para reducir la fluctuación y mantener los nodos esclavos sincronizados entre sí.

Esta precisión de sincronización es extremadamente importante en aplicaciones de automatización de fábrica y control en tiempo real. Además, permite que los sistemas DAQ, como los disponibles en Dewesoft, se integren tan fácilmente en los sistemas de control.

El reloj distribuido incorporado de EtherCAT proporciona un excelente rendimiento de "jitter" mucho menor que un microsegundo (1 µs), que es equivalente a IEEE 1588 PTP (Protocolo de tiempo de precisión), sin la necesidad de ningún hardware adicional.

La autoterminación de EtherCAT significa tolerancia a fallas

Si la salida del último nodo no está conectada al maestro, los datos se devuelven automáticamente en la otra dirección a través del protocolo EtherCAT. Se mantiene el sello de tiempo.

Esta tolerancia a fallas significa que las redes EtherCAT no tienen que estar dispuestas en forma de anillo como los diagramas que se muestran arriba, sino que se pueden configurar de diversas formas, incluida la topología de árbol, la topología de anillo, la topología de línea, la topología en estrella e incluso las combinaciones.

Por supuesto, tiene que haber un camino entre los esclavos y el amo. Si los desconecta literalmente, no pueden funcionar, pero la cuestión es que la topología de la red es muy flexible y tolera fallas en un grado excepcional.

Los sistemas EtherCAT no requieren conmutadores como los que se encuentran en los sistemas Ethernet. Son posibles longitudes de cable de hasta 100 metros (328 pies) entre nodos. El LVDS (señalización diferencial de bajo voltaje) en las líneas de cobre de par trenzado funciona a altas velocidades y con un consumo de energía muy bajo. También es posible utilizar cables de fibra óptica para aumentar la velocidad y agregar aislamiento galvánico entre dispositivos.

Ethernet frente a EtherCAT

Dispositivos EtherCAT de medición y control

Con pocas excepciones, los sistemas que utilizan EtherCAT se dividen en dos grupos:

• Control y

• Medición.

Los dispositivos de control como los PLC son maestros en la red EtherCAT, mientras que los dispositivos de medición han sido históricamente "esclavos".

Sin embargo, el tercer tipo de dispositivo ha sido inventado por Dewesoft: un sistema DAQ que combina la adquisición de datos de alta velocidad a un host en paralelo con los datos de velocidad EtherCAT a un PLC o software / hardware de controlador maestro.

Hasta hace poco, cuando los ingenieros querían datos en tiempo real de un sistema DAQ, tomaban varias salidas analógicas (salida separada para cada uno de los canales de entrada analógica) del sistema DAQ y las llevaban al controlador PLC. Esto requirió múltiples entradas analógicas, así como una conversión redundante de datos analógicos a digitales.

Sin embargo, al instalar un puerto esclavo EtherCAT en sus sistemas DAQ, Dewesoft elimina por completo las entradas analógicas redundantes en el PLC, como se muestra en el gráfico siguiente:

Pero esto es solo el comienzo porque los sistemas DAQ como IOLITE e IOLITEd pueden incluso eliminar el hardware del PLC por completo en muchas aplicaciones. Es posible conectar IOLITE a una computadora host que ejecute software PLC en tiempo real. Estos incluyen sistemas como:

• Clemmesy Syclone®,

• Beckhoff Twincat®,

• MTS Flextest®,

• Acontis EC_Master®,

• National Instruments LabVIEW®,

• y más.

La combinación de IOLITE con uno de estos sistemas de software PLC en tiempo real, conectados a través de EtherCAT, e IOLITE puede incluso controlar los actuadores, proporcionando el control de hardware en tiempo real necesario para el sistema.

Hardware de control y adquisición de datos EtherCAT de Dewesoft

Dewesoft proporciona diferentes sistemas de adquisición de datos que ofrecen compatibilidad con EtherCAT. Analicemos cada uno y veamos cómo aplican la tecnología EtherCAT.

IOLITE DAQ y sistema de control

IOLITE es un sistema DAQ y un sistema de control en tiempo real para aplicaciones industriales. Proporciona de manera única control en tiempo real y monitoreo de retroalimentación. Cada sistema de adquisición de datos IOLITE está equipado con dos buses EtherCAT totalmente independientes que se ejecutan en paralelo.

El bus primario proporciona una adquisición de datos perfectamente sincronizada a través del software DewesoftX DAQ. IOLITE puede transmitir cualquier número de canales de entrada y salida a altas velocidades al disco duro de la computadora. Disponible en dos modelos básicos, el IOLITEr es un instrumento de montaje en rack de 19 pulgadas con 12 ranuras para módulos de entrada / salida. IOLITEs es un instrumento de sobremesa con 8 ranuras para módulos de entrada / salida.

El bus EtherCAT secundario de IOLITE se puede utilizar de dos formas:

• Una interfaz frontal de baja latencia para cualquier controlador en tiempo real compatible con EtherCAT de terceros.

• Un bus de sistema de adquisición de datos redundante para aplicaciones críticas de adquisición de datos.

IOLITE y sus “productos hermanos” R2rt, R4rt y R8rt (descritos en la siguiente sección) son únicos entre los sistemas de control / DAQ. Ofrecen la denominada funcionalidad de modo dual en la que los datos almacenados en búfer de alta velocidad se pueden transmitir a un host separado a través de USB y los datos de baja latencia a través de EtherCAT a cualquier controlador EtherCAT de terceros en paralelo.

Expansión de canal a través del puerto maestro EtherCAT

IOLITE DAQ y los sistemas de control tienen dos puertos EtherCAT redundantes, lo que significa que también puede recibir datos sincronizados de otros sistemas DAQ equipados con EtherCAT, como los modelos Dewesoft SIRIUS y KRYPTON, o por supuesto, módulos adicionales IOLITE o IOLITE modular.

Series de sistemas DAQ R2rt, R4rt y R8rt

Al igual que el modelo IOLITE, los modelos de la serie R # rt cuentan con una funcionalidad de modo dual que combina la transmisión de alta velocidad a un host a través de USB Y la transmisión de datos de baja latencia a través de EtherCAT a cualquier host de terceros. Combinan el acondicionamiento de señal insignia SIRIUS DAQ y la tecnología ADC con todas las ventajas de los datos deterministas sobre EtherCAT.

Disponibles con 2, 4 u 8 ranuras para módulos SIRIUS, se pueden equipar de 8 a 128 canales, como se muestra en la siguiente tabla:

Estudio de caso de aplicación de carga en carretera utilizando R8rt de Dewesoft

Datos de carga en carretera o pruebas de durabilidad es bien conocido dentro de la industria automotriz. Los automóviles y camiones se montan en un simulador de carreteras de varios ejes, que luego simula las cargas y tensiones de las condiciones de conducción reales y extremas. De esta manera, los ingenieros pueden someter sus vehículos a un análisis de ciclo de vida acelerado de una manera más eficiente que el uso de conductores humanos (nadie puede conducir durante 100 horas seguidas, por ejemplo).

Los datos que utiliza el simulador de carretera multieje proceden de pruebas de carretera reales. Los sistemas DAQ de Dewesoft se han utilizado durante mucho tiempo para estas pruebas, conduciendo dentro del vehículo y recopilando docenas de canales de datos dinámicos de una variedad de sensores, especialmente acelerómetros.

Sin embargo, anteriormente, el sistema DAQ utilizado en la pista de prueba y el controlador del simulador de carretera no tenían ninguna conexión. Los datos recopilados por el DAQ en la pista de prueba tuvieron que convertirse fuera de línea para su uso dentro del simulador de carretera.

Pero con los buses de datos duales del sistema R8rt, ahora es posible integrar completamente el sistema DAQ con el sistema del controlador, logrando una eficiencia y ahorros de costos mucho mayores. Se eliminan kilómetros de cables al no tener que volver a digitalizar los datos y enviándolos a través de EtherCAT, y el mismo sistema DAQ utilizado en la pista de prueba también se puede emplear en el banco de pruebas para las simulaciones de carga.

En el caso de estudio, aprenderá cómo se integró el sistema R8rt con el sistema de prueba de carga en carretera de MTS. Al combinar dos buses de datos (USB y EtherCAT®), y con MTS implementando la comunicación EtherCAT® en sus controladores de la serie FlexTest®, los instrumentos actuaron esencialmente como uno.

El mismo instrumento R8rt DAQ se utiliza tanto en el vehículo en la pista de prueba para recopilar los datos de carga real, como también en el banco de pruebas para la transmisión en tiempo real de estos datos al controlador.

Usando su capacidad única de modo dual, las muestras de datos de los módulos SIRIUS DAQ se transmiten en tiempo real a través de EtherCAT al controlador MTS a 10 kS / s por canal. Al mismo tiempo, la computadora interna del R8rt y el disco duro SSD registran los resultados de la prueba del vehículo en el simulador de carretera multieje a altas velocidades de hasta 200 kS / s por cada canal.

Más información:

KRYPTON - EtherCAT resistente DAQ para entornos hostiles

La mayoría del hardware DAQ del mercado está diseñado para uso industrial ligero o de oficina. Pero hay aplicaciones en las que el equipo DAQ debe ubicarse en entornos hostiles. Por ejemplo:

• Altas temperaturas de hasta 85 ° C (185 ° F)

• Temperaturas criogénicas hasta -40 ° C / F

• Alto impacto y vibración hasta 100 g

• Agua pulverizada o inmersión

• Alta concentración de polvo

Una vez más, la mayoría de los instrumentos DAQ no están diseñados para soportar ni una o dos de esas condiciones ambientales extremas. Basándose en estos requisitos, Dewesoft desarrolló la serie KRYPTON de instrumentos DAQ.

Distribución a través de cables EtherCAT individuales

Los módulos KRYPTON están interconectados mediante un único cable EtherCAT resistente que transporta datos, alimentación y sincronización. Los cables pueden tener hasta 100 m (328 pies) de largo para que los ingenieros puedan distribuir los módulos donde están las señales. Esto podría ser al otro lado de un puente o del piso de una gran fábrica.

La interfaz rápida EtherCAT se ejecuta a una velocidad de bus Full-Duplex de 100 Mbps, lo que proporciona un rendimiento de datos de 6 MB / sa 10 MB / s por cadena. Los módulos destinados a mediciones dinámicas pueden muestrear hasta 40 kS / s. Todos los módulos de la cadena, que pueden extenderse hasta 100 m (328 pies) entre nodos, están sincronizados con precisión.

Se pueden conectar muchos módulos de esta manera. KRYPTON está disponible en módulos multicanal, así como en módulos KRYPTON ONE de un solo canal para la máxima flexibilidad.

Resistente al agua y al polvo

Los sistemas KRYPTON cumplen con los estándares IP67 para agua y polvo, lo que significa que pueden resistir no solo el rocío de agua, sino también la inmersión total en 1 metro (39 pulgadas) de agua durante 30 minutos. Están completamente sellados contra el polvo y otras pequeñas partículas.

Tolerante a temperaturas extremas

Al estar rellenos con una goma aislante térmica, los módulos KRYPTON pueden soportar una amplia gama de temperaturas de -40 ° a 85 ° C (-40 ° a 185 ° F). Los módulos KRYPTON se encuentran en pruebas automotrices en climas cálidos y fríos, en bancos de pruebas de motores de cohetes y en fábricas donde se elaboran helados y otros alimentos fríos (o calientes).

Resistente a golpes y vibraciones

Los módulos KRYPTON están diseñados y clasificados para manejar entornos de alta vibración y golpes de 100g. Esto puede ser un requisito importante en muchas aplicaciones en las que se encuentran grandes máquinas vibratorias o en las pruebas de cohetes y otras máquinas grandes que producen fuerza.

SIRIUS: sistema DAQ de alto rendimiento

En ciertas aplicaciones, se requiere DAQ de muy alta gama para complementar los datos de velocidad relativamente baja que un PLC es capaz de grabar. Para estas aplicaciones, SIRIUS y SIRIUS Waterproof de Dewesoft es una solución perfecta.

SIRIUS tiene buses de datos USB y EtherCAT de alta velocidad, por lo que puede proporcionar los datos al maestro EtherCAT a una velocidad que puede manejar y, en paralelo, registrar datos a una velocidad mucho mayor en una computadora separada que ejecute el software DewesoftX.

SIRIUS también se puede conectar a un sistema IOLITE, para la expansión de canales. La operación de modo dual de enviar datos al maestro EtherCAT y a una computadora separada que ejecuta el software Dewesoft X en paralelo también es tolerante a fallas.

Incluso si la computadora con Windows que ejecuta el software Dewesoft X fallara por completo, SIRIUS continuaría enviando datos al maestro EtherCAT.

Lea las pruebas del caso de estudio de propulsores sólidos de cohetes Ariane V y conozca cómo se utilizan 800 canales de sistemas de control y DAQ Dewesoft aislados de alta velocidad y se integran completamente en el sistema de control SYCLONE mediante EtherCAT.

DEWESOFT y CLEMESSY combinan lo mejor de ambos mundos: capacidad de adquisición de datos de alta gama y frontales de control en un solo dispositivo con una solución de software de control y comando de rendimiento completo y eficiente. El alto nivel de calidad exigido por la Agencia Espacial Nacional Francesa y, en general, la Agencia Espacial Europea ha aumentado la madurez y solidez de las soluciones Dewesoft para grandes bancos de pruebas con cientos y miles de canales.

Cables EtherCAT para entornos hostiles

Bueno, si el hardware DAQ es impermeable, a prueba de polvo y puede soportar temperaturas de -40 °, los cables también deben poder soportar estos extremos ambientales. De lo contrario, el sistema fallará simplemente por los cables.

En consecuencia, Dewesoft ha desarrollado cables EtherCAT que se utilizan para interconectar sus series KRYPTON y SIRIUS Waterproof de sistemas DAQ para entornos hostiles. En el siguiente video, mostramos cómo los cables se congelan a -40 ° C y cómo mantienen su flexibilidad.

Compatibilidad de Dewesoft con EtherCAT Masters de terceros

Los sistemas DAQ basados en Dewesoft EtherCAT son compatibles con una amplia gama de maestros de hardware y software EtherCAT de terceros en el mercado actual, que incluyen:

• Clemmesy Syclone®

• Beckhoff Twincat®

• MTS Flextest®

• Acontis EC_Master®

• National Instruments LabVIEW® con PLC

¿Cuál es la diferencia entre EtherCAT y CANopen?

CANopen es un protocolo de alto nivel basado en el bus de hardware CAN (red de área del controlador). También incluye una especificación para cualquier dispositivo en el bus. Mientras que EtherCAT usa las dos capas más bajas (datos y física) del protocolo ethernet (consulte esta sección para un recordatorio), CANopen usa las dos capas más bajas de CAN OSI.

El aprovechamiento del hardware de bus CAN probado y fácilmente disponible fabricado por una amplia variedad de fabricantes es una de las principales ventajas de CANopen. Puede que CAN haya comenzado como una forma de reducir el cableado eléctrico en los automóviles, pero ha evolucionado durante décadas para usarse en prácticamente todas las industrias y miles de aplicaciones, desde la industria hasta la aeroespacial, la energía y más. Poner el protocolo CANopen de alto nivel en la parte superior del hardware CAN probado y confiable hace que el desarrollo y la implementación del sistema sean mucho más fáciles que nunca.

CANopen proporciona una forma simplificada y de alto nivel para que los ingenieros integren dispositivos que utilizan CAN como capa de comunicación de hardware. El protocolo maneja muchas tareas de bajo nivel específicas del hardware, lo que simplifica y acelera el desarrollo. Los problemas de hardware específicos de CAN, como el filtrado de aceptación y la sincronización de bits, son manejados por el protocolo CANopen. CANopen proporciona objetos de comunicación (COB) para procesos urgentes y otras tareas de gestión de hardware.

EtherCAT es una arquitectura de un solo maestro / muchos esclavos. El maestro asigna direcciones a cada esclavo, controla la velocidad de transmisión de la red y realiza una sincronización de tiempo inicial de todos los dispositivos, que puede repetirse según sea necesario. Además, el maestro es el único dispositivo que puede transmitir mensajes. Los esclavos son responsables de reaccionar a los mensajes, insertando sus respuestas con sello de tiempo y luego devolvérselas al maestro.

Las redes CANopen pueden tener más de un maestro. Sin embargo, el integrador debe asegurarse de que cada dispositivo tenga una dirección única y que todos los dispositivos estén configurados con la misma tasa de bits. La tasa de bits más alta recomendada de un sistema CANopen es 1000 kbps.

Un sistema CANopen puede tener hasta 127 dispositivos, uno de los cuales debe ser el maestro. Un segmento EtherCAT puede tener hasta 65.535 dispositivos. La distancia máxima entre dispositivos es de 100 m (328 pies).

EtherCAT es altamente determinista, logrando una fluctuación de fase superior a 1 µs a 100 Mbps. El telegrama CANopen SYNC está limitado a una longitud de trama y puede fluctuar con 130μs a 1 Mbps.

Comparación de nivel superior: EtherCAT y CANopen

1) Para obtener más detalles sobre CANopen, visite este página.

El estándar CANopen es mantenido por el CAN in Automation (CiA) International Users and Manufacturers Group. 

El estándar EtherCAT es mantenido por el EtherCAT Technology Group y está estandarizado según IEC 61158.

Tanto EtherCAT como CANopen se utilizan en una amplia variedad de industrias y aplicaciones, que incluyen:

• Automotor

• Transporte y ferrocarril

• Industrial

• Cuidado de la salud

• Industria

• Automatización industrial

• Agricultura

• Aeroespacial.

Ambos protocolos son modernos, bien mantenidos y útiles. Para aplicaciones distribuidas de baja y media velocidad, CANopen es una excelente opción. Para aplicaciones de mayor velocidad, especialmente aquellas que requieren alta precisión, sincronización de tiempo determinista y que incorporan control (con o sin DAQ), EtherCAT es una mejor opción.

Verifica Los modernos sistemas digitales de control y adquisición de datos EtherCAT de Dewesoft

¿Cómo funciona CANopen sobre EtherCAT (CoE)?

Como hemos visto a lo largo de este artículo, EtherCAT es un sistema robusto que aprovecha el hardware ethernet, que permite hasta 100 metros entre dispositivos, se adapta a topologías de red flexibles y proporciona un flujo de datos altamente determinista, sincronización automática del tiempo del esclavo por parte del maestro y más.

CANopen también tiene sus ventajas, por supuesto. Ha existido por más tiempo que EtherCAT y se ha adaptado miles de veces debido a su bajo costo de hardware y su fácil implementación. Teniendo en cuenta los puntos fuertes de CANopen y EtherCAT, es casi obvio que debería haber alguna forma de combinarlos y aprovechar ambos sistemas. Este protocolo se llama CANopen over Ethernet (CoE) y permite a los ingenieros utilizar todo el conjunto de funciones CANopen en EtherCAT rápido y robusto.

El protocolo CoE incluye objetos de datos de proceso (PDO) y objetos de datos de servicio (SDO). Casi todas las pilas CANopen existentes se pueden utilizar sin modificaciones porque el protocolo SDO se implementa directamente.

Las pilas de PDO se transfieren mediante el hardware EtherCAT determinista y más rápido, pero ya no están sujetas a la limitación de 8 bits de CANopen. Las similitudes entre las máquinas de estado EtherCAT y CANopen son tales que es necesario realizar pocos cambios al adaptar un perfil CANopen para que se ejecute en EtherCAT. CoE admite todos los perfiles de dispositivos CANopen e incluye la máquina de estado CAN.

El mayor ancho de banda de EtherCAT permite que todo el Diccionario de objetos se cargue a través de la red. También se pueden reutilizar numerosos perfiles de dispositivos, lo que reduce el tiempo y el costo de desarrollo.

EtherCAT multiprotocolo es una plataforma potente y rápida para ejecutar dispositivos CANopen y sirve como puente que les permite migrarlos fácilmente a Ethernet industrial.

What Are The Differences between EtherCAT and Standard Ethernet?

Primero, EtherCAT se basa en las dos primeras capas del protocolo Ethernet, como describimos en esta sección. Por lo tanto, existen similitudes muy fuertes en los niveles más bajos, pero no en los niveles de red, transporte o aplicación, por lo que no hay TCP / IP o UDP en EtherCAT.

EtherCAT se ha optimizado como un sistema maestro / esclavo determinista en tiempo real.

Las tramas (mensajes) EtherCAT se crean dentro de las tramas Ethernet estándar. Sin embargo, también hay muchas diferencias importantes:

• En una red EtherCAT, solo el maestro puede enviar mensajes, dirigirlos a los esclavos apropiados y luego recuperar los datos con sello de tiempo. Esto es muy diferente de una red Ethernet en la que todos los dispositivos pueden enviar mensajes y los datos no tienen una marca de tiempo determinista.

• EtherCAT es determinista, lo que significa que los datos en tiempo real de latencia extremadamente baja regresan al maestro desde los esclavos.

• En una red EtherCAT, el maestro se encarga de alinear el tiempo de todos los esclavos durante el arranque y a intervalos, para facilitar el sellado de tiempo de baja latencia. Está integrado en EtherCAT, pero debe agregarse a una red Ethernet estándar.

• EtherCAT fue diseñado desde cero para permitir el control en tiempo real de dispositivos y sistemas con una latencia extremadamente baja. Ethernet fue diseñado principalmente para aplicaciones de oficina e interconexión de computadoras, impresoras y otros periféricos de red.

• A diferencia de una red Ethernet estándar, en una red EtherCAT las colisiones de datos no son posibles debido a las restricciones mencionadas anteriormente.

• La transmisión de datos en una red EtherCAT es más rápida que en una red Ethernet estándar: 100 Mb / s en efecto con muy baja fluctuación.

• Al igual que Ethernet, las redes EtherCAT se pueden organizar en una amplia variedad de topologías: línea, anillo, estrella, etc.

¿Cómo puedo implementar EtherCAT usando Ethernet?

Una red EtherCAT utiliza cables Ethernet estándar para interconectar dispositivos. Así que simplemente en términos de cableado, las redes EtherCAT y Ethernet utilizan los mismos cables CAT5.

Sin embargo, si la pregunta se refiere a algo más, como conectar otros dispositivos ethernet a una red EtherCAT, entonces debemos mirar el protocolo llamado Ethernet sobre EtherCAT o EoE.

EoE es un protocolo que permite que una aplicación cliente de Windows se comunique con dispositivos en una red EtherCAT. Los paquetes Ethernet se envían desde el cliente a la red EtherCAT a través de un dispositivo llamado puerto de conmutación. Un puerto de conmutación tuneliza los datos de Ethernet en el protocolo EtherCAT insertando mensajes TCP / IP en los mensajes del sistema EtherCAT existente de una manera que no interfiera con la red.

Un puerto de conmutación se puede implementar como un dispositivo separado, como el Beckhoff 6601, que admite todos los protocolos basados en Ethernet (IEEE 802.3) y que está aislado eléctricamente a 500 V. Se puede instalar en cualquier lugar dentro del segmento EtherCAT y no lo hace. requieren cualquier configuración.

Pero también se puede implementar como una función dentro de uno de los dispositivos esclavos en la red EtherCAT, o incluso como una función de software en el maestro EtherCAT.

¿Qué es un EtherCAT Master?

Cada segmento o red EtherCAT necesita un maestro EtherCAT. Este maestro está a cargo de la red y es el único dispositivo que puede enviar mensajes a través de ella. También es responsable de sincronizar la hora de todos los esclavos en la red y de asignar direcciones para cada esclavo. Es responsable de solicitar datos a los esclavos y recibir de ellos los mensajes modificados que contienen los datos solicitados.

Un maestro EtherCAT envía datos por medio del MAC (Media Access Controller) en la capa 2 (la capa de datos) en el modelo estándar Ethernet OSI. No se necesitan procesadores de comunicación adicionales, lo que significa que la funcionalidad maestra EtherCAT se puede implementar en cualquier dispositivo que tenga un puerto Ethernet.

Como resultado, los maestros EtherCAT están disponibles como una pieza de hardware dedicada y en forma de software que se ejecuta en una computadora, independientemente del sistema operativo que ejecute. Los maestros EtherCAT se han desarrollado para Microsoft Windows, Linux, QNX, RTX, VxWorks y más.

Cuando se utiliza una computadora como maestro EtherCAT, el único requisito es el puerto Ethernet. Puede ser un puerto integrado o una NIC (tarjeta de interfaz de red) agregada. La mayoría de las NIC tienen acceso directo a DMA, lo que significa que la CPU no está involucrada con el acceso a los datos, lo que lo convierte en un sistema de muy alto rendimiento.

¿Cuál es la distancia máxima entre dispositivos EtherCAT?

Esta es una pregunta sin una sola respuesta porque hay muchas variables. Primero, la topología de un segmento EtherCAT puede ser una línea, anillo, árbol, estrella e incluso combinaciones de estas configuraciones.

En segundo lugar, EtherCAT admite hasta 65.536 dispositivos únicos en un segmento, lo que ciertamente implica que se admite una gran cantidad de dispositivos y se pueden conectar simultáneamente. Por supuesto, la practicidad de tal sistema es una cuestión.

Con cables Ethernet estándar (100BASE-TX), la distancia máxima entre dos dispositivos cualesquiera en el segmento es de 100 m (328 pies).

Sin embargo, utilizando cables de fibra óptica (100BASE-FX), estos 100 m pueden extenderse hasta 2 kilómetros (1,25 millas).

En términos prácticos, casi todos los sistemas EtherCAT se implementan en un edificio de fábrica típico o en un área específica dentro de una fábrica.

¿Cuál es el mejor protocolo similar a Ethernet para aplicaciones en tiempo real: EtherCAT, Profinet o algo más?

De hecho, EtherCAT y Profinet no son los únicos dos protocolos de Industrial Ethernet (IE) que se utilizan en la actualidad. Hay varios, incluidos EtherCAT, Profinet, EtherNet / IP, Powerlink, SERCOS III, Modbus TCP y CC-Link IE.

El propósito de cada uno de estos protocolos es aprovechar el hardware de Ethernet rápido y de bajo costo al crear sistemas de monitoreo y control en entornos de control de procesos industriales… mientras se mejora drásticamente la sincronización de tiempo, el determinismo y la solidez ambiental.

Introducido en 2003, Profinet es un estándar técnico para la comunicación a través de Ethernet industrial. No debe confundirse con Profibus, que es un Fieldbus de proceso introducido en 1989 y que se gestiona bajo IEC 61158. Profibus se basa en la comunicación serie RS485, mientras que Profinet se basa en Ethernet. Un sistema Profinet puede incorporar partes existentes de un sistema Profibus sin cambios, lo que lo hace atractivo como una ruta de actualización para esos sistemas más antiguos.

Todos estos sistemas Industrial Ethernet se pueden caracterizar por la cantidad de Ethernet OSI que utilizan. Como vimos anteriormente en este documento, EtherCAT usa solo las 2 primeras capas del OSI de Ethernet, omitiendo la capa de transporte (TCP, UDP) y así sucesivamente, para lograr los tiempos de ciclo más rápidos posibles y, por lo tanto, el determinismo más alto para la realidad. aplicaciones de control de tiempo.

Pero centrémonos en EtherCAT y Profinet basándonos en la pregunta que nos ocupa, y observemos cómo utilizan Ethernet OSI:

Observe en la tabla anterior que Profinet está disponible en tres versiones:

• Versión 1: basada en componentes (CBA): tiempos de ciclo de 100 ms

• Versión 2: Tiempo real (software en tiempo real): tiempos de ciclo de ~ 10 ms

• Versión 3: Tiempo real (tiempo real de hardware): tiempos de ciclo <1 ms

En las versiones 2 de Profinet y la capa de transporte (TCP / IP) no se usa, pero se reemplaza con un controlador de proceso dedicado que se transporta dentro de la trama de Ethernet. En la versión 2 este controlador se implementa en software, mientras que en la versión 3 se implementa en hardware, logrando los mejores tiempos de ciclo disponibles dentro de Profinet.

Estos cambios no impiden que el protocolo utilice TCP e IP, pero evitan depender de ellos.

La versión 1 de Profinet, también conocida como CBA (automatización basada en componentes), ya no está bien soportada. No puede manejar una gran cantidad de variables y fue visto como un puente entre el Profibus más antiguo y el mundo de Ethernet industrial. El enfoque actual está en Profinet IO, anteriormente llamado SRT (software en tiempo real) e IRT (isincrónico [hardware] en tiempo real).

La adición de hardware especial en Profinet IO lo hace lo suficientemente rápido y determinista como para usarse en aplicaciones de control de movimiento. Dado que Profinet IO (IRT) es el más cercano a EtherCAT en rendimiento, nos centraremos en él y no en las otras dos versiones en esta comparación de nivel superior:

1) Son posibles más nodos, pero Siemens recomienda 64 como máximo. Siemens es el principal fabricante de dispositivos Profinet y partidario del protocolo.

2) A diferencia de EtherCAT, Profinet no tiene una forma incorporada de restringir el tráfico entrante, por lo que es posible que las sobrecargas de la red puedan romper la red. El usuario es responsable de administrar las cargas de la red y asegurarse de que esto no suceda.

Según las principales métricas, EtherCAT es una solución Ethernet industrial superior. Es más rápido, más fácil de implementar, más flexible y de bajo costo en términos de topología, y es un estándar completamente abierto sin costos de licencia.

Además, dado que estamos enfocados en integrar sistemas DAQ con sistemas de control de procesos industriales, EtherCAT proporciona los ganchos, la velocidad, la baja latencia y el nivel de determinismo requeridos para lograr una integración DAQ exitosa. Ningún otro protocolo que hemos estudiado proporciona esto.

Resumen de EtherCAT

Esperamos que haya aprendido mucho sobre EtherCAT en este artículo y que aprecie los beneficios que tiene en aplicaciones de control industrial ... especialmente aquellas que involucran sistemas DAQ como IOLITE de Dewesoft y módulos de expansión como KRYPTON y SIRIUS.

Ventajas de EtherCAT

• Alto rendimiento: la topología Ethernet industrial más rápida a 200 Mb / s (dúplex completo = 100 Mbps x 2)

• Determinista: operación en tiempo real con sincronización ~ 1 ns

• Topología flexible: se puede organizar en anillo, línea, árbol, una estrella sin límite

• Sin concentradores ni conmutadores: expansión de red prácticamente ilimitada

• Fácil operación: el maestro asigna automáticamente direcciones de nodo y les envía mensajes de sincronización de reloj

• Configuración simple: no hay direcciones IP ni direcciones MAC que mantener

• Asequible: precio similar o inferior al de una red Fieldbus convencional. Los controladores maestros son relativamente económicos.

Aplicaciones EtherCAT

• Automatización industrial

• Redes de PLC

• Control de servodrives

• Sistemas de adquisición de datos (DAQ)

• Plataformas de control de movimiento y control de máquinas

• Robótica

• Sistemas de manipulación de material y equipaje

• Sistemas de pesaje

• Prensas de impresión

• Fabricación de semiconductores

• Fabricación de metales y pulpa y papel

• Plantas de energía

• Bancos de prueba

• Turbinas de viento

• Maquinaria agrícola

• Fresadoras

• Sistemas de control de túneles

• Sistemas de seguridad

• Y cientos más

Ventajas de DAQ y EtherCAT

• Los datos de alta y baja velocidad de los sistemas DAQ avanzados ahora se pueden integrar perfectamente en un sistema de control en tiempo real

• Eliminar el procesamiento A / D redundante significa menos complejidad, mayor precisión y ahorros de costos reales

• Un archivo de datos separado de muy alta velocidad está disponible para análisis avanzado si es necesario, y también está sincronizado con los datos del PLC