Cosa è il protocollo EtherCAT e come funziona?

Introduzione

EtherCAT sta per "Ethernet for Control Automation Technology". È un protocollo che porta la potenza e la flessibilità di Ethernet nel mondo di

• automazione industriale,

• motion control,

• sistemi di controllo real-time, e

• sistemi di acquisizione dati.

Ma diamo un'occhiata all'ethernet stesso per comprenderne l'utilità e la popolarità. Per pi contestulizzare il protocollo EtherCAT.

Breve Storia su Ethernet

Sviluppato negli anni '70 presso il Palo Alto Research Center (PARC) di Xerox, Ethernet è stato progettato come interfaccia di rete a basso costo e tollerante ai guasti per reti locali e WAN. Al momento della sua invenzione, c'erano altre reti, come TokenBus, TokenRing, ARCNET, CDDI e una varietà di interfacce di rete meno conosciute o proprietarie.

Lo scienziato del PARC Robert Metcalf è stato incaricato di capire come interconnettere le centinaia di computer dell'azienda in modo che potessero condividere la prima stampante laser al mondo, che era stata recentemente inventata da Xerox.

Oggi questo potrebbe sembrare un problema banale, ma nei primi anni '70 poche aziende avevano più di due o tre computer. Non c'erano personal computer, notebook, telefoni cellulari, tablet, ecc. Le reti esistenti non erano scalabili o abbastanza veloci da connettere così tante macchine, quindi Metcalf e i suoi colleghi avevano bisogno di un nuovo approccio per risolvere questo problema.

Con le proprie idee hanno combinato alcune tecnologie Internet e hanno dato vita alla rete che oggi è ovunque nel mondo, collegando milioni di dispositivi tra loro e a Internet stesso.

Sotto IEEE-802.3 emesso formalmente nel 1985, ethernet divenne l'interfaccia standard de facto per reti grandi e piccole e persino per singoli strumenti. È una combinazione di hardware e software sviluppata per essere tollerante ai guasti e veloce.

Le informazioni vengono suddivise in "pacchetti" o "frame" noti come datagrammi. Ogni datagramma contiene non solo i dati stessi, ma anche informazioni di intestazione e indirizzo in modo che possano essere ricostruiti all'estremità ricevente e un CRC (controllo di ridondanza ciclico) a 32 bit all'estremità per prevenire errori.

I dispositivi sulla rete hanno un'interfaccia ethernet, ognuno dei quali ha un indirizzo univoco. Questo è importante perché con così tanti dispositivi che potenzialmente trasmettono e ricevono sulla stessa rete, ogni dispositivo deve sapere a quali dati è destinato.

Come Vengono Inviati i Dati Tramite il Protocollo Ethernet

Immagina centinaia di lettere e scatole dell'ufficio postale che scorrono lungo la tua strada: la maggior parte sono per i tuoi vicini e alcune sono per te. Ma quali? Bene, l'indirizzo stampato sul fronte di ogni lettera assicura che quelli con il tuo indirizzo vengano automaticamente inseriti nella tua casella di posta.

Semplice, vero? Funziona così da centinaia di anni, molto prima dei computer.

Ma ora immagina che ogni lettera che arriva per strada sia stata effettivamente tagliata in migliaia o addirittura milioni di piccoli pezzi, e ogni pezzo è solo una parola all'interno di quella lettera.

Inoltre, queste parole non sono necessariamente in ordine. In effetti, sono anche mescolate insieme a miliardi di parole delle lettere del tuo vicino. All'improvviso è molto più complicato.

Ma con l'ethernet, ogni "parola" (datagramma) contiene le informazioni di cui la tua casella di posta ha bisogno per catturare le parole destinate ad essa e quindi riassemblarle perfettamente in ogni pezzo unico di posta che ti è stato inviato. Quindi, quando apri la tua casella di posta, le lettere sono perfettamente riassemblate e hanno l'aspetto di quando sono state spedite.

Non abbiamo bisogno di approfondire come funziona esattamente l'Ethernet, ma è importante capire la natura di questa interfaccia e perché è diventata così onnipresente oggi.

Breve Storia sull'EtherCAT

EtherCAT è stato originariamente sviluppato da Beckhoff Automation, un importante produttore di PLC (Controllore Logico Programmabile) utilizzati nell'automazione industriale e nei sistemi di controllo in tempo reale.

Avevano sviluppato la propria versione di Fieldbus chiamata "LightBus" alla fine degli anni '80, per affrontare il problema della larghezza di banda di altre interfacce. Ulteriori lavori su questo protocollo alla fine hanno portato all'invenzione dell'EtherCAT.

Beckhoff ha presentato EtherCAT al mondo nel 2003. E poi, nel 2004, ha donato i diritti all'ETG (EtherCAT Technology Group), che è responsabile della promozione dello standard. ETG ha uno sviluppatore e un gruppo di utenti molto attivi. EtherCAT è standardizzato secondo IEC 61158.

Perché EtherCAT?

Perché non possiamo semplicemente usare l'Ethernet per interconnettere data acquisition system DAQ e sistemi di controllo?

Ethernet è veloce. È economico. Ed è facile da implementare sui computer di oggi. Allora cosa manca?

La risposta sta principalmente nel determinismo o nella time accuracy. La casella di posta immaginaria nel nostro esempio sopra ha tutto il tempo necessario per raccogliere tutti i datagrammi dalle tue lettere e riassemblarli nella tua posta.

Quando al tuo indirizzo arrivano solo 100, la tua posta appare rapidamente nella tua casella di posta. Al contrario, nei giorni di posta pesante, ci vorrà più tempo, ma la differenza è irrilevante, giusto?

Quindi, l'Ethernet va assolutamente bene per inviare documenti in ufficio o da un dispositivo all'altro. La tua "posta" viene consegnata rapidamente e non importa se una lettera è stata ricevuta alle 10:00:02.123211 o alle 10:01 - di nuovo, l'istante esatto non ha importanza in quell'applicazione.

Ma i sistemi di controllo sono tutti una questione di tempismo. Importa davvero a che ora è successo qualcosa e con la massima risoluzione e accuratezza possibile sull'asse temporale.

I sistemi di controllo dell'automazione di fabbrica sono per definizione sistemi in tempo reale. L'accensione e lo spegnimento delle macchine richiede una latenza molto bassa. Ad esempio, non vuoi che il tuo messaggio di arresto di emergenza venga mescolato con un flusso di backup di dati di gigabyte: i messaggi in tempo reale dovrebbero sempre avere la priorità.

Ma in un sistema Ethernet convenzionale, non esiste un protocollo per questo: tutti i dati sono essenzialmente "uguali". Funziona bene con i computer dell'ufficio che condividono la larghezza di banda della rete per accedere a server e stampanti, ma non così bene con le applicazioni in tempo reale.

Scopri di più su EtherCAT

In questo video, Martin Rostan, direttore esecutivo di EtherCAT Technology Group, spiega in 20 minuti come EtherCAT genera vantaggi competitivi per gli utenti.

Strati Fisici EtherCAT

EtherCAT utilizza gli stessi livelli fisici e di collegamento dati di Ethernet, mostrati di seguito:

Il physical layer è l'hardware che trasmette fisicamente i dati attraverso la rete. Questo è il nucleo elettrico, cioè il livello “meccanico” della rete. 

Il data link layer è il luogo in cui i dati vengono codificati in pacchetti. L'implementazione ethernet qui va bene ed EtherCAT la usa. Ma poi gli altri livelli ben noti agli utenti di Ethernet come il livello di rete (IP) e il livello di trasporto (TCP e UDP) vengono ignorati completamente da EtherCAT nell'interesse del tempo di ciclo.

Questo e altri aspetti del protocollo sono il modo in cui EtherCAT può ridurre i tempi di ciclo di 10 ms dell'Ethernet di diversi ordini di grandezza. Ciò produce una velocità dati effettiva di 100 Mbps.

Differenze di Topologia di rete Ethernet ed EtherCAT

I livelli superiori ai physical layer e data link layer sono diversi tra Ethernet ed EtherCAT. Diamo un'occhiata alle differenze e quindi ai vantaggi risultanti dell'EtherCAT per applicazioni DAQ e di sistemi in tempo reale:

In una tipica rete Ethernet in ufficio o a casa, più dispositivi sono collegati essenzialmente allo stesso livello. Qualsiasi dispositivo può inviare dati attraverso la rete e qualsiasi dispositivo può ricevere dati. La rete probabilmente ha uno switch che la collega a un dispositivo Internet che fornisce l'accesso al mondo esterno.

Questo è molto flessibile ma è soggetto a sovraccarico di dati quando più dispositivi inviano o richiedono una grande quantità di dati contemporaneamente. I messaggi urgenti possono essere rallentati o addirittura bloccati in circostanze estreme.

EtherCAT, invece, opera in modo molto diverso:

Il dispositivo EtherCAT MASTER è l'unico autorizzato a trasmettere dati attraverso la rete! Il master invia una stringa di dati attraverso il bus, eliminando le collisioni di dati di un sistema ethernet e ottimizzando di conseguenza la velocità.

I frame EtherCAT sono incorporati in un frame Ethernet standard e sono identificati nel campo EtherType dal valore 0x88A4. Il master è l'unico dispositivo in un segmento EtherCAT a cui è consentito inviare messaggi: gli slave possono aggiungere dati e inviare il frame, ma non possono creare nuovi messaggi da soli.

Questi frame vengono ricevuti dai dispositivi slave EtherCAT (nodi) a cui è indirizzato. I dispositivi slave elaborano i dati e aggiungono ciò che è stato richiesto dal master e inviano il frame al nodo successivo nell'anello.

Il nodo successivo fa esattamente la stessa cosa, raccoglie i dati a lui destinati, reinserisce i dati richiesti nel frame EtherCAT e li invia al nodo successivo.

La velocità è aumentata rispetto all'ethernet convenzionale non solo perché c'è un solo dispositivo che invia i dati, ma anche grazie a una tecnica chiamata "elaborazione al volo". Nell'Ethernet convenzionale, ogni dispositivo deve leggere l'intestazione di ciascun messaggio per determinare se i dati sono destinati a esso, quindi acquisire i dati ed elaborarli in qualche modo. Ma con l'elaborazione al volo, il nodo legge l'intestazione e invia i dati contemporaneamente, risparmiando tempo e migliorando l'efficienza.

Infine, a differenza dell'Ethernet convenzionale, l'EtherCAT consente di combinare i dati in entrata e in uscita da più di un dispositivo sulla rete in singoli frame. Questo ottimizza ulteriormente la velocità.

È interessante notare che se un particolare nodo non ha la potenza di elaborazione per gestire i dati, la velocità del bus può essere regolata dal master, assicurando che nessun dato venga perso da qualsiasi dispositivo sulla rete.

Dati EtherCAT con Data e Ora

Uno degli aspetti più importanti di EtherCAT è il clock distribuito. Ogni nodo contrassegna i dati quando vengono ricevuti, quindi li timbra di nuovo quando li invia al nodo successivo. Dunque, quando il master riceve i dati dai nodi, può facilmente determinare la latenza di ciascun nodo. Ogni trasmissione di dati dal master riceve un timestamp I/O da ogni nodo, rendendo EtherCAT molto più deterministico e preciso sull'asse T di quanto possa essere l'Ethernet.

Tuttavia, anche prima che l'EtherCAT entri in funzione, il master invia un broadcast a tutti i nodi slave della rete, che lo agganciano quando lo ricevono e quando lo rimandano indietro. Il master lo farà automaticamente tutte le volte necessarie per ridurre il jitter e mantenere i nodi slave sincronizzati tra loro.

Questa precisione di temporizzazione è estremamente importante nelle applicazioni di controllo in tempo reale e di automazione di fabbrica. Consente inoltre ai sistemi DAQ come quelli Dewesoft di essere facilmente integrati nei sistemi di controllo.

Il clock distribuito integrato di EtherCAT fornisce eccellenti prestazioni di "jitter" molto inferiori a un microsecondo (1 µs), che risponde al IEEE 1588 PTP (Precision Time Protocol), senza la necessità di hardware aggiuntivo.

L'Auto-Terminazione di EtherCAT Significa Tolleranza ai Guasti

Se l'uscita dell'ultimo nodo non è collegata al master, tramite il protocollo EtherCAT i dati vengono automaticamente restituiti nell'altra direzione. Il timestamping viene mantenuto.

Questa tolleranza ai guasti significa che le reti EtherCAT non devono essere disposte in un anello come i diagrammi mostrati in precedenza, ma possono essere configurate in vari modi, tra cui topologia ad albero, topologia ad anello, topologia a linea, topologia a stella e persino combinazioni.

Naturalmente, deve esserci un percorso tra gli slave e il master. Se li scolleghi letteralmente non possono funzionare, ma il punto è che la topologia della rete è altamente flessibile e tollera i guasti in misura eccezionale.

Gli switch come quelli che trovi nei sistemi Ethernet non sono richiesti dai sistemi EtherCAT. Sono possibili lunghezze di cavo fino a 100 metri (328 piedi) tra i nodi. L'LVDS (segnalazione differenziale a bassa tensione) sulle linee in rame a doppino intrecciato funziona ad alta velocità e con un consumo energetico molto basso. È anche possibile utilizzare cavi in fibra ottica per aumentare la velocità e aggiungere isolamento galvanico tra i dispositivi.

Ethernet vs. EtherCAT

Dispositivi EtherCAT di Misura e Controllo

Con poche eccezioni, i sistemi che utilizzano EtherCAT sono divisi in due gruppi:

• Controllo e

• Misura.

I dispositivi di controllo come i PLC funzionano come master sulla rete EtherCAT, mentre i dispositivi di misura funzionano come "slave".

Tuttavia, il terzo tipo di dispositivo è stato inventato da Dewesoft: un sistema DAQ che combina l'acquisizione di dati ad alta velocità a un host in parallelo con i dati di velocità EtherCAT a un PLC o software/hardware del controller master.

Fino a poco tempo fa, quando gli ingegneri volevano dati in tempo reale da un sistema DAQ, prendevano le diverse uscite analogiche (uscita separata per ciascun canale di ingresso analogico) dal sistema DAQ e le portavano nel controller PLC. Ciò richiedeva più ingressi analogici e una conversione ridondante da dati analogici a dati digitali.

Tuttavia, installando una porta slave EtherCAT nei propri sistemi DAQ, Dewesoft elimina completamente gli ingressi analogici ridondanti sul PLC, come mostrato nel grafico seguente:

Ma questo è in realtà solo l'inizio perché i sistemi DAQ come IOLITE e IOLITE modular possono persino eliminare completamente l'hardware del PLC in molte applicazioni. È possibile connettere IOLITE a un computer host che esegue il software PLC in tempo reale. Questi includono sistemi come:

• Clemmesy Syclone®,

• Beckhoff Twincat®,

• MTS Flextest®,

• Acontis EC_Master®,

• National Instruments LabVIEW®,

• and more.

E' possibile combinare IOLITE con uno di questi sistemi software PLC in tempo reale, tramite connessione EtherCAT, e IOLITE può persino pilotare gli attuatori, fornendo il controllo hardware in tempo reale necessario per il sistema.

Hardware di Controllo e Acquisizione Dati EtherCAT Dewesoft

Dewesoft fornisce diversi sistemi di acquisizione dati che offrono compatibilità EtherCAT. Diamo un'occhiata a ciascuno ed a come utilizzano la tecnologia EtherCAT.

DAQ e Sistema di Controllo IOLITE

IOLITE è un sistema DAQ e un sistema di controllo in tempo reale per applicazioni industriali. Fornisce unicamente il controllo in tempo reale e il monitoraggio del feedback. Ogni sistema di acquisizione dati IOLITE è dotato di due bus EtherCAT completamente indipendenti che funzionano in parallelo.

Il bus primario fornisce l'acquisizione dei dati perfettamente sincronizzata tramite il software DAQ DewesoftX. IOLITE può trasmettere qualsiasi numero di canali di input e output ad alta velocità sul disco rigido del computer. Disponibile in due modelli base, IOLITE R12 è uno strumento per montaggio su rack da 19 pollici con 12 slot per moduli di ingresso/uscita. IOLITE-R8 è uno strumento da banco con 8 slot per moduli di ingresso/uscita.

Il bus EtherCAT secondario di IOLITE può essere utilizzato in due modi:

• Un'interfaccia front-end a bassa latenza per qualsiasi controller in tempo reale compatibile con EtherCAT di terze parti.

• Un bus del sistema di acquisizione dati ridondante per applicazioni di acquisizione dati critiche.

IOLITE e i suoi "prodotti fratelli" R2rt, R4rt e R8rt (descritti nella sezione successiva) sono unici tra i sistemi DAQ/controllo. Offrono la cosiddetta funzionalità dual-mode in cui i dati bufferizzati ad alta velocità possono essere trasmessi in streaming a un host separato tramite USB e dati a bassa latenza su EtherCAT a qualsiasi controller EtherCAT di terze parti in parallelo.

Espansione canali tramite la porta master EtherCAT

I sistemi DAQ e di controllo IOLITE hanno doppie porte EtherCAT ridondanti, il che significa che può anche ricevere dati sincronizzati da altri sistemi DAQ dotati di EtherCAT, come i modelli Dewesoft SIRIUS e KRYPTON, o, naturalmente, moduli aggiuntivi IOLITEr o IOLITE.

Serie di Sistemi DAQ R2rt, R4rt e R8rt

Come il modello IOLITE, i modelli della serie R#rt sono dotati di funzionalità dual-mode che combina lo streaming ad alta velocità a un host tramite USB e lo streaming di dati a bassa latenza su EtherCAT a qualsiasi host di terze parti. Combinano il condizionamento del segnale del SIRIUS, sistema DAQ di punta, e la tecnologia ADC con tutti i vantaggi dei dati deterministici rispetto a EtherCAT.

Disponibili con 2, 4 o 8 slot per moduli SIRIUS, possono essere equipaggiati da 8 a 128 canali, come mostrato nella tabella seguente:

Un esempio interessante di come gli ingegneri stanno mettendo a frutto questa capacità è descritto in questo case study- Registratore carichi strada e Condizionamento Segnale per banchi MTS. Di seguito una breve panoramica.

Case Study sull'Applicazione del Carico Stradale Utilizzando R8rt di Dewesoft

I dati sul carico stradale o i test di durata sono ben noti nell'industria automobilistica. Auto e camion sono montati su un simulatore stradale multiasse, che quindi simula i carichi e le sollecitazioni delle condizioni di guida reali ed estreme. In questo modo, gli ingegneri possono sottoporre i loro veicoli ad un'analisi accelerata del ciclo di vita in un modo più efficiente rispetto all'utilizzo di conducenti umani (nessuno può guidare per 100 ore di fila, ad esempio).

I dati utilizzati dal simulatore stradale multiasse provengono da prove su strada reali. I sistemi DAQ Dewesoft sono stati a lungo utilizzati per questi test, viaggiando all'interno del veicolo e raccogliendo dozzine di canali di dati dinamici da una varietà di sensori, in particolare gli accelerometri.

In precedenza, tuttavia, il sistema DAQ utilizzato sulla pista di prova e il controller del simulatore stradale non avevano alcun collegamento. I dati raccolti dal DAQ sulla pista di prova dovevano essere convertiti offline per l'uso all'interno del simulatore stradale.

Ma con i doppi bus dati del sistema R8rt , è ora possibile integrare completamente il sistema DAQ con il sistema di controllo, ottenendo un'efficienza e un risparmio sui costi molto maggiori. Si eliminano chilometri di cavi non dovendo ridigitalizzare i dati che vengono inviati via EtherCAT, inoltre lo stesso sistema DAQ utilizzato sulla pista di prova può essere impiegato anche sul banco prova per le simulazioni di carico.

Nel case study, imparerai come il sistema R8rt è stato integrato con il sistema di prova del carico su strada MTS. Combinando due bus dati (USB ed EtherCAT®) e con MTS che implementava la comunicazione EtherCAT® sui controller della serie FlexTest®, gli strumenti hanno agito essenzialmente come fossero uno solo. 

Lo stesso strumento DAQ R8rt viene utilizzato sia nel veicolo sulla pista di prova per raccogliere i dati di carico reale, sia sul banco di prova per lo streaming in tempo reale di questi dati al controller.

Utilizzando la sua esclusiva capacità dual-mode, i campioni di dati dai moduli SIRIUS DAQ vengono trasmessi in tempo reale su EtherCAT al controller MTS a 10 kS/s per canale. Allo stesso tempo, i risultati dei test del veicolo sul simulatore stradale multiasse vengono registrati dal computer interno R8rt e dal disco rigido SSD ad alte velocità fino a 200 kS/s per ciascun canale.

Maggiori informazioni:

Registratore carichi strada e condizionamento segnale per banchi MTSI sistemi Dewesoft DAQ integrano e inviano dati in tempo reale a master EtherCAT di terze parti come MTS FlexTest (simulatore stradale). Guarda come funziona la soluzione.

KRYPTON - DAQ EtherCAT robusto per ambienti difficili

La maggior parte dell'hardware DAQ sul mercato è progettata per l'ufficio o per l'industria leggera. Ma ci sono applicazioni in cui l'apparecchiatura DAQ deve essere collocata in ambienti difficili. Per esempio:

• Alte temperature fino a 85°C (185°F)

• Temperature criogeniche fino a -40° C/F

• Urti e vibrazioni elevati fino a 100 g

• Spruzzi d'acqua o immersione

• Alta concentrazione di polvere

Ancora una volta, la maggior parte degli strumenti DAQ non è progettata per resistere nemmeno a una o due di queste condizioni ambientali estreme. Sulla base di questi requisiti, Dewesoft ha sviluppato la serie di strumenti DAQ KRYPTON.

Distribuzione tramite cavi EtherCAT singoli

I moduli KRYPTON sono interconnessi tramite un singolo cavo EtherCAT robusto che trasporta dati, alimentazione e sincronizzazione. I cavi possono essere lunghi fino a 100 m (328 piedi) in modo che i tecnici possano distribuire i moduli più vicino possibile alla sorgente dei segnali.

L'interfaccia EtherCAT veloce funziona a una velocità del bus Full-Duplex di 100 Mbps, fornendo dati da 6 MB/s a 10 MB/s attraverso la catena. I moduli destinati alle misure dinamiche possono campionare fino a 40 kS/s. Tutti i moduli della catena, che possono essere distribuiti fino a 100 m (328 piedi) tra un nodo e l'altro, sono sincronizzati con precisione.

Molti moduli possono essere collegati in questo modo. KRYPTON è disponibile in moduli multicanale e moduli KRYPTON ONE a canale singolo per la massima flessibilità.

Impermeabile e Antipolvere

I sistemi KRYPTON soddisfano gli standard IP67 per acqua e polvere, il che significa che possono resistere non solo agli spruzzi d'acqua ma anche all'immersione totale in 1 metro di acqua per 30 minuti. Sono completamente sigillati contro polvere e altri piccoli particolati.

Tolleranza alle Temperature Estreme

Essendo riempiti con una gomma termicamente isolante, i moduli KRYPTON possono resistere a un'ampia gamma di temperature da -40° a 85° C (da -40° a 185° F). I moduli KRYPTON vengono usati nei test automobilistici in ambienti caldi e freddi, sui banchi prova dei motori e nelle fabbriche in cui vengono prodotti gelati e altri alimenti freddi (o caldi).

Resistente agli Urti e alle Vibrazioni

I moduli KRYPTON sono progettati e classificati per gestire urti da 100 g e ambienti con vibrazioni elevate. Questo può essere un requisito serio in molte applicazioni in cui si trovano grandi macchinari vibranti o per testare motori e altre grandi macchine che producono forza.

SIRIUS - Sistema DAQ ad Alte Prestazioni

In alcune applicazioni, vengono richiesti DAQ devices di fascia molto alta per integrare i dati a velocità relativamente bassa che un PLC è in grado di registrare. Per queste applicazioni, SIRIUS e SIRIUS Waterproof di Dewesoft sono una soluzione perfetta.

SIRIUS dispone di bus dati USB ed EtherCAT ad alta velocità, quindi può fornire i dati al master EtherCAT a una velocità che può gestire e, in parallelo, registrare dati a velocità molto più elevata su un computer separato che esegue il software DewesoftX.

SIRIUS può essere collegato anche ad un sistema IOLITE, per l'espansione dei canali. Anche l'operazione a doppia modalità di invio dei dati al master EtherCAT e a un computer separato che esegue il software Dewesoft X in parallelo è fault-tolerant!

Anche se il computer Windows che esegue il software Dewesoft X dovesse guastarsi completamente, SIRIUS continuerebbe a inviare dati al master EtherCAT.

Leggi il case study "Dewesoft è utilizzato sul banco prova europeo per testare il booster a propellente solido di grandi dimensioni" e scopri come 800 canali di sistemi di controllo e DAQ Dewesoft isolati ad alta velocità vengono utilizzati e completamente integrati nel sistema di controllo SYCLONE tramite EtherCAT.

DEWESOFT e CLEMESSY combinano il meglio di entrambi i mondi: capacità di acquisizione dati di fascia alta e front-end di controllo in un unico dispositivo con una soluzione software di controllo-comando efficiente e dalle prestazioni complete. L'alto livello di qualità richiesto dall'Agenzia Spaziale Nazionale Francese e più in generale dall'Agenzia Spaziale Europea ha permesso di migliorare la maturità e la robustezza delle soluzioni Dewesoft per grandi banchi prova con centinaia e migliaia di canali.

Cavi EtherCAT per Ambienti Difficili

Bene, se l'hardware DAQ è impermeabile, resistente alla polvere e può resistere a temperature di -40°, anche i cavi devono essere in grado di resistere a questi estremi ambientali. Altrimenti, il sistema fallirà semplicemente a causa dei cavi.

Di conseguenza, Dewesoft ha sviluppato cavi EtherCAT che vengono utilizzati per interconnettere la sua serie KRYPTON e SIRIUS Waterproof di sistemi DAQ per ambienti difficili. Nel video qui sotto mostriamo come i cavi congelati a -40°C mantengono la loro flessibilità.

Compatibilità Dewesoft con Master EtherCAT di Terze Parti

I sistemi DAQ basati su Dewesoft EtherCAT sono compatibili con un'ampia gamma di master hardware e software EtherCAT di terze parti presenti oggi sul mercato, tra cui:

• Clemmesy Syclone®

• Beckhoff Twincat®

• MTS Flextest®

• Acontis EC_Master®

• National Instruments LabVIEW® with PLC

Qual è la Differenza tra EtherCAT e CANopen? 

CANopen è un protocollo di alto livello basato sul bus hardware CAN (controller area network). Include anche una specifica per tutti i dispositivi sul bus. Mentre EtherCAT utilizza i due livelli più bassi (dati e fisico) del protocollo ethernet (vedere questa sezione per un promemoria), CANopen utilizza i due livelli più bassi del CAN OSI.

L'utilizzo di hardware CAN bus collaudato e prontamente disponibile realizzato da un vasto assortimento di produttori è uno dei principali vantaggi di CANopen. Il CAN potrebbe essere iniziato come un modo per ridurre i cablaggi elettrici nelle automobili, ma si è evoluto nel corso dei decenni per essere utilizzato praticamente in ogni settore e migliaia di applicazioni, dall'industria all'aerospaziale, all'energia e altro ancora. L'aggiunta del protocollo CANopen di alto livello all'hardware CAN collaudato e affidabile rende lo sviluppo e l'implementazione del sistema molto più semplici che mai.

CANopen fornisce un modo di alto livello e quindi semplificato per gli ingegneri di integrare dispositivi utilizzando CAN come livello di comunicazione hardware. Il protocollo gestisce molte attività di basso livello specifiche dell'hardware, semplificando e accelerando lo sviluppo. I problemi hardware specifici di CAN come il filtro di accettazione e la temporizzazione dei bit sono gestiti dal protocollo CANopen. CANopen fornisce oggetti di comunicazione (COB) per processi sensibili al fattore tempo e altre attività di gestione dell'hardware.

EtherCAT è un'architettura single master/molti slave. Il master assegna indirizzi a ciascuno slave, controlla la velocità di trasmissione della rete ed esegue una sincronizzazione temporale iniziale di tutti i dispositivi, che può essere ripetuta secondo necessità. Inoltre, il master è l'unico dispositivo autorizzato a trasmettere messaggi. Gli slave sono responsabili di reagire ai messaggi, inserendo le loro risposte con timestamp e quindi restituendole al master.

Le reti CANopen possono avere più di un master. Tuttavia, l'integratore deve garantire che ogni dispositivo abbia un indirizzo univoco e che tutti i dispositivi siano impostati sullo stesso bit rate. Il bit rate massimo consigliato di un sistema CANopen è 1000 kbps.

Un sistema CANopen può contenere fino a 127 dispositivi, uno dei quali deve essere il master. Un segmento EtherCAT può contenere fino a 65.535 dispositivi. La distanza massima tra i dispositivi è 100 m.

EtherCAT è altamente deterministico, raggiungendo un jitter migliore di 1µs a 100 Mbps. Il telegramma CANopen SYNC è limitato a una lunghezza di frame e può jitter con 130μs a 1 Mbps.

Confronto di primo livello: EtherCAT e CANopen

1) Per maggiori dettagli su CANopen, visita questa pagina.

Lo standard CANopen è mantenuto dal CAN in Automation (CiA) International Users and Manufacturers Group. 

Lo standard EtherCAT è gestito dall'EtherCAT Technology Group ed è standardizzato secondo IEC 61158.

Sia EtherCAT che CANopen sono utilizzati in un'ampia varietà di settori e applicazioni, tra cui:

• Automobilistico

• Trasporti e ferrovia

• Industriale

• Assistenza sanitaria

• Industria

• Automazione di fabbrica

• Agricoltura

• Aerospaziale.

Entrambi i protocolli sono moderni, ben mantenuti e utili. Per le applicazioni distribuite a bassa e media velocità, CANopen è una scelta eccellente. Per le applicazioni a velocità più elevate, in particolare quelle che richiedono un'elevata precisione, una sincronizzazione temporale deterministica e che incorporano il controllo (con o senza DAQ), EtherCAT è la scelta migliore.

Scopri i moderni sistemi di controllo e acquisizione dati EtherCAT digitali di Dewesoft

Come Funziona CANopen Over EtherCAT (CoE)?

Come abbiamo visto in questo articolo, EtherCAT è un sistema robusto che sfrutta l'hardware Ethernet, che consente fino a 100 metri tra i dispositivi, ospita topologie di rete flessibili e fornisce un flusso di dati altamente deterministico, sincronizzazione automatica del clock slave da parte del master e altro ancora.

Anche CANopen ha i suoi vantaggi, ovviamente. È in circolazione da più tempo di EtherCAT ed è stato adattato migliaia di volte a causa del suo basso costo hardware e della facile implementazione. Considerando i punti di forza di CANopen ed EtherCAT, è quasi ovvio che dovrebbe esserci un modo per combinarli e sfruttare entrambi i sistemi. Questo protocollo è chiamato CANopen over Ethernet (CoE) e consente agli ingegneri di utilizzare l'intero set di funzionalità CANopen su EtherCAT veloce e robusto. 

Il protocollo CoE include oggetti di dati di processo (PDO) e oggetti di dati di servizio (SDO). Quasi tutti gli stack CANopen esistenti possono essere utilizzati senza modifiche poiché il protocollo SDO è implementato direttamente.

Gli stack PDO vengono trasferiti dall'hardware EtherCAT più veloce e deterministico, ma non sono più soggetti alla limitazione a 8 bit di CANopen. Le somiglianze tra le macchine a stati EtherCAT e CANopen sono tali che è necessario apportare poche modifiche quando si adatta un profilo CANopen per l'esecuzione su EtherCAT. CoE supporta tutti i profili del dispositivo CANopen e include la macchina a stati CAN.

La maggiore larghezza di banda di EtherCAT consente di caricare l'intero Object Dictionary attraverso la rete. È inoltre possibile riutilizzare numerosi profili di dispositivi, riducendo tempi e costi di sviluppo.

EtherCAT multiprotocollo è una piattaforma potente e veloce per l'esecuzione di dispositivi CANopen e funge da bridge che consente loro di essere facilmente migrati a Ethernet industriale.

Quali sono le Differenze tra EtherCAT ed Ethernet Standard?

Innanzitutto, EtherCAT è costruito sui primi due livelli del protocollo Ethernet, come descritto in questa sezione. Quindi ci sono somiglianze molto forti ai livelli più bassi, ma non a livello di rete, trasporto o applicazione, quindi non c'è TCP/IP o UDP in EtherCAT.

EtherCAT è stato ottimizzato come sistema master/slave deterministico in tempo reale.

I frame EtherCAT (messaggi) sono costruiti all'interno dei frame Ethernet standard. Tuttavia, ci sono anche molte grandi differenze:

• Su una rete EtherCAT, solo il master può inviare messaggi, indirizzandoli agli slave appropriati e quindi recuperando da loro i dati con data e ora. Questo è molto diverso da una rete ethernet in cui ogni dispositivo può inviare messaggi e i dati non sono marcati con data e ora in modo deterministico.

• EtherCAT è deterministico, il che significa che i dati in tempo reale a latenza estremamente bassa ritornano al master dagli slave.

• In una rete EtherCAT, il master è responsabile dell'allineamento temporale di tutti gli slave all'avvio e ad intervalli, al fine di facilitare la marcatura temporale a bassa latenza. Questo è integrato in EtherCAT, ma deve essere aggiunto a una rete Ethernet standard.

• EtherCAT è stato progettato da zero per consentire il controllo in tempo reale su dispositivi e sistemi con latenza estremamente bassa. Ethernet è stata progettata principalmente per applicazioni da ufficio e per l'interconnessione di computer, stampanti e altre periferiche di rete.

• A differenza di una rete Ethernet standard, in una rete EtherCAT non sono possibili collisioni di dati a causa delle limitazioni sopra menzionate.

• La trasmissione dei dati su una rete EtherCAT è più veloce di una rete Ethernet standard: 100 Mb/s in effetti con un jitter molto basso.

• Come Ethernet, le reti EtherCAT possono essere organizzate in un'ampia varietà di topologie: linea, anello, stella, ecc.

Come posso Distribuire EtherCAT Utilizzando Ethernet?

Una rete EtherCAT utilizza cavi Ethernet standard per interconnettere i dispositivi. Quindi, semplicemente in termini di cablaggio, entrambe le reti EtherCAT ed Ethernet utilizzano gli stessi cavi CAT5.

Tuttavia, se la domanda si riferisce a qualcosa di più, come collegare altri dispositivi Ethernet a una rete EtherCAT, allora dobbiamo guardare il protocollo chiamato Ethernet over EtherCAT o EoE.

EoE è un protocollo che consente a un'applicazione client Windows di comunicare con dispositivi su una rete EtherCAT. I pacchetti Ethernet vengono inviati dal client alla rete EtherCAT tramite un dispositivo chiamato Switch Port. Una Switch Port incanala i dati ethernet nel protocollo EtherCAT inserendo messaggi TCP/IP nei messaggi del sistema EtherCAT esistente in un modo che non interferisce con la rete.

Una porta switch può essere implementata come dispositivo separato, come il Beckhoff 6601, che supporta tutti i protocolli basati su Ethernet (IEEE 802.3) ed è isolato elettricamente a 500 V. Può essere installato ovunque all'interno del segmento EtherCAT e non richiedono alcuna configurazione.

Ma può anche essere implementato come funzione all'interno di uno dei dispositivi slave sulla rete EtherCAT, o anche come funzione software sul master EtherCAT.

Cosa è un Master EtherCAT?

Ogni segmento o rete con tecnologia EtherCAT necessita di un master EtherCAT. Questo master è responsabile della rete ed è l'unico dispositivo a cui è consentito inviare messaggi attraverso di essa. È anche responsabile della sincronizzazione temporale di tutti gli EtherCAT slave sulla rete e dell'assegnazione degli indirizzi per ogni slave. È responsabile della richiesta dei dati dagli slave e della ricezione dei messaggi modificati da essi contenenti i dati richiesti.

Un master EtherCAT invia i dati tramite il MAC (Media Access Controller) al livello 2 (il livello dati) nel modello ethernet standardizzato OSI. Non sono necessari processori di comunicazione aggiuntivi, il che significa che la funzionalità master EtherCAT può essere implementata su qualsiasi dispositivo dotato di porta Ethernet.

Di conseguenza, i master EtherCAT sono disponibili sia come componente hardware dedicato che sotto forma di software in esecuzione su un computer, indipendentemente dal sistema operativo utilizzato. I master EtherCAT sono stati sviluppati per Microsoft Windows, Linux, QNX, RTX, VxWorks e altro.

Quando si utilizza un computer come master EtherCAT, l'unico requisito è la porta ethernet. Può trattarsi di una porta integrata o di una scheda NIC aggiuntiva (scheda di interfaccia di rete). La maggior parte delle schede di rete ha accesso DMA diretto, il che significa che la CPU non è coinvolta nell'accesso ai dati, creando un sistema ad altissime prestazioni.

Qual è la Distanza Massima tra i Dispositivi EtherCAT?

Questa è una domanda senza una sola risposta perché ci sono così tante variabili. Innanzitutto, la topologia di un segmento EtherCAT può essere una linea, un anello, un albero, una stella e persino una combinazione di queste configurazioni.

In secondo luogo, EtherCAT supporta fino a 65.536 dispositivi univoci su un segmento, il che implica certamente che è supportato un numero molto elevato di dispositivi e può essere connesso contemporaneamente. 

Utilizzando cavi Ethernet standard (100BASE-TX), la distanza massima tra due dispositivi qualsiasi sul segmento è di 100 m.

Tuttavia, utilizzando cavi in fibra ottica (100BASE-FX) questi 100 m possono essere estesi fino a 2 chilometri.

Qual è il Miglior Protocollo Simile a Ethernet per le Applicazioni in Tempo Reale: EtherCAT, Profinet o qualcos'altro?

Infatti, EtherCAT e Profinet non sono gli unici due protocolli Industrial Ethernet (IE) in uso oggi. Ce ne sono diversi, tra cui EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP, Powerlink, SERCOS III, Modbus TCP e CC-Link IE.

Lo scopo di ciascuno di questi protocolli è sfruttare l'hardware Ethernet veloce e a basso costo durante la creazione di sistemi di monitoraggio e controllo in ambienti di controllo dei processi industriali... migliorando notevolmente la sincronizzazione dell'ora, il determinismo e la robustezza ambientale.

Introdotto nel 2003, Profinet è uno standard tecnico per la comunicazione su Ethernet industriale. Non va confuso con Profibus, che è un Fieldbus di processo introdotto nel 1989 e gestito secondo IEC 61158. Profibus si basa sulla comunicazione seriale RS485, mentre Profinet si basa su Ethernet. Un sistema Profinet può incorporare parti esistenti di un sistema Profibus senza modifiche, rendendolo interessante come percorso di aggiornamento per quei sistemi più vecchi.

Tutti questi sistemi Industrial Ethernet possono essere caratterizzati secondo quanta parte dell'OSI Ethernet che utilizzano. Come abbiamo visto in precedenza in questo documento, EtherCAT utilizza solo i primi 2 livelli dell'OSI Ethernet, saltando il livello di trasporto (TCP, UDP) e così via, al fine di ottenere i tempi di ciclo più rapidi possibili e quindi il massimo determinismo per applicazioni per il controllo in tempo reale.

Ma concentriamoci su EtherCAT e Profinet in base alla domanda in questione e diamo un'occhiata a come usano l'OSI Ethernet:

dalla tabella sopra si vede che Profinet è disponibile in tre versioni:

• Versione 1: Basato su componenti (CBA): tempi di ciclo di 100 ms

• Versione 2: Real-Time (software in tempo reale): tempi di ciclo ~10 ms

• Versione 3: Real-Time (hardware in tempo reale): tempi di ciclo < 1 ms 

Nelle versione 2 di Profinet, il livello di trasporto (TCP/IP) non viene utilizzato ma viene sostituito con un controller di processo dedicato che viene trasportato all'interno del frame Ethernet. Nella versione 2 questo controller è implementato nel software, mentre nella versione 3 è implementato nell'hardware, ottenendo i migliori tempi di ciclo disponibili all'interno di Profinet.

Queste modifiche non impediscono l'utilizzo di TCP e IP da parte del protocollo, ma evitano di fare affidamento su di essi.

Profinet versione 1, alias CBA (automazione basata su componenti), non è più ben supportata. Non può gestire un gran numero di variabili ed è visto come un ponte dal vecchio Profibus al mondo Industrial Ethernet. L'attenzione oggi è su Profinet IO, precedentemente chiamato SRT (software real-time) e IRT (isincrono [hardware] real-time).

L'aggiunta di hardware speciale in Profinet IO lo rende abbastanza veloce e deterministico da poter essere utilizzato per applicazioni di controllo del movimento. Poiché Profinet IO (IRT) è il più vicino a EtherCAT in termini di prestazioni, ci concentreremo su di esso e non sulle altre due versioni in questo confronto di primo livello:

1) Sono possibili più nodi, ma Siemens ne consiglia 64 al massimo. Siemens è il principale produttore di dispositivi Profinet e un sostenitore del protocollo.

2) A differenza di EtherCAT, Profinet non ha un modo integrato per limitare il traffico in entrata, quindi è possibile che i sovraccarichi di rete possano interrompere la rete. L'utente è responsabile della gestione dei carichi di rete e garantisce che ciò non accada.

Secondo tutti i principali parametri, EtherCAT è una soluzione Ethernet industriale superiore. È più veloce, più facile da implementare, più flessibile e a basso costo in termini di topologia ed è uno standard completamente aperto senza costi di licenza.

Inoltre, poiché ci concentriamo sull'integrazione dei sistemi DAQ con i sistemi di controllo dei processi industriali, EtherCAT fornisce gli hook, la velocità, la bassa latenza e il livello di determinismo richiesti per realizzare un'integrazione DAQ di successo. Nessun altro protocollo che abbiamo studiato prevede questo.

Riepilogo EtherCAT

Ci auguriamo che tu abbia imparato molto sull'EtherCAT in questo articolo e che apprezzi i vantaggi che ha nelle applicazioni di controllo industriale... specialmente quelle che coinvolgono sistemi DAQ come IOLITE di Dewesoft e moduli di espansione come KRYPTON e SIRIUS.

Vantaggi EtherCAT

• Alte prestazioni - La topologia Ethernet industriale più veloce a 200 Mb/s (full duplex = 100 Mbps x 2)

• Deterministico - funzionamento in tempo reale con sincronizzazione ~ 1 ns

• Topologia flessibile - può essere organizzata in anello, linea, albero, stella senza limiti

• Nessun hub o switch - espansione della rete praticamente illimitata

• Funzionamento semplice - il master assegna automaticamente gli indirizzi dei nodi e invia loro messaggi di sincronizzazione del clock

• Configurazione semplice - non ci sono indirizzi IP o indirizzi MAC da mantenere

• Conveniente - prezzo simile o inferiore a una rete Fieldbus convenzionale. I controller master sono relativamente economici.

Applicazioni EtherCAT

• Automazione Industriale

• Reti PLC

• Controllo servoazionamenti

• Sistemi di Acquisizione Dati (DAQ)

• Piattaforme di Motion control e Machine control 

• Robotica

• Sistemi di movimentazione materiali e bagagli

• Sistemi di pesatura

• Stampanti

• Produzione di semiconduttori

• Metalli e produzione di pasta e carta

• Centrali elettriche

• Banchi prova

• Turbine eoliche

• Macchinari agricoli

• Fresatrici

• Sistemi di controllo in galleria

• Sistemi di sicurezza

• E altre centinaia

Vantaggi di DAQ ed EtherCAT

• I dati ad alta e bassa velocità provenienti da sistemi DAQ avanzati ora possono essere integrati perfettamente in un sistema di controllo in tempo reale

• L'eliminazione dell'elaborazione A/D ridondante significa meno complessità, migliore accuratezza e risparmi reali sui costi

• Un file di dati separato ad altissima velocità è disponibile per l'analisi avanzata, se necessario, ed è anche sincronizzato con i dati del PLC