O que é o protocolo EtherCAT e como ele funciona?

Introdução

EtherCAT significa “Ethernet para Tecnologia de Automação de Controle”. É um protocolo que traz o poder e a flexibilidade da Ethernet para o mundo da

• automação industrial,

• controle de movimento,

• sistemas de controle em tempo real e

• sistemas de aquisição de dados.

Mas vamos dar uma olhada na própria ethernet para entender sua utilidade e popularidade. Isso colocará o EtherCAT em contexto.

Uma breve história da Ethernet

Desenvolvida na década de 1970 no Palo Alto Research Center (PARC) da Xerox, a Ethernet foi projetada como uma interface de rede de baixo custo e tolerante a falhas para redes locais e de longa distância. Na época de sua invenção, havia outras redes, como TokenBus, TokenRing, ARCNET, CDDI e uma variedade de interfaces de rede proprietárias ou menos conhecidas

Developed in the 1970s at Xerox’s Palo Alto Research Center (PARC), Ethernet was designed as a low-cost and fault-tolerant network interface for both local and wide-area networks. At the time of its invention, there were other networks, such as TokenBus, TokenRing, ARCNET, CDDI, and a variety of lesser-known or proprietary network interfaces. 

O cientista do PARC, Robert Metcalf, foi designado para descobrir como interconectar as centenas de computadores da empresa para que eles pudessem compartilhar a primeira impressora a laser do mundo, que havia sido inventada recentemente pela Xerox.

Isso pode parecer um problema trivial hoje, mas no início dos anos 1970 poucas empresas tinham mais de dois ou três computadores. Não havia computadores pessoais, notebooks, telefones celulares, tablets etc. As redes existentes não eram escalonáveis ​​ou rápidas o suficiente para conectar tantas máquinas, então Metcalf e seus colegas precisavam de uma nova abordagem para resolver esse problema.

Eles combinaram algumas tecnologias da internet com suas próprias ideias e deram origem à rede que hoje está em todo o mundo, conectando milhões de dispositivos entre si e à própria internet.

Sob o IEEE-802.3 emitido formalmente em 1985, a ethernet se tornou a interface padrão de fato para redes grandes e pequenas, e até mesmo para instrumentos individuais. É uma combinação de hardware e software desenvolvido para ser rápido e tolerante a falhas.

As informações são divididas em “pacotes” ou “quadros” conhecidos como datagramas. Cada datagrama contém não apenas os dados em si, mas também as informações de cabeçalho e endereço de identificação para que possa ser reconstruído na extremidade receptora e um CRC (verificação cíclica de redundância) de 32 bits no final para evitar erros.

Os dispositivos da rede possuem uma interface Ethernet, cada uma com um endereço exclusivo. Isso é importante porque, com tantos dispositivos potencialmente transmitindo e recebendo na mesma rede, cada dispositivo precisa saber quais dados se destinam a ele.

Como os dados são enviados por meio do protocolo Ethernet

Imagine centenas de cartas e caixas dos correios fluindo pela sua rua - a maioria delas é para seus vizinhos e algumas delas são para você. Mas quais? Bem, o endereço impresso na capa de cada carta garante que aqueles com seu endereço sejam colocados automaticamente em sua caixa de correio.

Simples, certo? Funcionou assim por centenas de anos - muito antes dos computadores.

Mas agora imagine que cada letra que vem pela rua foi realmente cortada em milhares ou mesmo milhões de pedaços minúsculos, e cada pedaço é apenas uma palavra de dentro daquela letra.

Além disso, essas palavras não estão necessariamente em ordem. Na verdade, eles são misturados com bilhões de palavras das cartas de seus vizinhos também. De repente, é muito mais complicado.

Mas com a ethernet, cada “palavra” (datagrama) contém as informações de que sua caixa de correio precisa para pegar as palavras destinadas a ela e, em seguida, remontá-las perfeitamente em cada remessa exclusiva que foi enviada a você. Assim, quando você abre sua caixa de correio, as cartas são perfeitamente remontadas e têm a mesma aparência de quando foram enviadas.

Não precisamos nos aprofundar em como exatamente a ethernet funciona, mas é importante entender a natureza dessa interface e por que ela se tornou tão onipresente hoje.

Uma breve história do EtherCAT

EtherCAT foi originalmente desenvolvido pela Beckhoff Automation, um grande fabricante de CLPs (controladores lógicos programáveis) usados em automação industrial e sistemas de controle em tempo real.

Eles desenvolveram sua própria versão do Fieldbus chamada “LightBus” no final dos anos 1980, para resolver o problema de largura de banda de outras interfaces. O trabalho adicional neste protocolo eventualmente resultou na invenção do EtherCAT.

A Beckhoff apresentou o EtherCAT ao mundo em 2003. E então, em 2004, eles doaram os direitos para o ETG (EtherCAT Technology Group), que é responsável pela promoção do padrão. ETG tem um grupo de desenvolvedores e usuários muito ativo. EtherCAT é padronizado pela IEC 61158.

Por que EtherCAT?

Por que não podemos simplesmente usar ethernet para interconectar DAQ e sistemas de controle? Ethernet é rápida. É barato. E é fácil de implementar nos instrumentos baseados em computador de hoje. Então, o que está faltando?

A resposta está principalmente no determinismo ou precisão do tempo. A caixa de correio imaginária em nosso exemplo acima tem todo o tempo necessário para coletar todos os datagramas de suas cartas e remontá-los em sua correspondência.

Em um dia em que apenas 100 cartas chegassem em sua rua, sua correspondência apareceria rapidamente em sua caixa de correio. Em dias de correspondência pesada, demoraria mais, mas a diferença é irrelevante, certo?

Portanto, a ethernet é absolutamente adequada para enviar documentos pelo escritório ou de um dispositivo para outro. Seu “e-mail” é entregue rapidamente e realmente não importa se uma carta foi recebida às 10h00: 02.123211 ou às 10h01 - novamente, o instante exato não importa nesse aplicativo.

Mas os sistemas de controle são tudo uma questão de tempo. Realmente IMPORTA a que horas algo aconteceu e com a maior precisão e resolução possível do eixo de tempo.

Os sistemas de controle de automação de fábrica são, por definição, sistemas em tempo real. Ligar e desligar máquinas requer latência muito baixa. Você não quer sua mensagem de desligamento de emergência misturada com um fluxo de backup de dados de gigabyte, por exemplo - as mensagens em tempo real devem sempre ter prioridade.

Mas em um sistema Ethernet convencional, não há protocolo para isso - todos os dados são essencialmente "iguais". Isso funciona bem com os computadores do seu escritório compartilhando largura de banda da rede para acessar servidores e impressoras, mas não tão bem com aplicativos em tempo real.

Saiba mais sobre EtherCAT

Neste vídeo, Martin Rostan, Diretor Executivo do EtherCAT Technology Group, explica em 20 minutos como EtherCAT gera vantagens competitivas para os usuários.

Camadas físicas EtherCAT

EtherCAT usa as mesmas camadas físicas e de enlace de dados da Ethernet, mostradas abaixo:

A camada física é o hardware que transporta fisicamente os dados pela rede. Este é o núcleo elétrico, ou seja, o nível "mecânico" da rede.

A camada de enlace de dados é onde os dados são codificados em pacotes. A implementação de ethernet aqui é boa, e EtherCAT a usa. Mas então as outras camadas bem conhecidas pelos usuários de ethernet como a camada de rede (IP) e a camada de transporte (TCP e UDP) são ignoradas completamente pelo EtherCAT no interesse do tempo de ciclo.

Este e outros aspectos do protocolo mostram como o EtherCAT pode reduzir os tempos de ciclo de 10 ms da Ethernet em várias ordens de magnitude. Isso resulta em uma taxa de dados efetiva de 100 Mbps.

Diferenças de topologia de rede Ethernet e EtherCAT

As camadas mais altas do que as camadas físicas e de enlace de dados são diferentes entre Ethernet e EtherCAT. Vamos dar uma olhada nas diferenças e, em seguida, nas vantagens resultantes do EtherCAT para aplicativos de sistema DAQ e em tempo real:

Em uma rede Ethernet típica em seu escritório ou casa, vários dispositivos são conectados essencialmente no mesmo nível. Qualquer dispositivo pode enviar dados pela rede e qualquer dispositivo pode receber dados. A rede provavelmente tem um switch que a conecta a um dispositivo de Internet que fornece acesso ao mundo externo.

Isso é muito flexível, mas está sujeito à sobrecarga de dados quando vários dispositivos enviam ou solicitam uma grande quantidade de dados ao mesmo tempo. Mensagens de tempo crítico podem ser retardadas ou mesmo bloqueadas em circunstâncias extremas.

EtherCAT, por outro lado, opera de uma maneira muito diferente:

O dispositivo EtherCAT MASTER é o único com permissão para transmitir dados pela rede! O mestre envia uma sequência de dados pelo barramento, eliminando as colisões de dados de um sistema Ethernet e otimizando a velocidade como resultado.

Os quadros EtherCAT são incorporados a um quadro Ethernet padrão e são identificados no campo EtherType pelo valor 0x88A4. O mestre é o único dispositivo em um segmento EtherCAT que tem permissão para enviar mensagens - os escravos podem adicionar dados e enviar o quadro junto, mas não podem criar novas mensagens por conta própria.

Esses quadros são recebidos pelos dispositivos escravos EtherCAT (nós) aos quais são endereçados. Os dispositivos escravos processam dados e adicionam de volta o que foi solicitado pelo mestre e enviam o quadro para o próximo nó do anel.

O próximo nó faz exatamente a mesma coisa, recebendo os dados destinados a ele, colocando os dados necessários de volta no quadro EtherCAT e enviando-os para o próximo nó.

A velocidade aumentou com a Ethernet convencional, não apenas porque há apenas um dispositivo enviando dados, mas também por causa de uma técnica chamada "processamento em tempo real". Na ethernet convencional, cada dispositivo deve ler o cabeçalho de cada mensagem para determinar se os dados se destinam a ele e, em seguida, ingerir os dados e processá-los de alguma forma. Mas com o processamento em tempo real, o nó lê o cabeçalho e envia os dados simultaneamente, economizando tempo e melhorando a eficiência.

Finalmente, ao contrário da Ethernet convencional, EtherCAT permite que os dados de entrada e saída de mais de um dispositivo na rede sejam combinados em quadros únicos. Isso novamente otimiza a velocidade.

Curiosamente, se um determinado nó não tiver o poder de processamento para lidar com os dados, a velocidade do barramento pode ser ajustada pelo mestre, garantindo que nenhum dado seja perdido por qualquer dispositivo da rede.

Dados com carimbo de data / hora EtherCAT

Um dos aspectos mais importantes do EtherCAT é o relógio distribuído. Cada nó marca a data e hora dos dados quando são recebidos e, a seguir, marca-os novamente quando os envia para o próximo nó. Portanto, quando o mestre recebe de volta os dados dos nós, ele pode determinar facilmente a latência de cada nó. Cada transmissão de dados do mestre recebe um carimbo de data / hora de E / S de cada nó, tornando o EtherCAT muito mais determinístico e preciso no eixo T do que a ethernet pode ser.

Mesmo antes de o EtherCAT começar a funcionar, entretanto, o mestre envia um broadcast a todos os nós escravos na rede, que o travam quando o recebem e quando o enviam de volta. O mestre fará isso automaticamente quantas vezes forem necessárias para reduzir o jitter e manter os nós escravos sincronizados entre si.

Essa precisão de tempo é extremamente importante em aplicações de controle em tempo real e automação de fábrica. Além disso, permite que os sistemas DAQ, como os disponíveis na Dewesoft, sejam integrados facilmente aos sistemas de controle.

O relógio distribuído integrado do EtherCAT fornece excelente desempenho de "jitter" muito menor do que um microssegundo (1 µs), o que é equivalente a IEEE 1588 PTP (Protocolo de Tempo de Precisão), sem a necessidade de qualquer hardware adicional.

Terminação automática do EtherCAT significa tolerância a falhas

Se a saída do último nó não estiver conectada ao mestre, os dados são retornados automaticamente na outra direção por meio do protocolo EtherCAT. O registro de data e hora é mantido.

Essa tolerância a falhas significa que as redes EtherCAT não precisam ser organizadas em um anel como os diagramas mostrados acima, mas podem ser configuradas de várias maneiras, incluindo topologia em árvore, topologia em anel, topologia em linha, topologia em estrela e até combinações.

Claro, deve haver um caminho entre os escravos e o mestre. Se você literalmente desconectá-los, eles não funcionarão, mas a questão é que a topologia da rede é altamente flexível e tolera falhas em um grau excepcional.

Switches como você encontra em sistemas Ethernet não são exigidos por sistemas EtherCAT. Cabos com comprimento de até 100 metros (328 pés) entre nós são possíveis. O LVDS (sinalização diferencial de baixa tensão) nas linhas de cobre de par trançado opera em altas velocidades e com baixíssimo consumo de energia. Também é possível usar cabos de fibra óptica para aumentar a velocidade e adicionar isolamento galvânico entre os dispositivos.

Ethernet vs. EtherCAT

Dispositivos EtherCAT de Medição e Controle

Com poucas exceções, os sistemas que usam EtherCAT são divididos em dois grupos:

• Controle e

• Medição.

Dispositivos de controle, como PLCs, são mestres na rede EtherCAT, enquanto os dispositivos de medição têm sido historicamente "escravos".

No entanto, o terceiro tipo de dispositivo foi inventado por Dewesoft: um sistema DAQ que combina aquisição de dados de alta velocidade para um host em paralelo com dados de velocidade EtherCAT para um PLC ou software / hardware de controlador mestre.

Até recentemente, quando os engenheiros queriam dados em tempo real de um sistema DAQ, eles pegavam as várias saídas analógicas (saída separada para cada canal de entrada analógica) do sistema DAQ e as traziam para o controlador PLC. Isso exigia várias entradas analógicas, bem como a conversão redundante de dados analógicos em digitais.

Ao instalar uma porta escrava EtherCAT em seus sistemas DAQ, no entanto, Dewesoft elimina as entradas analógicas redundantes no PLC completamente, conforme mostrado no gráfico abaixo:

Mas, na verdade, isso é apenas o começo, porque sistemas DAQ como IOLITE e IOLITE modular podem até mesmo eliminar o hardware PLC completamente em muitas aplicações. É possível conectar IOLITE a um host de computador executando software PLC em tempo real. Isso inclui sistemas como:

• Clemmesy Syclone®,

• Beckhoff Twincat®,

• MTS Flextest®,

• Acontis EC_Master®,

• LabVIEW® da National Instruments,

• e mais.

Combinar IOLITE com um desses sistemas de software PLC em tempo real, conectado via EtherCAT, e IOLITE pode até mesmo acionar os atuadores, fornecendo o controle de hardware em tempo real necessário para o sistema.

Hardware de aquisição e controle de dados Dewesoft EtherCAT

A Dewesoft oferece diferentes sistemas de aquisição de dados que oferecem compatibilidade EtherCAT. Vamos olhar para cada um e ver como eles aplicam a tecnologia EtherCAT.

IOLITE DAQ e sistema de controle

IOLITE é um sistema DAQ e um sistema de controle em tempo real para aplicações industriais. Ele oferece controle em tempo real e monitoramento de feedback de maneira exclusiva. Cada sistema de aquisição de dados IOLITE é equipado com dois barramentos EtherCAT totalmente independentes que funcionam em paralelo.

O barramento principal fornece aquisição de dados perfeitamente sincronizada por meio do software DewesoftX DAQ.  O DAQ IOLITE pode transmitir qualquer número de canais de entrada e saída em alta velocidade para o disco rígido do computador. Disponível em dois modelos básicos, o IOLITEr é um instrumento de montagem em rack de 19 polegadas com 12 slots para módulos de entrada / saída. IOLITEs é um instrumento de bancada com 8 slots para módulos de entrada / saída.

O barramento EtherCAT secundário da IOLITE pode ser usado de duas maneiras:

• Uma interface de front-end de baixa latência para qualquer controlador de tempo real compatível com EtherCAT de terceiros.

• Um barramento de sistema de aquisição de dados redundante para aplicações críticas de aquisição de dados.

IOLITE e seus “produtos irmãos” R2rt, R4rt e R8rt (descritos na próxima seção) são únicos entre os sistemas DAQ / controle. Eles oferecem a chamada funcionalidade de modo duplo, em que dados em buffer de alta velocidade podem ser transmitidos para um host separado via USB e dados de baixa latência por EtherCAT para qualquer controlador EtherCAT de terceiros em paralelo.

Expansão de canal via porta mestre EtherCAT

O IOLITE DAQ e os sistemas de controle têm portas EtherCAT duplas redundantes, o que significa que também pode receber dados sincronizados de outros sistemas DAQ equipados com EtherCAT, como os modelos Dewesoft SIRIUS e KRYPTON ou, claro, módulos adicionais IOLITE ou IOLITE modular.

Série de sistemas DAQ R2rt, R4rt e R8rt

Como o modelo IOLITE, os modelos da série R # rt apresentam funcionalidade de modo duplo que combina streaming de alta velocidade para um host via USB E streaming de dados de baixa latência por EtherCAT para qualquer host de terceiros. Eles combinam o principal condicionamento de sinal SIRIUS DAQ e a tecnologia ADC com todas as vantagens dos dados determinísticos em relação ao EtherCAT.

Disponíveis com 2, 4 ou 8 slots para módulos SIRIUS, podem ser equipados de 8 a 128 canais, conforme tabela abaixo:

Um exemplo interessante de como os engenheiros estão colocando esse recurso em bom uso é descrito neste estudo de caso - Road Load Data Logger e Signal Conditioning for MTS Test Bench. Abaixo está uma breve visão geral.

Estudo de caso de aplicação de carga rodoviária usando R8rt da Dewesoft

Os dados de carga da estrada ou testes de durabilidade são bem conhecidos na indústria automotiva. Carros e caminhões são montados em um simulador de estradas com vários eixos, que simula as cargas e tensões de condições de direção reais e extremas. Dessa forma, os engenheiros podem submeter seus veículos à análise acelerada do ciclo de vida de uma forma mais eficiente do que usar motoristas humanos (ninguém pode dirigir 100 horas seguidas, por exemplo).

Os dados que o simulador de estradas multi-eixos usa vêm de testes de estradas reais. Os sistemas Dewesoft DAQ são usados ​​há muito tempo para esses testes, andando dentro do veículo e coletando dezenas de canais de dados dinâmicos de uma variedade de sensores, especialmente acelerômetros.

Anteriormente, no entanto, o sistema DAQ usado na pista de teste e o controlador do simulador de estrada não tinham conexão alguma. Os dados coletados pelo DAQ na pista de teste tiveram que ser convertidos offline para uso no simulador de estrada.

Mas com os barramentos de dados duplos do sistema R8rt, agora é possível integrar completamente o sistema DAQ com o sistema do controlador, alcançando eficiência e economia de custos muito maiores. Quilômetros de cabos são eliminados por não ter que redigitalizar os dados e enviá-los via EtherCAT, e o mesmo sistema DAQ usado na pista de teste também pode ser empregado na bancada de teste para as simulações de carga.

No estudo de caso, você aprenderá como o sistema R8rt foi integrado ao sistema de teste de carga rodoviária MTS. Combinando dois barramentos de dados (USB e EtherCAT®), e com a MTS implementando a comunicação EtherCAT® em seus controladores da série FlexTest®, os instrumentos atuaram essencialmente como um.

O mesmo instrumento R8rt DAQ é usado no veículo na pista de teste para coletar os dados de carga real e também na bancada de teste para compartilhar os dados em tempo real para o controlador.

Usando sua capacidade de modo dual exclusivo, as amostras de dados dos módulos SIRIUS DAQ são transmitidas em tempo real por EtherCAT para o controlador MTS a 10 kS/s por canal. Ao mesmo tempo, os resultados do teste do veículo no simulador de estradas multi-eixo são registrados pelo computador interno R8rt e disco rígido SSD em altas velocidades de até 200 kS / s por cada canal.

KRYPTON - EtherCAT DAQ robusto para ambientes hostis

A maior parte do hardware DAQ no mercado é projetada para escritório ou uso industrial leve. Mas existem aplicações em que o equipamento DAQ deve estar localizado em ambientes hostis. Por exemplo:

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

• Temperaturas criogênicas até -40 ° C / F

• Alto choque e vibração até 100 g

• Jato de água ou imersão

• Alta concentração de poeira

Mais uma vez, a maioria dos instrumentos DAQ não são projetados para resistir a uma ou duas dessas condições ambientais extremas. Com base nesses requisitos, a Dewesoft desenvolveu a série KRYPTON de instrumentos DAQ.

Distribuição por meio de cabos EtherCAT simples

Os módulos KRYPTON são interconectados por meio de um único cabo EtherCAT robusto que transporta dados, energia e sincronização. Os cabos podem ter até 100 m (328 pés) de comprimento para que os engenheiros possam distribuir os módulos onde os sinais estão. Isso pode ser através de uma ponte ou um grande chão de fábrica.

A interface EtherCAT rápida é executada a uma velocidade de barramento Full-Duplex de 100 Mbps, proporcionando uma taxa de transferência de dados de 6 MB / s a 10 MB / s por cadeia. Módulos destinados a medições dinâmicas podem amostrar até 40 kS / s. Todos os módulos da cadeia, que podem ser espalhados até 100 m (328 pés) entre os nós, são sincronizados com precisão

Muitos módulos podem ser conectados dessa forma. O KRYPTON está disponível em módulos multicanal, bem como em módulos KRYPTON ONE de canal único para a máxima flexibilidade.

À prova d'água e à prova de poeira

Os sistemas KRYPTON atendem aos padrões IP67 para água e poeira, o que significa que podem suportar não apenas borrifos de água, mas também imersão total em 1 metro (39 polegadas) de água por 30 minutos. Eles são completamente vedados contra poeira e outras pequenas partículas.

Tolerante a temperaturas extremas

Sendo preenchidos com uma borracha termicamente isolante, os módulos KRYPTON podem suportar uma ampla faixa de temperaturas de -40 ° a 85 ° C (-40 ° a 185 ° F). Os módulos KRYPTON são encontrados em testes automotivos de clima quente e frio, em bancadas de teste de motores de foguete e em fábricas onde são feitos sorvetes e outros alimentos frios (ou quentes).

Resistente a choque e vibração

Os módulos KRYPTON são projetados e classificados para suportar choques de 100g e ambientes de alta vibração. Este pode ser um requisito sério em muitas aplicações onde grandes máquinas vibratórias são encontradas, ou foguetes de teste e outras grandes máquinas de produção de força.

SIRIUS - Sistema DAQ de alto desempenho

Em certas aplicações, um DAQ de alta tecnologia é necessário para complementar os dados de velocidade relativamente baixa que um PLC é capaz de gravar. Para essas aplicações, o SIRIUS e SIRIUS Waterproof da Dewesoft é a solução perfeita.

O SIRIUS tem barramentos de dados USB e EtherCAT de alta velocidade, de modo que pode fornecer os dados ao mestre EtherCAT a uma taxa que ele pode manipular e, em paralelo, gravar dados de velocidade muito mais alta em um computador separado executando o software DewesoftX.

O SIRIUS também pode ser conectado a um sistema IOLITE, para expansão de canal. A operação de modo duplo de envio de dados para o mestre EtherCAT e para um computador separado executando o software Dewesoft X em paralelo também é tolerante a falhas!

Mesmo que o computador Windows que executa o software Dewesoft X falhe completamente, o SIRIUS continuará enviando dados para o mestre EtherCAT.

Por favor, leia o teste do estudo de caso dos impulsionadores de propelente sólido de foguete Ariane V e aprenda sobre como 800 canais de DAQ Dewesoft e sistemas de controle isolados de alta velocidade são usados e totalmente integrados ao sistema de controle SYCLONE usando EtherCAT.

O DEWESOFT e o CLEMESSY combinam o melhor dos dois mundos: capacidade de aquisição de dados de ponta e front-ends de controle em um único dispositivo com solução de software de controle-comando de desempenho total e eficiente. O alto nível de qualidade exigido pela Agência Espacial Francesa Nacional e, mais geralmente, a Agência Espacial Europeia aumentou a maturidade e robustez das soluções Dewesoft para grandes bancos de teste com centenas e milhares de canais.

Cabos EtherCAT para ambientes hostis

Bem, se o hardware DAQ é à prova d'água, à prova de poeira e pode suportar temperaturas de -40 °, os cabos também devem ser capazes de suportar esses extremos ambientais. Caso contrário, o sistema irá falhar simplesmente por causa dos cabos.

Consequentemente, a Dewesoft desenvolveu cabos EtherCAT que são usados para interconectar suas séries KRYPTON e SIRIUS Waterproof de sistemas DAQ para ambientes hostis. No vídeo abaixo mostramos os cabos sendo congelados a -40 ° C e como eles mantêm sua flexibilidade.

Compatibilidade Dewesoft com EtherCAT Masters de terceiros

Os sistemas DAQ baseados em Dewesoft EtherCAT são compatíveis com uma ampla gama de hardware EtherCAT de terceiros e mestres de software no mercado hoje, incluindo:

• Clemmesy Syclone®

• Beckhoff Twincat®

• MTS Flextest®

• Acontis EC_Master®

• LabVIEW® da National Instruments com PLC

Qual é a diferença entre EtherCAT e CANopen?

CANopen é um protocolo de alto nível baseado no barramento de hardware CAN (rede de área do controlador). Ele também inclui uma especificação para todos os dispositivos no barramento. Enquanto o EtherCAT usa as duas camadas mais baixas (dados e física) do protocolo ethernet (consulte esta seção para um lembrete), o CANopen usa as duas camadas mais baixas do CAN OSI.

O aproveitamento de hardware de barramento CAN prontamente disponível e comprovado feito por uma ampla variedade de fabricantes é uma grande vantagem do CANopen. O CAN pode ter começado como uma forma de reduzir a fiação elétrica em automóveis, mas evoluiu ao longo das décadas para ser usado em praticamente todos os setores e milhares de aplicações, desde a indústria a aeroespacial, energia e muito mais. Colocar o protocolo CANopen de alto nível sobre o hardware CAN comprovado e confiável torna o desenvolvimento e a implantação do sistema muito mais fácil do que nunca.

O CANopen fornece uma maneira de alto nível e, portanto, simplificada para os engenheiros integrarem dispositivos usando CAN como a camada de comunicação de hardware. O protocolo lida com muitas tarefas de baixo nível específicas de hardware, simplificando e acelerando o desenvolvimento. Problemas de hardware específicos do CAN, como filtragem de aceitação e temporização de bits, são tratados pelo protocolo CANopen. CANopen fornece objetos de comunicação (COB) para processos sensíveis ao tempo e outras tarefas de gerenciamento de hardware.

EtherCAT é uma arquitetura mestre / escravo único. O mestre atribui endereços a cada escravo, controla a taxa de transmissão da rede e executa uma sincronização de tempo inicial de todos os dispositivos, que pode ser repetida conforme necessário. Além disso, o mestre é o único dispositivo que tem permissão para transmitir mensagens. Os escravos são responsáveis ​​por reagir às mensagens, inserindo suas respostas com registro de data e hora e, em seguida, devolvendo-as ao mestre.

As redes CANopen podem ter mais de um mestre. No entanto, o integrador deve garantir que cada dispositivo tenha um endereço exclusivo e que todos os dispositivos sejam configurados com a mesma taxa de bits. A taxa de bits mais alta recomendada de um sistema CANopen é 1000 kbps.

Um sistema CANopen pode ter até 127 dispositivos, um dos quais deve ser o mestre. Um segmento EtherCAT pode ter até 65.535 dispositivos nele. A distância máxima entre os dispositivos é de 100 m (328 pés).

EtherCAT é altamente determinístico, alcançando jitter de 1µs a 100 Mbps. O telegrama CANopen SYNC é limitado a um comprimento de quadro e pode jitter com 130μs a 1 Mbps.

Comparação de nível superior: EtherCAT e CANopen

1) Para mais detalhes sobre CANopen, visite esta página.

O padrão CANopen é mantido pelo Grupo Internacional de Usuários e Fabricantes CAN in Automation (CiA).

O padrão EtherCAT é mantido pelo EtherCAT Technology Group e é padronizado sob IEC 61158.

EtherCAT e CANopen são usados em uma ampla variedade de indústrias e aplicações, incluindo:

• Automotivo

• Transporte e Trilhos

• Industrial

• Cuidados de saúde

• Indústria

• Automatização da fábrica

• Agricultura

• Aeroespacial.

Ambos os protocolos são modernos, bem mantidos e úteis. Para aplicações distribuídas de baixa e média velocidade, CANopen é uma excelente escolha. Para aplicações de alta velocidade, especialmente aquelas que requerem alta precisão, sincronização de tempo determinística e que incorporam controle (com ou sem DAQ), EtherCAT é a melhor escolha.

Both protocols are modern, well-maintained, and useful. For low- and medium-speed distributed applications, CANopen is an excellent choice. For higher-speed applications, especially those that require high accuracy, deterministic time synchronization, and incorporate control (with or without DAQ), EtherCAT is a better choice.

Confira os modernos sistemas de aquisição e controle de dados EtherCAT digitais da Dewesoft

Como funciona o CANopen Over EtherCAT (CoE)?

Como vimos ao longo deste artigo, EtherCAT é um sistema robusto que tira proveito do hardware ethernet, que permite até 100 metros entre dispositivos, acomoda topologias de rede flexíveis e fornece fluxo de dados altamente determinístico, sincronização automática de tempo escravo pelo mestre e mais.

O CANopen também tem suas vantagens, é claro. Ele existe há mais tempo que o EtherCAT e foi adaptado milhares de vezes devido ao seu baixo custo de hardware e fácil implementação. Considerando os pontos fortes de CANopen e EtherCAT, é quase óbvio que deveria haver alguma maneira de combiná-los e tirar proveito de ambos os sistemas. Este protocolo é denominado CANopen sobre Ethernet (CoE), e permite que os engenheiros usem todo o recurso CANopen configurado em um EtherCAT rápido e robusto.

O protocolo CoE inclui objetos de dados de processo (PDO) e objetos de dados de serviço (SDO). Quase todas as pilhas CANopen existentes podem ser usadas sem modificação porque o protocolo SDO é implementado diretamente.

As pilhas de PDO são transferidas pelo hardware EtherCAT determinístico e mais rápido, mas não estão mais sujeitas à limitação de 8 bits do CANopen. As semelhanças entre as máquinas de estado EtherCAT e CANopen são tais que poucas alterações precisam ser feitas ao adaptar um perfil CANopen para rodar em EtherCAT. O CoE suporta todos os perfis de dispositivo CANopen e inclui a máquina de estado CAN.

A maior largura de banda do EtherCAT permite que todo o Dicionário de Objetos seja carregado pela rede. Vários perfis de dispositivo também podem ser reutilizados, reduzindo o tempo e o custo de desenvolvimento.

O EtherCAT multiprotocolo é uma plataforma poderosa e rápida para executar dispositivos CANopen e serve como a ponte que permite que eles sejam facilmente migrados para Ethernet industrial.

Quais são as diferenças entre EtherCAT e Ethernet padrão?

Primeiro, o EtherCAT é construído nas duas primeiras camadas do protocolo Ethernet, conforme descrito nesta seção. Portanto, há semelhanças muito fortes nos níveis mais baixos - mas não nos níveis de rede, transporte ou aplicativo, portanto, não há TCP / IP ou UDP no EtherCAT.

EtherCAT foi otimizado como um sistema mestre / escravo determinístico em tempo real.

Os quadros EtherCAT (mensagens) são construídos dentro dos quadros Ethernet padrão. No entanto, também existem muitas diferenças importantes:

• Em uma rede EtherCAT, apenas o mestre pode enviar mensagens, direcionando-as aos escravos apropriados e, em seguida, obtendo os dados com data e hora de volta deles. Isso é muito diferente de uma rede ethernet em que cada dispositivo pode enviar mensagens e os dados não têm registro de data e hora de maneira determinística.

• EtherCAT é determinístico, o que significa que os dados em tempo real de latência extremamente baixa voltam para o mestre dos escravos.

• Em uma rede EtherCAT, o mestre é responsável por alinhar o tempo de todos os escravos na inicialização e em intervalos, para facilitar a marcação de tempo de baixa latência. Isso é integrado ao EtherCAT, mas deve ser adicionado a uma rede Ethernet padrão.

• EtherCAT foi projetado desde o início para permitir controle em tempo real sobre dispositivos e sistemas com latência extremamente baixa. Ethernet foi projetada principalmente para aplicativos de escritório e computadores de interconexão, impressoras e outros periféricos de rede.

• Ao contrário de uma rede Ethernet padrão, em uma rede EtherCAT as colisões de dados não são possíveis devido às restrições mencionadas acima.

• A transmissão de dados em uma rede EtherCAT é mais rápida do que uma rede Ethernet padrão: 100 Mb / s em vigor com jitter muito baixo.

• Assim como a Ethernet, as redes EtherCAT podem ser organizadas em uma ampla variedade de topologias: linha, anel, estrela, etc.

Como posso implantar EtherCAT usando Ethernet?

Uma rede EtherCAT usa cabos Ethernet padrão para interconectar dispositivos. Então, simplesmente em termos de cabeamento, as redes EtherCAT e Ethernet usam os mesmos cabos CAT5.

No entanto, se a pergunta se refere a algo mais, como conectar outros dispositivos ethernet a uma rede EtherCAT, então precisamos examinar o protocolo chamado Ethernet sobre EtherCAT, ou EoE.

EoE é um protocolo que permite que um aplicativo cliente Windows se comunique com dispositivos em uma rede EtherCAT. Os pacotes Ethernet são enviados do cliente para a rede EtherCAT por meio de um dispositivo denominado Switch Port. Uma porta de switch canaliza os dados Ethernet no protocolo EtherCAT inserindo mensagens TCP / IP nas mensagens do sistema EtherCAT existentes de uma forma que não interfira com a rede.

Uma porta de switch pode ser implementada como um dispositivo separado, como o Beckhoff 6601, que suporta todos os protocolos baseados em Ethernet (IEEE 802.3) e que é eletricamente isolada a 500 V. Ela pode ser instalada em qualquer lugar dentro do segmento EtherCAT e não requer qualquer configuração.

Mas também pode ser implementado como uma função dentro de um dos dispositivos escravos na rede EtherCAT, ou mesmo como uma função de software no mestre EtherCAT.

O que é um EtherCAT Master?

Cada segmento EtherCAT ou rede precisa de um mestre EtherCAT. Este mestre é o responsável pela rede e é o único dispositivo que tem permissão para enviar mensagens através dela. Ele também é responsável por sincronizar a hora de todos os escravos na rede e atribuir endereços para cada escravo. É responsável por solicitar os dados dos escravos e receber de volta as mensagens modificadas deles contendo os dados solicitados.

Um mestre EtherCAT envia dados por meio do MAC (Media Access Controller) na camada 2 (a camada de dados) no modelo Ethernet OSI padronizado. Não são necessários processadores de comunicação adicionais, o que significa que a funcionalidade mestre EtherCAT pode ser implementada em qualquer dispositivo que tenha uma porta Ethernet.

Como resultado, os mestres EtherCAT estão disponíveis como uma peça dedicada de hardware e em forma de software executado em um computador, independentemente do sistema operacional que executa. Os mestres EtherCAT foram desenvolvidos para Microsoft Windows, Linux, QNX, RTX, VxWorks e muito mais.

Ao usar um computador como mestre EtherCAT, o único requisito é a porta Ethernet. Pode ser uma porta embutida ou uma NIC (Placa de Interface de Rede) adicionada. A maioria das NICs tem acesso DMA direto, o que significa que a CPU não está envolvida com o acesso aos dados, tornando o sistema de alto desempenho.

Qual é a distância máxima entre os dispositivos EtherCAT?

Em segundo lugar, EtherCAT suporta até 65.536 dispositivos únicos em um segmento, o que certamente implica que um grande número de dispositivos são suportados e podem ser conectados simultaneamente. Claro, a praticidade de tal sistema é uma questão.

Usando cabos Ethernet padrão (100BASE-TX), a distância máxima entre quaisquer dois dispositivos no segmento é 100 m (328 pés).

No entanto, utilizando cabos de fibra ótica (100BASE-FX), esses 100 m podem ser estendidos até 2 quilômetros (1,25 milhas).

Praticamente falando, quase todos os sistemas EtherCAT são implantados em um prédio típico de fábrica ou em uma área específica dentro de uma fábrica.

Qual é o melhor protocolo semelhante a Ethernet para aplicações em tempo real: EtherCAT, Profinet ou algo mais?

Na verdade, EtherCAT e Profinet não são os únicos dois protocolos Ethernet industrial (IE) em uso hoje. Existem vários, incluindo EtherCAT, Profinet, EtherNet / IP, Powerlink, SERCOS III, Modbus TCP e CC-Link IE.

O objetivo de cada um desses protocolos é alavancar hardware Ethernet rápido e de baixo custo ao criar sistemas de monitoramento e controle em ambientes de controle de processos industriais ... enquanto melhora drasticamente a sincronização de tempo, determinismo e robustez ambiental.

Introduzido em 2003, o Profinet é um padrão técnico para comunicação em Ethernet industrial. Não deve ser confundido com o Profibus, que é um Fieldbus de processo introduzido em 1989, e que é gerenciado pela IEC 61158. O Profibus é baseado na comunicação serial RS485, enquanto o Profinet é baseado na Ethernet. Um sistema Profinet pode incorporar partes existentes de um sistema Profibus sem alterações, tornando-o atraente como um caminho de atualização para esses sistemas mais antigos.

Todos esses sistemas Ethernet industrial podem ser caracterizados pela quantidade de Ethernet OSI que utilizam. Como vimos anteriormente neste documento, EtherCAT usa apenas as 2 primeiras camadas do Ethernet OSI, pulando a camada de transporte (TCP, UDP) e assim por diante, a fim de atingir os tempos de ciclo mais rápidos possíveis e, portanto, o maior determinismo para real aplicações de controle de tempo.

Mas vamos nos concentrar no EtherCAT e no Profinet com base na questão em questão e ver como eles usam o Ethernet OSI:

Veja na tabela acima que o Profinet está disponível em três versões:

• Versão 1: baseado em componentes (CBA): tempos de ciclo de 100 ms

• Versão 2: Tempo Real (tempo real do software): tempos de ciclo de ~ 10 ms

• Versão 3: Tempo Real (tempo real do hardware): tempos de ciclo <1 ms

Nas versões 2 do Profinet e a camada de transporte (TCP / IP) não é usada, mas é substituída por um controlador de processo dedicado que é transportado dentro do quadro Ethernet. Na versão 2, este controlador é implementado em software, enquanto na versão 3 é implementado em hardware, alcançando os melhores tempos de ciclo disponíveis no Profinet.

Essas alterações não impedem que o TCP e o IP sejam usados ​​pelo protocolo, mas evitam depender deles.

O Profinet Versão 1, também conhecido como CBA (automação baseada em componentes), não é mais bem suportado. Ele não consegue lidar com um grande número de variáveis ​​e era visto como uma ponte do antigo Profibus para o mundo da Ethernet industrial. O foco hoje está no Profinet IO, anteriormente denominado SRT (software real-time) e IRT (isynchronous [hardware] real-time).

A adição de hardware especial no Profinet IO torna-o rápido e determinístico o suficiente para ser usado em aplicações de controle de movimento. Como o Profinet IO (IRT) é o mais próximo do EtherCAT em desempenho, vamos nos concentrar nele e não nas outras duas versões nesta comparação de nível superior:

1) Mais nós são possíveis, mas a Siemens recomenda 64 no máximo. A Siemens é o principal fabricante de dispositivos Profinet e um defensor do protocolo.

2) Ao contrário do EtherCAT, o Profinet não possui uma maneira embutida de restringir o tráfego de entrada, portanto, é possível que sobrecargas de rede possam interromper a rede. O usuário é responsável por gerenciar as cargas da rede e garantir que isso não aconteça.

Por todas as métricas principais, EtherCAT é uma solução Ethernet industrial superior. É mais rápido, fácil de implementar, mais flexível e de baixo custo em termos de topologia, além de ser um padrão totalmente aberto e sem custos de licenciamento.

Além disso, como estamos focados na integração de sistemas DAQ com sistemas de controle de processos industriais, EtherCAT fornece os ganchos, velocidade, baixa latência e nível de determinismo necessários para fazer uma integração DAQ bem-sucedida. Nenhum outro protocolo que estudamos fornece isso.

Resumo EtherCAT

Esperamos que você tenha aprendido muito sobre EtherCAT neste artigo e que aprecie os benefícios que ele tem em aplicações de controle industrial ... especialmente aqueles envolvendo sistemas DAQ, como o IOLITE da Dewesoft, e módulos de expansão como KRYPTON e SIRIUS.

Vantagens EtherCAT

• Alto desempenho - A topologia Ethernet industrial mais rápida a 200 Mb / s (full duplex = 100 Mbps x 2)

• Determinística - operação em tempo real com sincronização ~ 1 ns

• Topologia flexível - pode ser organizada em anel, linha, árvore, uma estrela sem limite

• Sem hubs ou switches - expansão de rede virtualmente ilimitada

• Operação fácil - o mestre atribui automaticamente endereços de nó e envia mensagens de sincronização de relógio para eles

• Configuração simples - não há endereços IP ou endereços MAC para manter

• Acessível - preço semelhante ou inferior a uma rede Fieldbus convencional. Os controladores mestres são relativamente baratos.

Aplicações EtherCAT

• Automatização da fábrica

• Redes PLC

• Controle de servo drives

• Sistemas de aquisição de dados (DAQ)

• Plataformas de controle de movimento e controle de máquina

• Robótica

• Sistemas de manuseio de material e bagagem

• Sistemas de Pesagem

• Prensas de impressão

• Fabricação de semicondutores

• Metais e fabricação de celulose e papel

• Usinas de energia

• Bancadas de teste

• Turbinas eólicas

• Maquinário de Fazenda

• Fresadoras

• Sistemas de controle de túnel

• Sistemas de segurança

• E centenas mais

Vantagens do DAQ e EtherCAT

• Dados de alta e baixa velocidade de sistemas DAQ avançados agora podem ser integrados perfeitamente em um sistema de controle em tempo real

• Eliminar o processamento A / D redundante significa menos complexidade, melhor precisão e economia real de custos

• Um arquivo de dados de alta velocidade separado está disponível para análise avançada, se necessário, e também é sincronizado com os dados do PLC