Vad är EtherCAT-protokollet och hur fungerar det?

I denna artikel kommer vi att lära oss om EtherCAT-protokollet, vad det är och vad det gör, med tillräckligt med detaljer för att du ska:

• Se hur EtherCAT används i realtidsstyrning och datainsamlingssystem

• Lära dig om de viktigaste funktionerna och möjligheterna med EtherCAT

• Förstå hur EtherCAT skiljer sig från Ethernet och varför

Är du redo att börja? Då kör vi!

Introduktion till EtherCAT

EtherCAT står för “Ethernet for Control Automation Technology”. Det är ett protokoll som tar kraften och flexibiliteten hos Ethernet till områden som:

• industriell automation

• rörelsestyrning

• realtidsstyrsystem

• datainsamlingssystem

EtherCAT-protokollet underhålls av EtherCAT Technology Group och är standardiserat enligt IEC 61158.

EtherCAT och EtherCAT-logotyperna är varumärken eller registrerade varumärken som licensieras av Beckhoff Automation GmbH, Tyskland.

En kort historia om Ethernet

Ethernet utvecklades under 1970-talet vid Xerox Palo Alto Research Center (PARC) och var avsett som ett kostnadseffektivt och feltolerant nätverksgränssnitt för både lokala nätverk och större nätverk. Vid tiden för dess utveckling fanns även andra nätverk, såsom TokenBus, TokenRing, ARCNET, CDDI samt flera mindre kända eller proprietära nätverkslösningar.

PARC-forskaren Robert Metcalfe fick i uppdrag att ta reda på hur företagets hundratals datorer skulle kunna kopplas samman så att de kunde dela världens första laserskrivare, som nyligen hade uppfunnits av Xerox.

Detta kan verka som ett trivialt problem idag, men i början av 1970-talet hade få företag mer än två eller tre datorer. Det fanns inga persondatorer, bärbara datorer, mobiltelefoner, surfplattor och liknande. De befintliga nätverken var varken skalbara eller tillräckligt snabba för att koppla samman så många enheter, så Metcalfe och hans kollegor behövde en helt ny lösning.

De kombinerade vissa internetbaserade tekniker med egna idéer och skapade ett nätverk som idag finns över hela världen och kopplar samman miljontals enheter, både med varandra och med internet.

Under IEEE-802.3, som formellt fastställdes 1985, blev Ethernet de facto-standard för nätverk, både stora och små, och även för enskilda instrument. Det är en kombination av hårdvara och mjukvara som utvecklats för att vara både feltolerant och snabb.

Information delas upp i “paket” eller “ramar”, så kallade datagram. Varje datagram innehåller inte bara själva datan utan även identifierande header- och adressinformation så att det kan återskapas korrekt hos mottagaren, samt en 32-bitars CRC (cyklisk redundanskontroll) i slutet för att upptäcka fel.

Enheter i nätverket har ett Ethernet-gränssnitt, och varje sådant har en unik adress. Detta är avgörande eftersom många enheter samtidigt kan skicka och ta emot data över samma nätverk, och varje enhet måste kunna avgöra vilken data som är avsedd just för den.

Hur data skickas via Ethernet-protokollet

Föreställ dig hundratals brev och paket från posten som rör sig längs din gata, de flesta är adresserade till dina grannar och några till dig. Men vilka är dina? Jo, adressen som står på varje brev gör att de som är adresserade till dig automatiskt hamnar i din brevlåda.

Enkelt, eller hur? Det har fungerat på det här sättet i hundratals år, långt innan datorer fanns.

Men föreställ dig nu att varje brev som kommer längs gatan faktiskt har klippts upp i tusentals eller till och med miljontals små delar, där varje del bara innehåller ett enda ord från brevet.

Dessutom är orden inte nödvändigtvis i rätt ordning. De är blandade tillsammans med miljarder ord från dina grannars brev. Plötsligt blir det mycket mer komplicerat.

Men med Ethernet innehåller varje “ord” (datagram) den information som din brevlåda behöver för att plocka upp just de ord som är avsedda för dig och sedan sätta ihop dem korrekt till varje unikt brev som skickades till dig. När du öppnar din brevlåda är breven alltså perfekt återskapade, precis som när de skickades.

Vi behöver inte gå djupare in på exakt hur Ethernet fungerar, men det är viktigt att förstå dess grundprincip och varför det har blivit så utbrett idag.

En kort historia om EtherCAT

EtherCAT utvecklades ursprungligen av Beckhoff Automation, en stor tillverkare av PLC-system som används inom industriell automation och realtidsstyrning.

Redan i slutet av 1980-talet utvecklade de sin egen fältbuss, kallad “LightBus”, för att lösa bandbreddsproblem i andra system. Vidare utveckling av detta protokoll ledde så småningom till skapandet av EtherCAT.

Beckhoff introducerade EtherCAT år 2003. Året därpå överlämnade de rättigheterna till EtherCAT Technology Group, som ansvarar för att främja standarden. Organisationen har en mycket aktiv grupp av utvecklare och användare. EtherCAT är standardiserat enligt IEC 61158.

Varför EtherCAT?

Varför kan vi inte bara använda Ethernet för att koppla samman datainsamlings- och styrsystem? Ethernet är snabbt, billigt och enkelt att implementera i moderna datorbaserade system. Vad saknas då?

Svaret handlar främst om determinism, alltså tidsnoggrannhet. I exemplet med brevlådan har systemet all tid i världen att samla in alla datagram och sätta ihop breven.

En dag med få brev går det snabbt, en dag med många tar det längre tid, men det spelar ingen roll i det här sammanhanget.

Därför fungerar Ethernet utmärkt för att skicka dokument inom ett kontor eller mellan enheter. Informationen levereras snabbt, och det spelar ingen roll om ett brev kommer fram exakt 10:00:02 eller 10:01, den exakta tidpunkten är inte avgörande i sådana tillämpningar.

Men styrsystem handlar helt om timing. Det spelar verkligen roll exakt när något händer, och med så hög tidsupplösning och noggrannhet som möjligt.

Automationssystem i industrin är per definition realtidssystem. Att slå på och av maskiner kräver mycket låg latens. Du vill till exempel inte att ett nödstoppmeddelande ska blandas med en gigabyte stor dataöverföring, realtidsmeddelanden måste alltid ha högsta prioritet.

I ett traditionellt Ethernet-system finns det dock inget protokoll som hanterar detta, all data behandlas i princip lika. Detta fungerar bra för kontorsmiljöer där datorer delar nätverk för att komma åt servrar och skrivare, men betydligt sämre för realtidsapplikationer.

EtherCAT fysiska lager

EtherCAT använder samma fysiska lager och datalänklager som Ethernet, vilket visas nedan:

Det fysiska lagret är den hårdvara som faktiskt överför data över nätverket. Detta är den grundläggande elektriska, alltså “mekaniska”, nivån i nätverket.

Datalänklagret är där data kodas till paket. Ethernet fungerar bra här och används även av EtherCAT. Däremot hoppar EtherCAT över andra lager som Ethernet-användare känner till, såsom nätverkslagret (IP) och transportlagret (TCP och UDP), för att minimera cykeltiden.

Detta, tillsammans med andra egenskaper i protokollet, gör att EtherCAT kan minska Ethernet-cykeltider på cirka 10 ms med flera storleksordningar. Resultatet är en effektiv datahastighet på 100 Mbps.

Skillnader mellan Ethernet och EtherCAT

Lagren ovanför det fysiska lagret och datalänklagret skiljer sig mellan Ethernet och EtherCAT. Låt oss titta på dessa skillnader och de fördelar som EtherCAT ger för realtids- och datainsamlingssystem:

I ett typiskt Ethernet-nätverk, som hemma eller på kontoret, är flera enheter anslutna på samma nivå. Varje enhet kan skicka data över nätverket och varje enhet kan ta emot data. Nätverket har vanligtvis en switch som kopplar det till en internetenhet och ger tillgång till omvärlden.

Detta är mycket flexibelt, men kan leda till överbelastning när flera enheter samtidigt skickar eller begär stora mängder data. Tidskritiska meddelanden kan då fördröjas eller i värsta fall blockeras.

EtherCAT master- och slave-enheter

EtherCAT fungerar däremot på ett helt annat sätt:

EtherCAT-masterenheten är den enda som får sända data över nätverket. Mastern skickar en sammanhängande dataström genom bussen, vilket eliminerar datakollisioner som kan uppstå i ett vanligt Ethernet-system och därmed optimerar hastigheten.

EtherCAT-ramar är inbäddade i en standard Ethernet-ram och identifieras i EtherType-fältet med värdet 0x88A4. Mastern är den enda enheten i ett EtherCAT-segment som får skicka meddelanden, slavarna kan lägga till data och skicka ramen vidare, men de kan inte skapa egna meddelanden.

Dessa ramar tas emot av EtherCAT-slavenheter, noder, som de är adresserade till. Slavarna bearbetar datan, lägger till den information som mastern efterfrågat och skickar sedan ramen vidare till nästa nod i kedjan.

Nästa nod gör exakt samma sak, tar emot relevant data, lägger till sin egen och skickar vidare till nästa nod.

Hastigheten ökar jämfört med vanligt Ethernet inte bara för att endast en enhet skickar data, utan också tack vare en teknik som kallas “processing on the fly”. I traditionellt Ethernet måste varje enhet läsa hela meddelandet, avgöra om datan är relevant och sedan bearbeta den. Med EtherCAT läser noden informationen och skickar den vidare samtidigt, vilket sparar tid och ökar effektiviteten.

Dessutom kan EtherCAT, till skillnad från vanligt Ethernet, kombinera inkommande och utgående data från flera enheter i en enda ram, vilket ytterligare optimerar hastigheten.

Om en viss nod inte har tillräcklig processorkraft kan mastern justera busshastigheten så att ingen data går förlorad.

Lär dig mer om EtherCAT-topologi

EtherCAT tidsstämplad data

En av de viktigaste egenskaperna hos EtherCAT är den distribuerade klockan. Varje nod tidsstämplar datan när den tas emot och igen när den skickas vidare. När mastern får tillbaka datan kan den därför exakt bestämma fördröjningen i varje nod.

Varje dataöverföring får en I/O-tidsstämpel från varje nod, vilket gör EtherCAT mycket mer deterministiskt och exakt i tidsdomänen än traditionellt Ethernet.

Innan kommunikationen startar skickar mastern en broadcast till alla slavnoder. Dessa registrerar signalen när de tar emot den och när de skickar den vidare. Mastern upprepar detta vid behov för att minska jitter och hålla alla noder synkroniserade.

Denna tidsnoggrannhet är avgörande i realtidsstyrning och industriell automation. Den gör det också möjligt att enkelt integrera datainsamlingssystem, som de från Dewesoft, i styrsystem.

EtherCATs distribuerade klocka ger mycket låg jitter, mindre än en mikrosekund, vilket motsvarar IEEE 1588 PTP, utan behov av extra hårdvara.

EtherCATs feltolerans

Om den sista nodens utgång inte är ansluten till mastern skickas datan automatiskt tillbaka i motsatt riktning via EtherCAT-protokollet, samtidigt som tidsstämplingen bibehålls.

Denna feltolerans innebär att EtherCAT-nätverk inte behöver vara uppbyggda som en ring, som i diagrammen ovan, utan kan konfigureras på flera olika sätt, inklusive trädtopologi, ringtopologi, linjetopologi, stjärntopologi och även kombinationer av dessa.

Det måste naturligtvis finnas en förbindelse mellan slavarna och mastern. Om man kopplar ur dem helt fungerar systemet inte, men poängen är att nätverkets topologi är mycket flexibel och har en exceptionellt hög feltolerans.

Switchar, som används i traditionella Ethernet-nätverk, behövs inte i EtherCAT-system. Kabellängder upp till 100 meter mellan noder är möjliga. LVDS, lågspänningsdifferentiell signalering, på tvinnade kopparkablar möjliggör höga hastigheter med mycket låg energiförbrukning. Det är även möjligt att använda fiberoptiska kablar för att öka hastigheten och skapa galvanisk isolering mellan enheter.

Typer av EtherCAT-enheter

Med få undantag delas EtherCAT-system in i två huvudgrupper:

• Realtidsstyrningsenheter

• Mätenheter

Styrsystem som PLC:er fungerar som EtherCAT-master i nätverket, medan mätutrustning traditionellt har varit EtherCAT-slavar.

Dewesoft har dock introducerat en tredje typ av enhet, ett datainsamlingssystem som kombinerar högupplöst datainsamling med realtidsstyrning parallellt, vilket möjliggör realtidsdata direkt till en PLC eller annan masterenhet.

Tidigare, när ingenjörer behövde realtidsdata från ett DAQ-system, användes flera analoga utgångar, en för varje kanal, som kopplades till PLC:n. Detta krävde många analoga ingångar och innebar dessutom onödig dubbel konvertering från analog till digital signal.

Genom att installera en EtherCAT-slavport i sina DAQ-system eliminerar Dewesoft helt behovet av redundanta analoga ingångar i PLC:n, vilket visas i grafiken nedan:

Men detta är egentligen bara början, eftersom DAQ-system som IOLITE Rack och IOLITE i många tillämpningar till och med kan eliminera behovet av PLC-hårdvara helt. Det är möjligt att ansluta IOLITE till en dator som kör realtids-PLC-programvara. Exempel på sådana system är:

• CLEMESSY Syclone®

• Beckhoff TwinCAT®

• MTS FlexTest®

• Acontis EC_Master®

• National Instruments LabVIEW®

• och andra.

Genom att kombinera IOLITE med någon av dessa realtids-PLC-programvaror via EtherCAT kan IOLITE även styra aktuatorer och därmed tillhandahålla den realtidsstyrning som systemet kräver.

Dewesoft EtherCAT datainsamlings- och styrhårdvara

Dewesoft tillverkar datainsamlings- och styrsystem med EtherCAT-kompatibilitet. Låt oss titta på dessa och hur de använder EtherCAT-teknologi.

IOLITE datainsamlings- och styrsystem

IOLITE är ett DAQ-system och ett realtidsstyrsystem för industriella applikationer. Det erbjuder unikt både realtidsstyrning och återkopplingsövervakning. Varje IOLITE-datainsamlingssystem är utrustat med två helt oberoende EtherCAT-bussar som körs parallellt.

Den primära databussen ger perfekt synkroniserad datainsamling via DewesoftX DAQ-programvara. IOLITE kan strömma ett valfritt antal in- och utgångskanaler med hög hastighet till datorns hårddisk. IOLITE-rack finns i tre modeller:

• IOLITE R12: 19-tums rackmonterad huvudram med 12 platser för IOLITE in-/utgångsmoduler

• IOLITE R8: bordsmodell med 8 platser för IOLITE in-/utgångsmoduler

• IOLITE R8R: extra robust bordsmodell med 8 platser för IOLITE in-/utgångsmoduler

IOLITEs sekundära EtherCAT-buss kan användas på två sätt:

• Som ett låg-latens front-end-gränssnitt för valfri EtherCAT-kompatibel realtidskontroller från tredje part

• Som en redundant databuss för datainsamling i kritiska applikationer

Kanalutökning via EtherCAT masterport

De dubbla redundanta EtherCAT-portarna på IOLITE kan även användas för att ta emot synkroniserad data från andra EtherCAT-utrustade DAQ-system, såsom SIRIUS- och KRYPTON-modellerna.

SIRIUS RT datainsamlings- och styrsystemserie

Precis som IOLITE-modellen erbjuder SIRIUS RT-serien dubbel funktionalitet som kombinerar hög­hastighetsdatastreaming till en värddator via USB och låg latens datastreaming via EtherCAT till valfri tredjepartsvärd.

De kombinerar den avancerade signalbehandlingen och ADC-teknologin från SIRIUS med alla fördelar med deterministisk dataöverföring via EtherCAT.

Tillgängliga med 2, 4 eller 8 platser för SIRIUS-moduler kan de utrustas med från 8 till 128 kanaler, vilket visas i tabellen nedan:

Applikationsexempel, väglast med Dewesoft R8rt

Ett intressant exempel på hur ingenjörer använder denna teknik i praktiken beskrivs i vår fallstudie.

Road load data, eller hållbarhetstester, är välkänt inom fordonsindustrin. Bilar och lastbilar placeras på en fleraxlig vägsimulator som återskapar belastningar och påfrestningar från verkliga och extrema körförhållanden.

På detta sätt kan ingenjörer utsätta fordon för accelererade livscykelanalyser på ett mycket mer effektivt sätt än med mänskliga förare, eftersom ingen till exempel kan köra i 100 timmar i sträck.

Data som den fleraxliga vägsimulatorn använder kommer från verkliga vägtester. Dewesofts DAQ-system har länge använts i dessa tester, monterade i fordonet för att samla in dussintals kanaler med dynamisk data från olika sensorer, särskilt accelerometrar.

Tidigare fanns dock ingen direkt koppling mellan DAQ-systemet som användes på testbanan och styrsystemet för vägsimulatorn. Den insamlade datan behövde bearbetas offline innan den kunde användas i simulatorn.

Med de dubbla databussarna i SIRIUS R8rt är det nu möjligt att helt integrera DAQ-systemet med styrsystemet, vilket ger betydligt högre effektivitet och lägre kostnader. Kilometer av kablage elimineras genom att undvika återdigitalisering av data och istället överföra den via EtherCAT. Samma DAQ-system som används på testbanan kan dessutom användas direkt i testbänken för lastsimeringar.

I fallstudien får du se hur SIRIUS R8rt-systemet integrerades med MTS väglasttestbänk. Genom att kombinera två databussar, USB och EtherCAT, och genom att MTS även införde EtherCAT-kommunikation i sina FlexTest®-styrsystem, kunde systemen fungera som en enhet.

Samma SIRIUS R8rt DAQ-instrument används både i fordonet på testbanan för att samla in verkliga lastdata och på testbänken för realtidsöverföring av dessa data till styrsystemet.

Med sin unika dubbelmodsfunktion överförs datasamplingar från SIRIUS DAQ-moduler i realtid via EtherCAT till MTS-styrsystemet med 10 kS/s per kanal. Samtidigt registreras testresultaten från fordonet på den fleraxliga vägsimulatorn av R8rt-systemets interna dator och SSD-enhet med hastigheter upp till 200 kS/s per kanal.

Fullständig fallstudie:

Road Load Data Logger and Signal Conditioning for MTS Test BenchDewesoft DAQ systems integrate and feed real-time data to 3rd party EtherCAT masters like MTS FlexTest (road simulator). See how the solution works.

KRYPTON robusta datainsamlingssystem för fälttester

De flesta DAQ-system på marknaden är konstruerade för kontorsmiljöer eller lättare industriella tillämpningar. Men det finns applikationer där utrustningen måste fungera i mycket krävande miljöer, till exempel:

• Höga temperaturer upp till 85 °C

• Kryogena temperaturer ner till -40 °C

• Hög stöt- och vibrationsbelastning upp till 100 g

• Vattenstänk eller nedsänkning

• Hög dammkoncentration

De flesta DAQ-instrument är inte konstruerade för att klara ens en eller två av dessa extrema miljöförhållanden. Utifrån dessa krav utvecklade Dewesoft KRYPTON-serien av datainsamlingssystem.

Distribution via en enda EtherCAT-kabel

KRYPTON-moduler kopplas samman med en enda robust EtherCAT-kabel som överför data, ström och synkronisering. Kablarna kan vara upp till 100 meter långa, vilket gör det möjligt för ingenjörer att placera modulerna där signalerna finns, till exempel över en bro eller i en stor industrilokal.

Det snabba EtherCAT-gränssnittet arbetar med en full-duplex busshastighet på 100 Mbps, vilket möjliggör en dataöverföring på 6 MB/s till 10 MB/s per kedja. Moduler som är avsedda för dynamiska mätningar kan sampla upp till 40 kS/s. Alla moduler i kedjan, som kan vara placerade upp till 100 meter från varandra mellan noder, är exakt synkroniserade.

Många moduler kan anslutas på detta sätt. KRYPTON finns både som flerkanalsmoduler och som enkanalsmoduler i serien KRYPTON ONE för maximal flexibilitet.

Vatten- och dammtålig

KRYPTON-system uppfyller IP67-standarden för vatten och damm, vilket innebär att de klarar både vattenstänk och full nedsänkning i upp till 1 meter vatten i 30 minuter. De är helt tätade mot damm och andra små partiklar.

Tåliga mot extrema temperaturer

Tack vare att de är fyllda med ett termiskt isolerande gummimaterial kan KRYPTON-moduler arbeta i temperaturer från -40 °C till 85 °C. De används i allt från fordonsprovning i både varmt och kallt klimat till raketmotortester och livsmedelsproduktion där både kyla och värme förekommer.

Motståndskraftiga mot stötar och vibrationer

KRYPTON-moduler är konstruerade för att klara stötar upp till 100 g samt miljöer med kraftiga vibrationer. Detta är avgörande i applikationer med tungt vibrerande maskineri eller vid testning av raketer och andra system som utsätts för stora krafter.

SIRIUS modulärt datainsamlingssystem

I vissa applikationer krävs mycket avancerad datainsamling för att komplettera den relativt låga samplingshastighet som en PLC kan hantera. För dessa tillämpningar är SIRIUS och SIRIUS Waterproof från Dewesoft en ideal lösning.

SIRIUS har både hög­hastighets USB- och EtherCAT-databussar, vilket gör att systemet kan leverera data till EtherCAT-mastern i en takt som den klarar av, samtidigt som det parallellt kan spela in data med betydligt högre hastighet på en separat dator som kör DewesoftX-programvara.

SIRIUS kan även anslutas till ett IOLITE-system för kanalutökning. Den dubbelmodsfunktion som gör det möjligt att skicka data både till EtherCAT-mastern och parallellt till en separat dator med DewesoftX-programvara är dessutom feltolerant.

Även om Windows-datorn som kör DewesoftX skulle sluta fungera helt, fortsätter SIRIUS att skicka data till EtherCAT-mastern.

Läs gärna fallstudien om testning av Ariane V:s fastbränsleraketer och se hur 800 kanaler av hög­hastighets, isolerade Dewesoft DAQ- och styrsystem används och är fullt integrerade i SYCLONE-styrsystemet via EtherCAT.

DEWESOFT och CLEMESSY kombinerar det bästa av två världar, avancerad datainsamlingskapacitet och styrgränssnitt i en och samma enhet tillsammans med en effektiv och högpresterande styr- och kontrollprogramvara. De höga krav som ställs av den franska rymdorganisationen CNES och mer generellt av Europeiska rymdorganisationen har bidragit till att öka mognaden och robustheten i Dewesofts lösningar för stora testanläggningar med hundratals och tusentals kanaler.

EtherCAT-kablar för krävande miljöer

Om DAQ-hårdvaran är vattentät, dammtät och klarar temperaturer ner till -40 °C, måste även kablarna kunna hantera dessa extrema miljöer. Annars riskerar hela systemet att fallera på grund av kablarna.

Därför har Dewesoft utvecklat EtherCAT-kablar som används för att koppla samman KRYPTON- och SIRIUS Waterproof-serierna för datainsamling i krävande miljöer. I videon nedan visas hur kablarna kyls ner till -40 °C och fortfarande behåller sin flexibilitet.

Dewesofts kompatibilitet med EtherCAT-master från tredje part

Dewesofts EtherCAT-baserade datainsamlingssystem är kompatibla med ett brett utbud av EtherCAT-hårdvara och mjukvara från tredje part, inklusive:

• Clemmesy Syclone®

• Beckhoff TwinCAT®

• MTS FlexTest®

• Acontis EC_Master®

• National Instruments LabVIEW® med PLC

Vad är skillnaden mellan EtherCAT och CANopen?

CANopen är ett högnivåprotokoll baserat på CAN-bussen (Controller Area Network). Det innehåller även en specifikation för enheter som är anslutna till bussen.

Medan EtherCAT använder de två lägsta lagren, det fysiska lagret och datalänklagret, från Ethernet-protokollet, använder CANopen motsvarande två lager från CAN enligt OSI-modellen.

Utnyttjandet av lättillgänglig och beprövad CAN-bushårdvara från många olika tillverkare är en stor fördel med CANopen. CAN började som ett sätt att minska kablage i bilar, men har under årtionden utvecklats till att användas inom nästan alla industrier och tusentals tillämpningar, från industri till flyg och energi. Att lägga CANopen-protokollet ovanpå denna stabila hårdvara gör systemutveckling och implementering betydligt enklare.

CANopen erbjuder en högre abstraktionsnivå och därmed ett förenklat sätt för ingenjörer att integrera enheter som använder CAN som kommunikationslager. Protokollet hanterar många hårdvaruspecifika låg­nivåfunktioner, vilket förenklar och snabbar upp utvecklingen. CAN-specifika aspekter som filtrering och bittiming hanteras av CANopen. Protokollet tillhandahåller även kommunikationsobjekt för tidskritiska processer och andra funktioner.

EtherCAT bygger på en arkitektur med en master och många slavar. Mastern tilldelar adresser till varje slav, styr nätverkets överföringshastighet och synkroniserar alla enheter i tid, vilket kan upprepas vid behov. Dessutom är mastern den enda enheten som får skicka meddelanden. Slavarna svarar på dessa genom att lägga till tidsstämplad data och skicka tillbaka den till mastern.

CANopen-nätverk kan ha flera masters, men då måste systemintegratören säkerställa att varje enhet har en unik adress och att alla använder samma bithastighet. Den högsta rekommenderade bithastigheten för CANopen är 1000 kbps.

Ett CANopen-system kan ha upp till 127 enheter, varav en måste vara master. Ett EtherCAT-segment kan ha upp till 65 535 enheter. Det maximala avståndet mellan enheter är 100 meter.

EtherCAT är mycket deterministiskt och kan uppnå jitter under 1 µs vid 100 Mbps. CANopen:s SYNC-telegram är begränsat till en ram och kan ha ett jitter på upp till 130 µs vid 1 Mbps.

Övergripande jämförelse: EtherCAT och CANopen

1) För mer information om CANopen, besök denna sida.

CANopen-standarden underhålls av CAN in Automation (CiA) International Users and Manufacturers Group.

EtherCAT-standarden underhålls av EtherCAT Technology Group och är standardiserad enligt IEC 61158.

Både EtherCAT och CANopen används inom ett brett spektrum av industrier och tillämpningar, inklusive:

• Fordonsindustrin

• Transport och järnväg

• Industri

• Hälsovård

• Tillverkningsindustri

• Fabriksautomation

• Jordbruk

• Flyg- och rymdindustrin

Båda protokollen är moderna, väl underhållna och användbara. För distribuerade applikationer med låg till medelhög hastighet är CANopen ett utmärkt val. För applikationer med högre hastighet, särskilt där hög noggrannhet, deterministisk tids­synkronisering och styrning krävs, med eller utan datainsamling, är EtherCAT ett bättre val.

Obs

Utforska Dewesofts moderna, digitala EtherCAT-baserade datainsamlings- och styrsystem

Loading player...

Loading video...

Hur fungerar CANopen over EtherCAT (CoE)?

Som vi har sett i denna artikel är EtherCAT ett robust system som utnyttjar Ethernet-hårdvara, vilket möjliggör upp till 100 meter mellan enheter, flexibel nätverkstopologi, mycket deterministiskt dataflöde, automatisk tids­synkronisering av slavar via mastern och mer.

CANopen har också sina fördelar. Det har funnits längre än EtherCAT och har använts i tusentals tillämpningar tack vare låg hårdvarukostnad och enkel implementation. Med tanke på styrkorna hos båda systemen är det naturligt att kombinera dem. Detta protokoll kallas CANopen over EtherCAT (CoE) och gör det möjligt att använda hela CANopen-funktionaliteten över EtherCATs snabba och robusta infrastruktur.

CoE-protokollet inkluderar processdataobjekt (PDO) och servicedataobjekt (SDO). Nästan alla befintliga CANopen-stackar kan användas utan modifiering eftersom SDO-protokollet implementeras direkt.

PDO-data överförs via EtherCATs snabba och deterministiska hårdvara och är inte längre begränsade till CANopens 8-bitars begränsning. Likheterna mellan EtherCATs och CANopens tillståndsmaskiner gör att få ändringar krävs för att anpassa en CANopen-profil till EtherCAT. CoE stöder alla CANopen-enhetsprofiler och inkluderar CAN-tillståndsmaskinen.

Den högre bandbredden i EtherCAT gör det möjligt att överföra hela Object Dictionary över nätverket. Många enhetsprofiler kan återanvändas, vilket minskar utvecklingstid och kostnader.

EtherCAT med multiprotokoll är en kraftfull och snabb plattform för att köra CANopen-enheter och fungerar som en brygga för att migrera dem till industriellt Ethernet.

Vad är skillnaden mellan EtherCAT och standard Ethernet?

EtherCAT bygger på de två lägsta lagren i Ethernet-protokollet, vilket innebär att det finns stora likheter på låg nivå, men inte på nätverks-, transport- eller applikationsnivå. Därför används inte TCP/IP eller UDP i EtherCAT.

EtherCAT är optimerat som ett realtidssystem med master/slav-arkitektur.

EtherCAT-ramar är inbyggda i standard Ethernet-ramar, men det finns flera viktiga skillnader:

• I ett EtherCAT-nätverk är det endast mastern som får skicka meddelanden. Den styr kommunikationen och tar emot tidsstämplad data från slavarna. Detta skiljer sig från Ethernet där alla enheter kan kommunicera fritt och utan deterministisk tidsstämpling.

• EtherCAT är deterministiskt, vilket innebär mycket låg latens och exakt realtidsdata.

• Mastern synkroniserar alla slavar vid uppstart och löpande, vilket möjliggör exakt tidsstämpling. Detta är inbyggt i EtherCAT men saknas i standard Ethernet.

• EtherCAT är utvecklat för realtidsstyrning med extremt låg latens, medan Ethernet främst skapades för kontorsmiljöer och generell datakommunikation.

• Datakollisioner kan inte uppstå i EtherCAT tack vare dess struktur.

• Dataöverföringen i EtherCAT är effektivt 100 Mb/s med mycket låg jitter.

Precis som Ethernet kan EtherCAT-nätverk byggas i olika topologier, såsom linje, ring och stjärna.

Hur kan jag använda EtherCAT via Ethernet?

Ett EtherCAT-nätverk använder vanliga Ethernet-kablar för att koppla samman enheter. På kabelnivå används alltså samma typ av CAT5-kablar.

Om frågan gäller att ansluta andra Ethernet-enheter till ett EtherCAT-nätverk används protokollet Ethernet over EtherCAT, EoE.

EoE är ett protokoll som gör det möjligt för en Windows-klientapplikation att kommunicera med enheter i ett EtherCAT-nätverk. Ethernet-paket skickas från klienten in i EtherCAT-nätverket via en enhet som kallas Switch Port. Denna kapslar in Ethernet-data i EtherCAT-protokollet genom att infoga TCP/IP-meddelanden i befintliga EtherCAT-meddelanden utan att störa nätverket.

En Switch Port kan vara en separat enhet, till exempel Beckhoff 6601, som stöder alla Ethernet-baserade protokoll och är galvaniskt isolerad upp till 500 V. Den kan placeras var som helst i EtherCAT-nätverket och kräver ingen konfiguration.

Den kan också implementeras direkt i en slav-enhet eller som en mjukvarufunktion i EtherCAT-mastern.

Vad är en EtherCAT master?

Varje EtherCAT-nätverk behöver en master. Den ansvarar för kommunikationen och är den enda enheten som får skicka meddelanden. Mastern synkroniserar alla slavar i tid, tilldelar adresser och begär data från dem.

Den skickar data via MAC-lagret i Ethernet-modellen, vilket innebär att inga extra kommunikationsprocessorer behövs. Därför kan EtherCAT-masterfunktion implementeras på alla enheter med en Ethernet-port.

EtherCAT-masters finns både som dedikerad hårdvara och som mjukvara som körs på datorer med operativsystem som Windows, Linux, QNX, RTX och VxWorks.

När en dator används som master krävs endast en Ethernet-port, inbyggd eller via nätverkskort. De flesta nätverkskort har direkt DMA-åtkomst, vilket ger hög prestanda eftersom CPU:n inte belastas.

Maximalt avstånd mellan EtherCAT-enheter

Det finns inget exakt svar eftersom det beror på flera faktorer, bland annat nätverkstopologi. EtherCAT kan byggas som linje, ring, träd, stjärna eller kombinationer av dessa.

Ett EtherCAT-nätverk kan ha upp till 65 536 enheter.

Med standard Ethernet-kablar är maxavståndet mellan två enheter 100 meter.

Med fiberoptik kan detta utökas upp till 2 kilometer.

I praktiken används EtherCAT oftast inom fabriker eller avgränsade industriområden.

Vilket är bäst för realtid, EtherCAT, Profinet eller något annat?

EtherCAT och Profinet är inte de enda industriella Ethernet-protokollen. Andra exempel är EtherNet/IP, Powerlink, SERCOS III, Modbus TCP och CC-Link IE.

Alla dessa protokoll använder Ethernet-hårdvara men förbättrar tids­synkronisering, determinism och robusthet för industriella tillämpningar.

Profinet introducerades 2003 och är en standard för industriell Ethernet-kommunikation. Det ska inte förväxlas med Fieldbus, som bygger på seriell RS485-kommunikation. Profinet kan integrera äldre Profibus-system, vilket gör det attraktivt som uppgradering.

Skillnaden mellan dessa protokoll handlar till stor del om hur de använder OSI-modellen. EtherCAT använder endast de två lägsta lagren för att uppnå extremt korta cykeltider och hög determinism.

Om fokus ligger på maximal hastighet, låg latens och exakt synkronisering är EtherCAT ofta det bästa valet för realtidsapplikationer.

Vi kan se i tabellen ovan att Profinet finns i tre versioner:

• Version 1: komponentbaserad (CBA), cykeltider omkring 100 ms

• Version 2: realtid (mjukvarubaserad realtid), cirka 10 ms cykeltider

• Version 3: realtid (hårdvarubaserad realtid), mindre än 1 ms cykeltider

I Profinet version 2 används inte transportlagret (TCP/IP), utan ersätts av en dedikerad processkontroller som överförs inom Ethernet-ramen. I version 2 är denna kontroller implementerad i mjukvara, medan den i version 3 är implementerad i hårdvara, vilket ger de bästa cykeltiderna inom Profinet.

Dessa förändringar hindrar inte användningen av TCP och IP, men minskar beroendet av dem.

Profinet version 1, även kallad CBA, används knappt längre. Den klarar inte ett stort antal variabler och betraktades som en övergång från äldre Profibus till industriellt Ethernet. Fokus idag ligger på Profinet IO, tidigare kallat SRT (mjukvarurealtid) och IRT (hårdvarubaserad realtid).

Genom att använda särskild hårdvara blir Profinet IO tillräckligt snabbt och deterministiskt för rörelsestyrningsapplikationer. Eftersom Profinet IO (IRT) ligger närmast EtherCAT i prestanda, fokuserar man på denna version i jämförelser på hög nivå.

1) Fler noder är möjliga, men Siemens rekommenderar maximalt 64. Siemens är den största tillverkaren av Profinet-enheter och en viktig aktör bakom protokollet.

2) Till skillnad från EtherCAT har Profinet inget inbyggt sätt att begränsa inkommande trafik, vilket innebär att nätverksöverbelastning kan störa eller till och med bryta kommunikationen. Användaren måste själv hantera belastningen och säkerställa att detta inte sker.

Enligt de flesta viktiga kriterier är EtherCAT en överlägsen industriell Ethernet-lösning. Den är snabbare, enklare att implementera, mer flexibel när det gäller topologi och kostnadseffektiv. Dessutom är det en helt öppen standard utan licenskostnader.

Eftersom fokus ligger på integration av datainsamlingssystem med industriella styrsystem erbjuder EtherCAT den hastighet, låga latens, determinism och integrationsmöjligheter som krävs. Inget annat protokoll i denna jämförelse uppfyller dessa krav på samma nivå.

Sammanfattning av EtherCAT

Förhoppningsvis har denna artikel gett en tydlig bild av EtherCAT och dess fördelar inom industriell automation, särskilt i system som inkluderar datainsamling, som IOLITE från Dewesoft samt expansionsmoduler som KRYPTON och SIRIUS.

Fördelar med EtherCAT

• Hög prestanda, den snabbaste industriella Ethernet-topologin med upp till 200 Mb/s (full duplex)

• Deterministisk kommunikation, realtid med synkronisering runt 1 ns

• Flexibel topologi, kan byggas som ring, linje, träd eller stjärna

• Inga hubbar eller switchar behövs, vilket möjliggör mycket stor skalbarhet

• Enkel drift, mastern tilldelar automatiskt adresser och synkroniserar noder

• Enkel konfiguration, inga IP- eller MAC-adresser behöver hanteras

• Kostnadseffektiv, jämförbar eller lägre kostnad än traditionella fältbussystem, med prisvärda masterenheter

EtherCAT-applikationer

• Fabriksautomation

• PLC-nätverk

• Styrning av servodrifter

• Datainsamlingssystem (DAQ)

• Rörelse- och maskinstyrningsplattformar

• Robotik

• Material- och bagagehanteringssystem

• Vågsystem

• Tryckpressar

• Halvledartillverkning

• Metall- samt massa- och papperstillverkning

• Kraftverk

• Testbänkar

• Vindkraftverk

• Jordbruksmaskiner

• Fräsmaskiner

• Tunnelstyrsystem

• Säkerhetssystem

• Och hundratals fler

Fördelar med DAQ och EtherCAT

• Hög- och låghastighetsdata från avancerade DAQ-system kan integreras perfekt i ett realtidsstyrsystem

• Eliminering av redundant A/D-omvandling ger lägre komplexitet, bättre noggrannhet och verkliga kostnadsbesparingar

• En separat datalog med mycket hög hastighet finns tillgänglig för avancerad analys vid behov, och den är synkroniserad med PLC-data