EtherCAT Control I/O Solutions

Что такое EtherCAT?

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) - это полевая шина на базе Ethernet, разработанная для протоколов промышленных компьютерных сетей и обеспечивающая распределенное управление в реальном времени, что необходимо для промышленной автоматизации, приложений управления движением (робототехника), управления в реальном времени (ЧПУ, фрезерные станки, системы безопасности, печатные машины) и систем сбора данных (ветряные турбины, весовые системы). Протокол EtherCAT Device Protocol основан на связи "ведущий-ведомый" между контроллерами реального времени и полевыми устройствами (устройствами ввода-вывода, сервоприводами, датчиками, исполнительными механизмами, ...).

EtherCAT Automation Protocol (EAP): обмен данными между контроллерами или между контроллерами и MES/ERP-системами в индустриальных сетях.

Индустрия 4.0 создает запрос к интеграции информационных технологий (ИТ) и операционных технологий (ОТ). Чтобы соединить ИТ и ОТ, необходимо агрегировать большие данные, поступающие из процесса производства. По этой причине EtherCAT стал основным протоколом для автоматизации управления благодаря своей быстрой связи, гибкой топологии и распределенной архитектуре.

Как работает EtherCAT?

EtherCAT работает следующим образом - устройство принимает пакет, и как только оно получило заголовок (и поняло, что это EtherCAT-пакет), оно начинает отправлять этот пакет дальше, в процессе отправки заменяя биты пакета, в которых должна быть отправлена информация, на необходимые. Ведомые устройства EtherCAT обрабатывают данные (извлекают и вставляют данные) "на лету". В конфигурации EtherCAT "ведущий и ведомый", если выход последнего узла не является смежным с ведущим, то данные автоматически возвращаются в другом направлении по протоколу EtherCAT. Таким образом, сохраняется временная привязка.

В результате ведущий может послать килобайтный пакет со скоростями для ста двигателей и пустыми местами для ста датчиков, каждый из датчиков запишет в него свои данные, а каждый двигатель прочитает свои, пакет вернется к ведущему, и все это займет примерно микросекунду. Существует 3 режима синхронизации для ведомых устройств:

1. DC -Synchronous (по прерыванию)
2. SM-Synchronous (синхронизация по циклу)
3. Свободный ход.

EtherCAT-ведущий передает данные с помощью MAC (Media Access Controller) на уровне 2 (уровень данных) в стандартизованной модели OSI ethernet. Никаких дополнительных коммуникационных процессоров не требуется, а значит, функциональность EtherCAT-ведущего может быть реализована на любом устройстве, имеющем порт Ethernet. Теоретическое ограничение на количество устройств в сети EtherCAT составляет 65 535 ведомых.

В EtherCAT не используются IP-адреса. Порядок подключения к сети определяет каждое устройство, и устройства могут подключаться последовательно. EtherCAT поддерживает топологии "звезда" и "дерево", а устройства с двумя EtherCAT-портами - топологию "кольцо". UDP: Протокол EtherCAT может передаваться по UDP. Назначенный порт UDP для EtherCAT - 0x88a4.

Advantech EtherCAT

Компания Advantech предлагает полный портфель решений EtherCAT Control I/O, которые обеспечивают простой сбор и обработку данных для приложений IoT.

В последние годы EtherCAT стал основным протоколом для автоматизации управления благодаря быстрым циклам обмена данными, гибкой топологии и распределенной архитектуре. Опираясь на эти преимущества, ведущие/ведомые модули EtherCAT компании Advantech объединяют аппаратное и программное обеспечение, обеспечивая сбор и локальную агрегацию данных в зависимости от времени. Это ускоряет обработку данных для  оптимизации производительнных  процессов. EtherCAT-решения Advantech в области управляющего ввода/вывода объединяют аппаратную и программную основы и предлагают полный портфель модулей EtherCAT MainDevice (MDevice) и SubordinateDevice (SubDevice), поддерживающих интеграцию ОТ и ИТ для повышения эффективности и производительности.

Предлагаемые продукты 

1. Платформа управления (например контроллер IPC: серия AMAX-5000)

2. Модули ведомых устройств

2.1 Модули цифрового ввода/вывода  (например, AMAX-5052 - 16-ч цифровой вход EtherCAT Slice I/O)

2.2 Модули аналогового ввода/вывода и измерения температуры (например, AMAX-5017H - 4-х скоростной аналоговый вход EtherCAT Slice I/O)

2.3 Модуль расширения EtherCAT Slice IO (например, AMAX-5079)

2.4 Модуль ввода питания для EtherCAT Slice IO (например, AMAX-500)

2.5 EtherCAT-копплер для EtherCAT Slice IO AMAX-5000 (например, AMAX-5074)

3. Плата EtherCAT I/O MDevice Card (например, PCIE-1203IO - 2-портовая EtherCAT PCI Express Card)

4. 1-портовая EtherCAT I/O MDevice Card (например, PCM-26R1EC - 1-портовая EtherCAT I/O MDevice mPCIe Card)

5.  EtherCAT-шлюзы (например, EKI-1242IECMS Modbus RTU/TCP to EtherCAT Fieldbus Gateway, Wide Temperature)

6. Модули субустройств EtherCAT 

6.1 Модули цифрового ввода/вывода (например, AMAX-485632-ch Isolated Digital Input and 32-ch Isolated Digital Output EtherCAT Remote I/O Module)

6.2 Модули аналогового ввода/вывода (например, AMAX-48178-ch, 16-разрядный изолированный аналоговый вход EtherCAT-модуля удаленного ввода/вывода)

6.3 Модули EtherCAT-перехода (например, AMAX-4870 - 6-портовый EtherCAT-модуль перехода)

6.4 Модули управления движением (например, AMAX-3285IO8-осевое EtherCAT-устройство движения с расширением 16DI/16DO)

Типовая архитектура решения

Почему стоит выбрать решения Advantech EtherCAT для управления вводом/выводом?

Аппаратные MD-устройства EtherCAT компании Advantech используют SoC (System-on-a-Chip) дизайн для выполнения протоколов EtherCAT, гарантируя возможности доступа к вводу/выводу в режиме реального времени с минимальным временем цикла до 200 мкс.

• Более низкая совокупная стоимость владения (TCO) для EtherCAT-решения ввода/вывода на базе ПК. Стоимость внедрения решения на базе EtherCAT обычно меньше по сравнению с PROFINET IRT и SERCOS III.
• Диагностический инструмент для проверки качества связи. EtherCAT предоставляет диагностическую информацию как на аппаратном (счетчики потери связи, счетчики недопустимых кадров), так и на программном уровне (ошибки машины состояний, объект истории диагностирования).
• Простота подключения и установки, модули SubDevice обеспечивают различные форм-факторы
• Аппаратное MD-устройство EtherCAT, гарантирующее производительность в реальном времени. EtherCAT быстрее CANopen. По сравнению с Modbus протокол EtherCAT является детерминированным.
• Этот протокол обеспечивает высокую скорость, меньший трафик данных, меньшие аппаратные затраты, большую точность и механизм синхронизации часов по сравнению с Ethernet.

EtherCAT может выступать в качестве транспортного протокола для некоторых других протоколов, таких как BACnet, EtherNet/IP, PROFINET IO или Modbus. Ведомые устройства могут поддерживать любые прикладные программы TCP/IP, такие как HTTP, HTTPS или HTML.

Подключение EtherCAT-устройств

EtherCAT представляет собой полнодуплексную систему без внешних коммутаторов. Вместо этого в каждое устройство встроен коммутатор. Каждое устройство имеет два порта RJ45. Для подключения EtherCAT-устройств следует использовать Ethernet-кабель категорий CAT5, 6 и 7 в соответствии с EN 50173 или ISO/IEC 11801. Недорогие кабели Industrial Ethernet могут использоваться между двумя узлами, находящимися на расстоянии до 100 м друг от друга, в режиме 100BASE-TX. 
Для повышения скорости и обеспечения гальванической развязки между устройствами возможно использование оптоволоконных кабелей (например, 100BASE-FX) на расстояниях до 2 км.
Это делает возможной линейную топологию. EtherCAT-удлинители поддерживают топологии "звезда" и "дерево", а двойные EtherCAT-порты - топологию "кольцо". Линия, шина, дерево, звезда или последовательная цепочка: EtherCAT поддерживает практически все топологии.

Совместимость по стандарту Type 12 IEC 61158

Протокол EtherCAT описан в стандарте IEC 61158 Международной электротехнической комиссии и распространяется на цифровые передачи данных для измерения и управления. Он определяет требования к програмноаппаратным решениям автоматизации в реальном времени.

За время существования стандарта IEC 61158 спецификации обновлялись, но улучшения коснулись только расширенной совместимости. Это означает, что существующие устройства можно без проблем использовать в разных версиях систем. Среди расширений - Safety over EtherCAT для обеспечения безопасности машины и персонала в одной сети, а также EtherCAT P для связи и подачи напряжения питания (2 x 24 В) по одному 4-проводному кабелю.

EtherCAT G и EtherCAT G10 - это новые версии протокола EtherCAT, работающие на скоростях 1 Гбит/с и 10 Гбит/с соответственно. EtherCAT G и G10 полностью совместимы с оригинальным EtherCAT. Устройства, разработанные для оригинального EtherCAT со скоростью 100 Мбит/с, могут быть легко интегрированы в систему EtherCAT G и G10. Аналогичным образом ведомые устройства EtherCAT G могут работать с ведущим устройством EtherCAT (при условии, что ведущее устройство имеет порт Гбит/с), хотя устройства EtherCAT G и G10 при использовании в системе EtherCAT будут вести себя как устройства EtherCAT со скоростью 100 Мбит/с - до тех пор, пока не будет использована новая концепция ветвления.

EtherCAT - это надежность за счёт данных с временной меткой

Протокол EtherCAT использует метку времени. Каждый узел добавляет временную метку при получении пакета, а затем снова проставляет ее при передаче следующему узлу. Таким образом, когда ведущий получает данные от узлов, он может легко определить задержку каждого узла. Каждая передача данных от ведущего получает временную метку ввода-вывода от каждого узла. В конфигурации EtherCAT "ведущий и ведомый", если выход последнего узла не связан с ведущим, то данные автоматически возвращаются в другом направлении по протоколу EtherCAT. Таким образом, метка времени сохраняется.

Связанные продукты

AMAX-5052	AMAX-5017H	AMAX-5079	AMAX-5074
EKI-1242IECMS	PCIE-1203IO	PCM-26R1EC	AMAX-4856
AMAX-4817	AMAX-4870	AMAX-3285IO