Qu'est-ce qu'un EtherCAT : architecture, fonctionnement et ses applications

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EtherCAT a d'abord été développé par un grand automates fabricant à savoir Beckhoff Automation qui est utilisé dans les systèmes de contrôle en temps réel et l'automatisation industrielle . Beckhoff Automation a développé sa propre version Fieldbus comme LightBus dans les années 1980 pour résoudre le problème de la bande passante pour d'autres interfaces. Un travail supplémentaire sur ce protocole a finalement abouti à l'invention EtherCAT. Beckhoff a lancé le protocole EtherCAT en 2003 dans le monde entier. Après cela, ils ont apporté les droits au EtherCAT Technology Group (ETG) en 2004. ETG a un développeur extrêmement actif ainsi qu'un groupe d'utilisateurs. Cet article donne un aperçu de Les bases d'Ethercat – travailler avec des applications.


Qu'est-ce qu'un Ethercat ?

EtherCAT ou Ethernet Control Automation Technology est un système de réseau industriel qui dépend du système Ethernet utilisé pour atteindre des communications très rapides et plus efficaces. Ainsi, EtherCAT est un réseau très rapide utilisé pour traiter les données avec du matériel et des logiciels dédiés. Ce réseau utilise une configuration maître-esclave en duplex intégral avec n'importe quel topologie du réseau .



Le temps nécessaire pour traiter 1000 points d'E/S est de 30 secondes et communique avec 100 axes servo en 100 us. Les axes servo obtiendront des valeurs définies pour contrôler les données et signaler l'état réel. Ces axes sont synchronisés via une méthode d'horloge distribuée qui est une simple version IEEE 1588 et réduit la gigue à moins de 1 us. L'EtherCAT fournit une sortie rapide car les messages sont traités dans le matériel avant d'être déplacés vers l'esclave suivant.

Architecture EtherCAT

L'architecture du réseau EtherCAT est illustrée ci-dessous qui utilise le principe maître/esclave pour contrôler l'accès au médium. Dans cette architecture, le maître EtherCAT est normalement le système de contrôle qui utilise un port Ethernet typique ainsi que les informations de configuration réseau stockées dans le fichier ENI (EtherCAT Network Information).



  Architecture EtherCAT
Architecture EtherCAT

Le fichier EtherCAT Network Information est simplement créé sur la base des fichiers ESI (EtherCAT SlaveInformation) qui sont fournis par les marchands pour chaque appareil. Ici, le nœud maître transmet les trames aux nœuds esclaves qui peuvent insérer et supprimer des données de ces trames. Les appareils esclaves sont des nœuds comme les entraînements de moteur EPOS3 qui contiennent les ports Ethernet pour communiquer via un maître EtherCAT. Ici, le maître EtherCAT est un dispositif informatique utilisé pour maintenir la communication de données entre le maître ainsi que différents esclaves.

Comment fonctionne EtherCAT ?

EtherCAT est utilisé pour surmonter les défauts typiques de l'Ethernet industriel grâce à son mode de fonctionnement haute performance, où généralement une seule trame suffit pour transmettre et recevoir des données de contrôle depuis et vers tous les nœuds. Le protocole EtherCAT est construit sur la couche physique d'un Ethernet cependant, EtherCAT utilise une approche de traitement à la volée pour le transport et le routage des messages qui est également appelée communication à la volée plutôt que d'utiliser TCP/IP.

Les configurations maître et esclave EtherCAT sont présentées ci-dessous. Dans cette configuration, le maître d'Ethercat transmet un paquet de données (télégramme) à travers chaque esclave, également appelé nœud.
La principale caractéristique d'EtherCAT est que les esclaves dans la configuration ci-dessus peuvent lire ou extraire simplement les données connexes requises du télégramme et ajouter des informations au télégramme avant qu'il ne se déplace dans le deuxième nœud ou esclave. Ainsi, le télégramme se déplace dans tous les esclaves connectés et revient ensuite au maître.

  Configuration maître et esclave EtherCAT
Configuration maître et esclave EtherCAT

Le protocole EtherCAT envoie un télégramme de l'appareil maître à tous les esclaves connectés au sein du réseau. Chaque esclave du réseau peut simplement lire les données applicables à cet esclave et peut ajouter des données au télégramme avant qu'il ne se déplace vers le deuxième nœud.

La lecture et l'écriture des données sont simplement activées via un ASIC spécial sur chaque esclave d'EtherCAT. Dans cette approche, chaque esclave introduira un délai minimum dans la procédure et les collisions ne sont pas possibles.

Le protocole EtherCAT fournit simplement une communication en temps réel et déterministe compatible avec le contrôle de mouvement synchronisé et multi-axes sans nécessiter de matériel supplémentaire pour obtenir la synchronisation entre plusieurs axes.

Tolérance aux pannes

Dans la configuration maître et esclave d'EtherCAT, si la sortie du dernier nœud n'est pas liée au maître, les données sont renvoyées automatiquement dans une autre direction via le protocole EtherCAT. Ainsi, l'horodatage est conservé.

Chaque nœud dans la configuration ci-dessus horodate les données une fois qu'elles sont obtenues, et après cela, il les horodate à nouveau une fois qu'il les transmet au deuxième nœud. Par conséquent, chaque fois que le maître récupère les données des différents nœuds, il détermine facilement la latence de chaque nœud. La transmission des données du maître obtient un horodatage d'E/S de chaque nœud pour rendre l'EtherCAT beaucoup plus déterministe et précis.

  Tolérance aux pannes
Tolérance aux pannes

La tolérance aux pannes signifie que les réseaux d'EtherCAT ne doivent pas être connectés dans un réseau en anneau comme indiqué dans le schéma ci-dessus, mais il peut être connecté de différentes manières, comme la topologie arborescente, la topologie en ligne, la topologie en anneau, la topologie en étoile et aussi avec combinaisons.

Bien sûr, entre les esclaves et le maître, il doit y avoir une voie de connexion. Une fois que vous les débranchez, ils ne peuvent plus fonctionner, bien que la topologie du réseau soit très flexible et tolère les erreurs à un excellent niveau.

Dans les systèmes EtherCAT, les commutateurs ne sont pas nécessaires comme ce que nous avons trouvé dans Ethernet. Les longueurs de câble entre les nœuds jusqu'à 100 mètres sont réalisables. La signalisation différentielle basse tension sur les câbles en cuivre à paires torsadées fonctionne à des vitesses maximales avec une consommation d'énergie très réduite. Ainsi, il est également possible d'utiliser des câbles à fibres optiques (FOC) pour améliorer la vitesse et inclure une isolation galvanique entre les appareils.

EtherCAT utilise un câble Ethernet pouvant aller jusqu'à 100 m entre deux nœuds. De plus, le protocole permet la transmission de données et l'alimentation via un seul câble. Ce type de connexion est utilisé pour connecter différents appareils comme des capteurs avec une seule ligne. Si la distance du nœud est supérieure à 100 m, le câble à fibre optique est utilisé comme 100BASE-FX. Pour EtherCAT, la gamme complète de câblage Ethernet est également disponible.

Trame EtherCAT

Le protocole EtherCAT utilise une trame Ethernet typique qui comprend au moins un datagramme ou plus. Dans ce cadre, l'en-tête du datagramme spécifiera le type d'entrée que le périphérique maître souhaite effectuer :

  • Lire, écrire, lire-écrire.
  • Droit d'accès à un dispositif esclave particulier par adressage direct ou droit d'accès à divers dispositifs esclaves par adressage logique.

L'adressage logique est utilisé pour le processus d'échange de données cyclique où chaque datagramme adresse une fraction exacte de l'image de processus dans le segment du protocole EtherCAT.

  Trame EtherCAT
Trame EtherCAT

Chaque dispositif esclave se voit attribuer une ou plusieurs adresses dans cet espace d'adressage global à travers le réseau établi. Un seul datagramme peut être considéré si plusieurs appareils esclaves se voient attribuer des adresses dans une région similaire.

Dans EtherCAT, les datagrammes incluent les informations relatives à l'accès aux données, ainsi l'appareil maître décide quand accéder aux données.

Sécurité du protocole

À l'heure actuelle, la sécurité est l'une des principales caractéristiques même dans le domaine de l'automatisation pour le transfert de données ainsi que la communication. Ainsi, EtherCAT utilise le protocole Safety à des fins de sécurité en permettant un seul système de communication pour la sécurité et le contrôle des données. Cette fonction de sécurité modifie également les données de manière flexible et étend l'architecture du système de sécurité, etc.

La technologie de sécurité du protocole EtherCAT est certifiée TÜV et a été développée sur la base de la norme CEI 61508 et est identique à la norme CEI 61784-3. Ce protocole est applicable dans les applications de sécurité via un niveau d'intégrité de sécurité égal à SIL 3.

Ethercat contre Ethernet

Les différences entre EtherCAT et Ethernet sont décrites ci-dessous.

EtherCAT

Ethernet

EtherCAT est un système Fieldbus basé sur Ethernet. Ethernet est une technologie de réseau informatique filaire.
Il s'applique aux exigences informatiques en temps réel logicielles et matérielles dans le cadre de la technologie d'automatisation. Il est applicable dans les LAN, les MAN et les WAN.
La norme internationale Ethercat est CEI 61158 La norme internationale Ethernet est IEEE-802.3.
Il nécessite un fonctionnement maître/esclave. Il ne nécessite pas de fonctionnement maître/esclave.
Il a besoin d'une topologie basée sur l'anneau. Il n'a pas besoin d'une topologie basée sur l'anneau.
Il est spécialement optimisé pour le contrôle en temps réel. Il n'est pas optimisé pour le contrôle en temps réel.
Il est optimisé pour éviter les collisions de données. Il n'est pas optimisé pour éviter les collisions de données.

Ethercat contre Profinet

Les différences entre EtherCAT et Profinet sont décrites ci-dessous.

EtherCAT

Profinet

EtherCAT est un type de protocole utilisé pour apporter la flexibilité et la puissance d'Ethernet à l'automatisation industrielle, aux systèmes de contrôle en temps réel, au contrôle de mouvement et aux systèmes d'acquisition de données. Profinet est un protocole de communication utilisé pour échanger des données entre les contrôleurs et les appareils.
EtherCAT fournit une solution ouverte à un coût très inférieur par rapport à PROFINET IRT et SERCOS III. Profinet ne fournit pas une solution ouverte à un coût très inférieur.
Son temps de réponse est de 0,1 ms. Son temps de réponse est <1ms.
La gigue Ethercat est < 0,1 ms. La gigue Profinet est < 1 ms.

Ethercat contre CANopen

Les différences entre EtherCAT et CANopen sont décrites ci-dessous.

EtherCAT

Peut ouvrir

La vitesse du bus dans Ethercat est de 100 Mbps. La vitesse du bus dans CANopen est de 1 Mbps.
Le mode de transfert utilisé dans Ethercat est un duplex intégral. Le mode de transfert utilisé dans CANopen est le semi-duplex.
Le déterminisme ou la gigue entre les appareils est aussi faible que 1ns. Le déterminisme ou la gigue entre les appareils est normalement de 100 à 200 ns.
Un seul maître est utilisé avec un ou plusieurs esclaves. Seul/multi-maître est utilisé avec un ou plusieurs esclaves.
La distance maximale entre les appareils est de 100 mètres. La distance maximale entre les appareils dépend principalement de la vitesse du bus.
Le port de communication utilisé comme secondaire est un USB. Le port de communication utilisé comme secondaire est RS232.

Ethercat contre Modbus

Les différences entre EtherCAT et Modbus sont discutés ci-dessous.

EtherCAT

Modbus

EtherCAT est un système de bus de terrain basé sur Ethernet. Modbus est un protocole de communication de données série
Il utilise le principe du traitement à la volée. Il utilise des lignes de communication série de caractères.
EtherCAT est basé sur le modèle maître et esclave. Modbus est basé sur un modèle requête-réponse.
Il prend en charge tous les topologies de réseau presque. Il ne prend en charge que les topologies en ligne et en étoile.
Ethercat est déterministe. Modbus n'est pas déterministe car il est basé sur TCP.

Avantages et inconvénients

Les avantages du protocole Ethercat sont les suivants.

  • EtherCAT est un bus de terrain exceptionnel utilisé dans les applications de contrôle de mouvement.
  • Il est vérifié pour optimiser les performances de la machine grâce à sa topologie flexible, ses performances déterministes et son ensemble de fonctionnalités différentes.
  • Il prend simplement en charge toute la famille CANopen et le profil de variateur de Sercos. Cela aide donc les utilisateurs à organiser facilement les réseaux EtherCAT selon l'application exacte en modifiant les profils fondamentaux prédéfinis.
  • Sa redondance est également possible en utilisant une topologie en anneau. EtherCAT utilise également étoile, arbre, ligne et topologie en bus .
  • Ce protocole offre une vitesse élevée, moins de trafic de données, moins de coût matériel et plus de précision et de mécanisme de synchronisation de l'horloge par rapport à Ethernet.
  • Cette vitesse de réseau peut également être gérée car les ordinateurs peuvent avoir du mal à gérer la meilleure quantité de cycles, ainsi l'optimisation dans EtherCAT est réalisable.
  • Il prend en charge presque toutes les topologies, de sorte qu'il peut être utilisé dans une large gamme d'applications avec le commutateur Ethernet typique basé sur la topologie en étoile.
  • Protocoles Ethernet sont très sécurisés, utilisent des maîtres simplifiés, l'espace de données est plus important et le traitement est à la volée.

Les inconvénients du protocole Ethercat sont les suivants.

  • Le principal inconvénient d'EtherCAT est que les appareils esclaves nécessitent d'insérer un matériel ASIC spécifique pour exécuter EtherCAT. Son modèle de données est extrêmement différent et également très difficile à comprendre.

Applications

La applications d'EtherCAT inclure les éléments suivants.

  • L'EtherCAT est applicable dans différents domaines en raison de nombreuses fonctionnalités telles que d'excellentes performances, la simplicité, la robustesse, l'abordabilité, la sécurité intégrée et la topologie flexible. Il est utilisé dans différents domaines tels que les machines-outils, la robotique, les presses à imprimer, les presses, les centrales électriques, les sous-stations, les bancs d'essai, les machines à souder, les machines agricoles, les grues et les ascenseurs, les éoliennes, les fraiseuses, les machines Pick and Place, les machines d'emballage, les mesures. systèmes, Usines sidérurgiques, Machines à papier et à pâte, Systèmes de contrôle de scène, Systèmes de contrôle de tunnel, etc.
  • Il est applicable dans la mesure d'équipements, de dispositifs médicaux, de contrôle de machines, de machines mobiles, de nombreux systèmes embarqués et d'automobiles.
  • Il a des performances extrêmement élevées, est simple à installer et un protocole ouvert basé sur la couche d'application utilisé dans les applications Ethernet
  • Il s'agit d'un système de communication en temps réel et ouvert, si largement utilisé dans la fabrication automatisée.

Ainsi, ceci est un aperçu d'Ethercat – travailler avec des applications. EtherCAT rend les systèmes et les machines plus simples, plus rapides et plus rentables. Il s'agit d'une norme CEI internationale qui n'est pas exclusivement synonyme de stabilité, mais aussi d'ouverture : jusqu'à présent, les spécifications EtherCAT n'ont jamais été modifiées, mais étendues uniquement de manière compatible. EtherCAT est considéré comme le « bus de terrain Ethernet » car il fusionne les avantages d'Ethernet avec la simplicité des systèmes de bus de terrain standard et évite la complexité des technologies informatiques. Voici une question pour vous, qu'est-ce qu'Ethernet ?