EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) – это открытый протокол для промышленной автоматизации, который использует стандарт Ethernet для передачи данных реального времени. Этот протокол был разработан фирмой Beckhoff Automation в 2003 году и с тех пор получил широкое распространение в промышленных системах и оборудовании.
EtherCAT является основным протоколом для обмена данных между различными устройствами в автоматизированных системах, такими как контроллеры, датчики, приводы и другие устройства. Он позволяет передавать данные с очень низкой задержкой и высокой точностью времени, что особенно важно для систем реального времени.
Основные преимущества EtherCAT включают:
1. Высокая скорость передачи данных: EtherCAT может достичь скорости до 100 Мбит/с и более, что позволяет передавать большое количество данных за очень короткое время.
2. Гибкость и масштабируемость: EtherCAT позволяет легко добавлять и удалять устройства в сети без прерывания работы системы. Он также поддерживает различные топологии сети, такие как звезда, дерево и кольцо.
3. Простота и надежность: Этот протокол не требует использования специального оборудования или кабелей, что делает его установку и настройку простой. Он также обеспечивает высокий уровень надежности передачи данных.
4. Открытость и поддержка отраслевыми стандартами: EtherCAT является открытым протоколом, что означает, что он доступен для использования различными производителями оборудования. Он также поддерживается множеством отраслевых организаций и стандартов, таких как IEC, ISO и другие.
EtherCAT имеет широкий спектр применений в автомобильной, энергетической, фармацевтической, пищевой, машиностроительной и других промышленных отраслях. Он позволяет создавать высокопроизводительные и гибкие автоматизированные системы с улучшенной точностью, скоростью и надежностью. Дейтаграммы EtherCAT пропускаются внутри стандартного фрейма Ethernet.
Как правило, полевые шины характеризуются короткой длиной данных на каждом узле, как правило, меньше, чем минимальная полезная нагрузка кадра Ethernet. Использование одного кадра в узле за цикл, следовательно, ведёт к низкому использованию полосы пропускания и, таким образом, ухудшает общую производительность сети. EtherCAT поэтому использует другой подход, называемый “Обработка на лету”.
Управляемые EtherCAT устройства, например ПЛК и УСО, не занимаются приёмом и отправкой дейтаграмм в классическом смысле слова. Вместо этого, каждая полученная дейтаграмма считывается «на лету» одновременно с отправкой дальше. Вставка данных происходит сходным образом. За счёт такого подхода удается добиться малого времени обработки дейтаграммы. Все устройства в сети адресуются одной дейтаграммой, которая последовательно обрабатывается каждым устройством.
Спецификация протокола EtherCAT доступна только членам организации, что значительно удорожает введение устройств EtherCAT в системы диспетчеризации.
Протокол EtherCAT оперирует пакетами, передаваемыми непосредственно внутри стандартного кадра IEEE 802.3 Ethernet (с применением Ethertype 0x88a4) или внутри датаграммы UDP/IP. Пакет EtherCAT неделим и состоит из заголовка (2 байта) и одного или более сообщения. Последовательность данных не зависит от физического порядка узлов в сети; адресация может быть обработана в любом порядке. Широковещательная, групповая передача данных и передача данных между конечными получателями также возможна и должна быть реализована на так называемом главном устройстве в текущем сегменте сети. Если IP-маршрутизации не требуется, протокол EtherCAT может быть вставлен в UDP / IP датаграммы. Это также даёт возможность какого-либо контроля над стеком протоколов Ethernet для реализации адресации EtherCAT систем.
Внешне, топология сети EtherCAT может быть произвольной — возможен произвольный порядок подключения устройств. Однако внутренняя топология всё равно будет кольцевой за счёт использования полнодуплексного Ethernet в качестве нижнего уровня — каждая посланная дейтаграмма будет проходить через все подключённые устройства в определённом порядке. Используя полнодуплексный Ethernet физического уровня, контроллеры ведомых устройств EtherCAT закрывают открытый порт автоматически и возвращают Ethernet фрейм, если клиентские (downstream) устройства не обнаружены. Ведомые устройства могут иметь два или более портов. В связи с этими особенностью EtherCAT является поддержка почти любых физических топологий, таких как линия, дерево или звезда. Шина или линия, структура известная из промышленных сетей таким образом, также становится доступной для Ethernet. Возможно также сочетание линий и ветвей или заглушек: любое устройство EtherCAT с тремя или более портами может выступать в качестве перехода, никаких дополнительных устройств (например свитчей) не требуется. Классическая топология Ethernet, звезда, построенная на коммутаторах может быть использована как с помощью переключателей настроенных для перенаправления трафика непосредственно между портами, или с помощью специальных придаточных устройств: свитчи, расположенные между ведущим сетевым устройством и ведомыми устройствами.Совокупность специальных ведомых устройств (помните стандартные ведомые устройства не имеют МАС-адресов) прикреплённых к одному порту коммутатора вместе образуют EtherCAT сегмент, который либо адресуются при помощи его MAC – адреса или через порт на основе VLAN – ов. Начиная с 100BASE-TX Ethernet физического уровня, расстояние между любыми двумя узлами может составлять до 100 м (300 футов). До 65535 устройств могут быть подключены к сегменту. Если сеть EtherCAT соединена кольцевой конфигурацией (требуется два порта на главном устройстве),то это может привести к избыточности проводных каналов.