EtherCAT ili Ethernet for Control Automation Technology je otvoreni fieldbus protokol visokih preformansi, zasnovan na Ethernet-u. Cilj razvoja ovog protokola je primena Ethernet-a u aplikacijama automatizacije, koje zahtevaju kratka vremena update-ovanja uz nisku cenu hardvera. Ovaj protokol je razvila kompanija Beckhoff Automation, a svi korisnici ove tehnologije su postali članovi EtherCAT Tehnology grupe, međunarodnog udruženja korisnika i proizvođača sa oko 200 kompanija članica.
Uvod
Fieldbus predstavlja integralnu komponentu tehnologije automatizacije. U početku se fieldbus tehnologija ispitivala i testirala, dok je sada u širokoj upotrebi. Upravo je ona omogućila široku upotrebu kontrolnih sistema zasnovanih na PC-ju. Kako se performanse procesora kontrolera (posebno ICP) ubrzano poboljšavaju, konvencionalni fieldbus sistemi će predstavljati „usko grlo“ koje ograničava performanse kontrolnih sistema koje mogu biti postignute. Dodatni faktor predstavlja slojevita kontrolna arhitektura koja sadrži nekoliko podređenih (uglavnom cikličnih sistema): pravi kontrolni zadatak, fieldbus sistem i moguće lokalno bus proširenje unutar ulazno/izlaznog sistema ili jednostavno lokalni firmware ciklus kod perifernih uređaja. Tipično vreme odziva je 3-5 puta veće u odnosu na vreme ciklusa kontrolera i stoga predstavlja nezadovoljavajuće rešenje.
Slika br. 1: Vreme odziva konvencionalnih fielbus sistema
Princip rada
EtherCAT tehnologija prevazilazi pojedina ograničenja svojstvena Ethernet rešenjima. Ovde je novina to da se Ethernet paket više ne prima, obrađuje i kopira na svakom uređaju. EtherCAT slave uređaji čitaju podatke na njih adresirane, dok frejm prolazi kroz čvor. Kašnjenje frejmova iznosi samo nekoliko nanosekundi. Kako Ethernet frejm sadrži podatke o velikom broju uređaja, i u smeru slanja i primanja, brzina prenosa podatka raste i do 90%. Karakteristike punog dupleksa 100BASE-TX standarda su potpuno iskorišćene pa se mogu postići brzine od 100 Mbps. Prema IEEE802.3 standardu Ethernet protokol ostaje netaknut, sve do pojedinačnih terminala.
Protokol
EtherCAT protokol je optimizovan za obradu podataka i transportuje se direktno unutar Ethernet frejma zahvaljujući EtherType polju (dva okteta unutar Ethernet frejma). Frejm može sadržati nekoliko pod-telegrama, pri čemu svaki služi pojedinačnoj memoriji logičke obrade čija veličina može doći i do 4 GB. Sekvenca podataka je nezavisna u odnosu na fizički redosled Ethernet terminala u mreži, a adresiranje se može izvršiti bilo kojim redosledom. Broadcast, Multicast i komunikacija između slave uređaja je izvodljiva. Direktni prenos Ethernet frejma se izvodi u slučajevima kada se zahtevaju maksimalne performanse, pri čemu su EtherCAT komponente u istoj podmreži kao i kontroler.
Međutim, EtherCAT nije ograničen samo na podmrežu (subnet). EtherCAT UDP pakuje EtherCAT protokol u UDP/IP datagrame. Ovde je moguća čak i komunikacija između rutera različitih podmreža. U ovoj varijanti, performanse sistema zavise od kontrolnih karakteristika u realnom vremenu i implementacije Ethernet protokola. UDP datagram mora biti otpakovan na prvoj stanici.
Slika br. 2: EtherCAT: Standardnifrejmovi prema IEEE 802.3 standardu
EtherCAT koristi standardne frejmove prema standardu IEEE 802.3, frejmove koji se ne skraćuju. EtherCAT frejmovi se stoga mogu slati sa bilo kog Ethernet kontrolera (master) i mogu se koristiti standardni uređaji (poput monitora).
Topologija
EtherCAT podržava bilo koju vrstu topologije: linija, drvo ili zvezda. Bus ili linijska struktura poznata iz fieldbus standarda je stoga na raspolaganju i za Ethernet. Za sistem umrežavanja posebno je važna mogućnost kombinacije linija i grana. Svi potrebni interfejsi su u kaplerima tako da dodatnio svičevi nisu potrebni.
Fleksibilnost umrežavanja se dodatno povećava izborom različitih kablova. Plastična optička vlakna (POF) dopunjuju sistem za specijalne primene. U kombinaciji sa svičevima i media konvertorima može se koristiti potpun izbor Ethernet kablova, a to su različite vrste optičkih vlakana ili bakarnih kablova. Fizika brzog Ethernet-a daje mogućnost korišćenja kablova dužine 100 m između dva uređaja. Procenjuje se da može biti povezano do 65.535 uređaja, tako da je veličina mreže praktično neograničena.
Slika br. 3: Fleksibilna topologija: linija, drvo, zvezda.
Performanse
EtherCAT doseže nove dimenzije performansi mreže. Zahvaljujući hardverskoj integraciji u slave i direktnom memorijskom pristupu master mrežnoj kartici, kompletna obrada protokola odvija se unutar hardvera i stoga uopšte ne zavisi od vremena izvršenja stek protokola, performansi procesora ili implementacije softvera. Vreme update-ovanja za 1000 I/U jedinica iznosi samo 30 μs. Jednim Ethernet frejmom može biti razmenjeno do 1486 bajtova obrade podataka, što je ekvivalentno broju od 12.000 digitalnih ulaza i izlaza. Prenos ove količine podataka traje samo 300 μs.
Komunikacija sa 100 servo osa (servo axes) traje samo 100 μs. Tokom tog perioda svim osama su obezbeđene komandne vrednosti i kontrolni podaci uz izveštaj aktuelnih pozicija i statusa. Tehnika distribuiranog takta omogućuje sinhronizaciju osa uz devijaciju značajno manju od 1 μs.
Tabela br. 1: Pregled EtherCAT performansi
Ethernet preko EtherCAT-a (EoE)
Za EtherCat tehnologiju važi to da je ne samo potpuno kompatibilna sa Ethernet-om, već postoji i određena „otvorenost“ dizajna. Naime, protokol dopušta druge servise i protokole zasnovane na Ethernet-u na istoj fizičkoj mreži, obično uz minimalno slabljenje performansi. Ne postoje ograničenja po pitanju tipova Ethernet uređaja koji se mogu povezivati unutar
EtherCAT segmenata. Ethernet frejmovi se tuneluju EtherCAT protokolom, standardnim pristupom u internet aplikacijama (VPN, PPPoE (DSL), isl.). EtherCAT mreža je potpuno transparentna za Ethernet uređaje. U EtherCAT okruženju se mogu koristiti sve internet tehnologije: integrisani web server, e-mail, FTP prenos itd.
Implementacija – Master i Slave
EtherCAT koristi standardne Ethernet kontrolere pa se može postići određeno smanjenje troškova. Ovde komunikacija koprocesora nije uslov, pošto se obično samo jedan Ethernet frejm šalje po jednom ciklusu. EtherCAT stoga predstavlja jedino Ethernet rešenje sa zahtevima u realnom vremenu a bez specijalnih master plug-in kartica, tako da je dovoljna standardna NIC kartica. Master se obično implementira kao čisto softversko rešenje. Implementacija EtherCAT mastera se izvršava jednostavno, posebno za kontrolne sisteme male i srednje veličine.
U slave uređajima se koriste ekonomični EtherCAT slave kontroleri (ASIC ili FPGA). Za jednostavne uređaje nisu potrebni dodatni mikrokontroleri, dok za složenije, performanse EtherCAT komunikacije su praktično nezavisne od korišćenih kontrolera. EtherCAT slave kontrolere nudi nekoliko proizvođača. Slave kontrolere kompanije Beckoff karakteriše DPRAM (dual port RAM) i oni nude spektar interfejsa za pristup apikativnoj memoriji.
Zaključak
EtherCAT odlikuju izvanredne performanse, veoma jednostavno umrežavanje i otvorenost ka drugim protokolima. EtherCAT postavlja nove standarde tamo gde konvencionalni fieldbus sistemi dosežu svoje granice: 1000 U/I jedinica za 30 μs i, zahvaljujući Ethernet-u i internet tehnologijama, optimalnu vertikalnu integraciju. Uz EtherCAT, skupa Ethernet topologija zvezde može biti zamenjena jednostavnom linijskom strukturom bez dodatnih skupih infrastrukturnih komponenata. Po izboru, EtherCAT se može umrežavati i klasično, korišćenjem svičeva, kako bi se postigla integracija ostalih Ethernet uređaja. U slučajevima kada drugi Ethernet pristupi u realnom vremenu zahtevaju specijalne konekcije u kontroleru, dovoljne su vrlo ekonomične standardne Ethernet kartice (NIC). EtherCAT odlikuju potpuna Ethernet kompatibilnost, maksimalno iskorišćenje širokog opsega koji nudi Ethernet i izvanredne karakteristike u realnom vremenu uz smanjenje troškova.
