Преимущества протокола EtherCAT для управления производством

С момента появления ПЛК (программируемый логический контроль) и его использования для автоматизации управления производственными процессами конструкция машин становилась все более сложной. Экспоненциальный рост вычислительной мощности ПЛК позволил увеличить количество устройств в сети управления оборудования, чтобы повысить производительность и функциональность станков. Его вычислительная мощность дала производителям оборудования возможность разрабатывать системы с широкими возможностями настройки для более быстрого ввода станков в эксплуатацию и упрощения их обслуживания.

Преимущества повышенной способности обрабатывать информацию также приносят новые проблемы. Одной из них является необходимость ПЛК считывать и записывать свои входы и выходы и управлять связью с внешними устройствами при каждом сканировании ПЛК. Независимо от того, насколько быстро ПЛК выполняет логические операции, если полевая шина, используемая для соединения устройств управления, недостаточно надежна для передачи данных, производительность станка будет ограничена.

Протокол EtherCAT позволяет обеспечить эффективную передачу данных в режиме реального времени, для материалов и процессов, требующих короткого времени цикла, таких как пластмассы, упаковка, металлообработка и погрузочно-разгрузочные работы.

Как и другие протоколы полевых шин, EtherCAT обычно основан на оборудовании Ethernet. EtherCAT отличается способом передачи данных, а также компонентами, составляющими сеть предприятия.

Сеть EtherCAT состоит как минимум из одного главного устройства, которое управляет несколькими подчиненными контроллерами. В то время как каждому ведомому устройству EtherCAT требуется встроенный микроконтроллер для обработки данных, ведомое устройство обрабатывает команды от ведущего и обменивается с ним данными в режиме реального времени. Эта архитектура оптимизирует обмен данными, высвобождая ресурсы ПЛК, на котором работает мастер EtherCAT, и делает возможным синхронизированный обмен данными с низким джиттером.
Структура кадра EtherCAT использует аппаратную архитектуру для дальнейшего улучшения связи. Ведущее устройство EtherCAT передает данные каждому ведомому устройству, адресованному ему, на канальном уровне стандартного кадра Ethernet IEEE 802.3. Каждый кадр Ethernet состоит из нескольких дейтаграмм EtherCAT, которые содержат команды, адресованные ведомому устройству.
Каждое ведомое устройство обрабатывает адресованную ему информацию «на лету», считывая только адресованные ему данные и вставляя их по мере прохождения через ведомый узел.
Функциональный принцип связи EtherCAT показывает перемещение пакетов данных от главного устройства ПЛК к блокам ввода-вывода, частотно-регулируемым приводам/приводам и входам-выходам безопасности и обратно.
Протоколы более высокого уровня, такие как HTTP, используют отдельный кадр Ethernet для отправки данных на каждое устройство в сети. Использование одного фрейма Ethernet, содержащего данные для нескольких устройств, значительно снижает объем служебных данных в сети. Дополнительным преимуществом передачи данных процесса на канальном уровне является отсутствие необходимости в коммутаторе для маршрутизации данных. Это позволяет EtherCAT достигать малого времени цикла с низким уровнем джиттера.

Функция распределенных часов делает возможной детерминированную связь с аппаратной архитектурой и структурой кадра. Когда распределенные часы включены, ведущее устройство использует эталонные часы и сравнивает их с локальными на каждом подчиненном устройстве. Затем вычисляется смещение между эталонными, и ведомым часами и вставляется смещение времени. Поскольку все узлы используют одно и то же системное время, каждое ведомое устройство может обрабатывать данные синхронно.

Гибкость проводки и максимально допустимое количество устройств в данной сети являются важными факторами при выборе полевой шины. EtherCAT может быть реализован как централизованная или децентрализованная сеть. Возможна гирляндная, древовидная, звездообразная или линейная топология без снижения производительности. Около 65 535 устройств могут быть подключены на расстоянии до 100 м друг от друга с использованием централизованной или распределенной архитектуры.