پروتکل EtherCat غول شبکه های صنعتی در کارخانجات

بررسی اجمالی

EtherCAT ( اترکت ) یک پروتکل مبتنی بر اترنت بسیار انعطاف‌پذیر است که با سرعت زیادی در حال توسعه می‌باشد.

از آنجا که پیام‌های EtherCAT قبل از انتقال در هر گره پردازش می‌شوند، باعث ایجاد سرعت و کارایی بالا نیز می‌شود. این فرآیند همچنین انعطاف‌پذیری در توپولوژی و همگام‌سازی باورنکردنی را پدید می‌آورد.

به جز مزایای حاصل از «پردازش سریع»، EtherCAT از زیرساخت فوق العاده‌ای بهره می‌برد. این پروتکل همچنین از داشتن گروه کاربران قوی نفع می‌برد. ترکیب این مزایا بدین معنی است که EtherCAT آماده ادامه رشد است.

تاریخچه

Beckhoff، یک شرکت اتوماسیون آلمانی، سیستمی مبتنی بر fieldbus به نام Fast Lightbus ایجاد کرد تا مشکل استفاده از پهنای باند کم موجود در سایر پروتکل‌های اترنت را برطرف کند. این پروتکل منجر به ساخت EtherCAT شد که Beckhoff در سال 2003 آن را منتشر کرد.

گروه تکنولوژی EtherCAT

در سال 2004، Beckhoff به ایجاد یک گروه جدید برای پیشبرد پروتکل EtherCAT کمک کرد. تلاش آنها منجر به تشکیل گروه تکنولوژی EtherCAT شد.

استانداردهای بین‌المللی

در سال 2005، EtherCAT به صورت IEC/PAS 62407 استاندارد ‌سازی شد. این استاندارد اکنون منسوخ شده است، اگرچه این موضوع به دلیل نقص در EtherCAT نیست.

در عوض، EtherCAT با تعدادی از استانداردهای دیگر ادغام شده، که نشانه‌ای از تنوع‌پذیری آن است. استانداردهای فیلدباس IEC 61158 و IEC 61784-2 IEC 61158I که هر دو، از سال 2007 EtherCAT را شامل می‌شوند. EtherCAT همچنین در استاندارد منتشر شده ISO 15745-4 نیز گنجانده شده است.

تکنولوژی خودکار

EtherCAT از لایه فیزیکی استاندارد IEEE 802.3 استفاده می‌کند. برای پیاده‌سازی شبکه EtherCAT به سخت‌افزار خاصی نیاز نیست. همچنین هیچ سوئیچ‌ خارجی در شبکه EtherCAT استفاده نمی‌شوند. در عوض، هر دستگاه، یک سوئیچ را در خود تعبیه کرده است. هر گره‌ای که گره بعدی در رشته را تشخیص ندهد، شبکه را به طور خودکار در آن نقطه خاتمه می‌دهد.

اگر دستگاه Master دو پورت اترنت داشته باشد، شبکه‌های EtherCAT می‌توانند به صورت حلقه‌ای سیم‌کشی شوند. پارگی کابل در هر نقطه از حلقه، توسط پورت‌های بالادست و پایین دست، بسته می‌شود.

فریم EtherCAT

برای اینکه فریم EtherCAT بدون توقف در هر گره به حرکت خود ادامه دهد، بسته‌های داده باید مانند واگن‌های قطار، حاوی اجزای خاصی باشد. با نگاهی به فریم EtherCAT، قیاس آن با قطار کاملا آشکار به نظر می‌رسد.

در زیر اجزای این فریم را مورد بررسی قرار می‌دهیم:

هدر EtherCAT

فریم EtherCAT با یک هدر استاندارد شروع می‌شود. اولین عدد صحیح، شناسه طول داده است. این بیت به گره‌ها اطلاع می‌دهد که طول قسمت فریم چقدر خواهد بود.

طول به ویژه در یک فریم مهم است؛ طول با تعداد بایت‌ها و گره‌های پیام متفاوت است، درست مانند تعداد بیشتری واگن قطار که قطار را طولانی‌تر می‌کنند. قسمت دوم هدر EtherCAT یک بیت رزرو شده است که پس از آن یک عدد صحیح قرار می‌گیرد. عدد صحیح نوع پیام را تعریف می‌کند.

داده PDO

پس از هدر، فریم EtherCAT شامل Objects Process Data یا PDOها می‌شود. PDOها با تعداد گره‌ها و پیام‌های داخل قالب مطابقت دارند. هر PDO حاوی داده‌های یک گره مانند محصول داخل واگن قطار است. PDOها نیز به صورت جداگانه مورد بررسی قرار می‌گیرند.

شمارنده کار

قسمت نهایی یک فریم EtherCAT شمارنده کار است. شمارنده کار به محتوای قالب EtherCAT وابسته است. با اطمینان از صحت شمارنده کار، هر گره می‌تواند اطمینان حاصل کند که کل اطلاعات فریم را دریافت کرده است.

مزیت سرعت بالا

اصل اساسی «پردازش سریع» در پس زمینه EtherCAT مزیت آشکاری را فراهم می‌آورد. تاخیری که یک پیام در شبکه استاندارد اترنت تجربه می‌کند، بسیار بیشتر از تاخیر کوچک در شبکه EtherCAT است. به هر حال دو نکته مهم وجود دارد که باید به آنها توجه کرد.

نخست اینکه، تاخیر وجود دارد. فریم EtherCAT نمی‌تواند به طور مداوم حرکت کند. بنابراین هر گره یک تاخیر کوچک ایجاد می‌کند. دوم؛ در صورت لزوم می‌توان شبکه‌های EtherCAT را کند کرد.

توپولوژی انعطاف‌ پذیر

اصل «پردازش سریع» EtherCAT علاوه بر سرعت، مزیت دیگری نیز دارد. شبکه‌های EtherCAT را می‌توان در انواع مختلف توپولوژی پیکربندی کرد. درست همانند اترنت، توپولوژی ستاره بسیار ساده‌تر از بقیه نیز می‌باشد. با این حال، EtherCAT می‌تواند بسیار فراتر از توپولوژی ستاره گسترش یابد.

EtherCAT امکان استفاده در سیستم‌های fieldbus را با استفاده از سخت‌افزار اترنت ایجاد می‌کند.

EtherCAT دارای افزونگی داخلی است که پارگی‌های احتمالی در سیمکشی را جبران می‌کند. هنگامی که خط شکسته میشود، شبکه می‌تواند وقفه‌ بوجود آمده را تشخیص دهد.

فریم EtherCAT می‌تواند تا انتهای شبکه حرکت کند و چون پیام‌ها در مسیری معکوس به عقب برمی‌گردند، فریم برعکس شده و به Master باز می‌گردد. به این ترتیب، همه شبکه‌های EtherCAT می‌توانند مانند توپولوژی حلقه بسته عمل کنند.

ویژگی‌های دیگر

همگام‌سازی، توپولوژی انعطاف‌پذیر و سرعت مزایایی هستند که EtherCAT به دلیل عملکرد منحصر به فرد خود دارد.

توسعه

دستگاه‌های EtherCAT Master را می‌توان با استفاده از هر آدرس MAC استاندارد اترنت توسعه داد. سخت‌افزار خاصی نیاز نیست. Beckoff یک دستگاه PC Master عرضه می‌کند که می‌تواند از کامپیوترهای مبتنی بر Windows به دستگاه‌های Slave EtherCAT دسترسی پیدا کند.

دستگاه‌های Salve EtherCAT برای دسترسی به شبکه EtherCAT باید از (EtherCAT ASICApplication) استفاده کنند. EtherCAT ASIC را Beckoff و سایر تامین کنندگان در دسترس قرار داده‌اند.

هزینه‌های پیاده‌ سازی

هزینه‌های سخت‌افزاری برای کنترلر یا دستگاه Master کم است چرا که سخت‌افزار خاصی مورد نیاز نیست و هر کامپیوتر مجهز به اترنت می‌تواند به عنوان یک دستگاه Master استفاده شود.

دستگاه‌های Slave EtherCAT به سرمایه‌گذاری نسبتا زیادی در طراحی و توسعه نیاز دارند چرا که EtherCAT ASIC یک دستگاه فوت‌پرینت بزرگ است که گرانتر از ریزپردازنده‌های استاندارد Ethernet است.

در پیاده‌سازی سیستم، EtherCAT می‌تواند بسیار مقرون به صرفه باشد. برای تشکیل شبکه نیازی به سوئیچ، روتر یا هاب اضافی نیست و می‌توان آن را در توپولوژی مناسب برای برنامه‌های کاربردی پیاده‌سازی کرد.

خلاصه

EtherCAT عملکردی بسیار بالا دارد. پیاده‌سازی آن آسان است و پروتکل لایه باز کاربردی برای اترنت دارد. قابلیت‌های همگام‌سازی و استفاده از پهنای باند کامل برای کاربردهای حرکتی که نیازمند همگام‌سازی تعداد زیادی درایو است، قضیه را بسیار جذاب می‌کند.