پروتکل اترکت

بررسی اجمالی

EtherCAT یک پروتکلِ شبکه اترنت بسیار انعطاف‌پذیر است که با سرعت زیادی در حال توسعه است. اصلی منحصر به فرد به نام (processing on the fly) مزایای بی‌نظیری را به EtherCAT می‌بخشد.

از آنجا که پیام‌های EtherCAT قبل از پردازش در هر گره منتقل می‌شوند‌، EtherCAT با سرعت و کارایی بالایی عمل می‌کند. 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. به جز موارد ذکر شده، شامل یک پروتکل ایمنی و چندین پروفایل دستگاه می‌شود. EtherCAT همچنین از داشتن گروه کاربران قوی نفع می‌برد. ترکیب این مزایا بدین معنی است که EtherCAT آماده ادامه رشد است.

تاریخچه

شبکه صنعتی
نمایی از شبکه‌بندی

لایه‌های کاربردی (Applocation Layer) اترنت که در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی و کارخانه مورد استفاده قرار می‌گیرند، معمولا لایه‌های کاربردی «کم بار» (Low Payload) و نیم دوبلکس هستند.

به عنوان مثال، یک پیام اترنت برای لایه‌ای از برنامه مانند Modbus TCP، ممکن است فقط شامل یک تک رجیستر (Register) برای یک دستگاه سرور با داده‌های کوچکی همانند کنترلر ولو شود.

در دستگاه‌های با بار کوچک مانند (کنترلر ولو)، بخش‌های عظیمی از پهنای باند از بین می‌رود چرا که نه تنها بسته‌های کوچک داده منتقل می‌شوند، بلکه این پیام‌ها تنها زمانی صادر می‌شوند که مشتری یا دستگاه Master این داده‌ها را درخواست کند.

Modbus TCP مثالی بسیار ناکارآمد است، اما مسائل مشابه پهنای باند و بار را می‌توان در لایه‌های برنامه‌ای مانند EtherNet/IP و Profinet IO یافت.

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 یا ETG شد.

Beckhoff حقوق EtherCAT را به ETG اهدا کرد. مزایای اتحاد گروه تکنولوژی EtherCat بی‌شمار است. ETG قادر بود تحقیقات و پیشبرد پروتکل EtherCAT را فراهم آورد.

ETG همچنین مشخصات و مقالاتی را منتشر کرد که به سازمان های عضو اجازه می‌داد در استفاده از EtherCAT موفقیت بیشتری کسب کنند. دفتر مرکزی ETG در نورنبرگ آلمان قرار دارد و دفاتر زیر مجموعه آن در ژاپن، چین، کره و آستین در ایالت تگزاس نیز وجود دارند.

استانداردهای بین‌المللی

ETG با کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) همکاری می‌کند و به طور خاص به عنوان رابط کارگروه ارتباطات دیجیتال عمل می‌کند. این مشارکت منجر به استانداردسازی در طول تاریخ پروتکل EtherCAT شده است.

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 هر دو، از سال 2007 EtherCAT را شامل می‌شوند. EtherCAT همچنین در استاندارد منتشر شده ISO 15745-4 نیز گنجانده شده است.

اصل اساسی

اصل اساسی EtherCAT خواندن گذرگاهی است. خواندن گذرگاهی بدین معنی است که پیام‌هایی که برای یک گره تعیین نشده‌اند و توسط آن گره استفاده نمی‌شوند.

در عوض، پیام‌ها در حین پردازش به گره بعدی، در یک رشته منتقل می‌شوند. داده‌های ورودی به یک گره با پردازش پیام خوانده می‌شوند و داده‌های خروجی در پیام به گره بعدی وارد می‌شوند. یک پیام واحد توسط EtherCAT Master با داده‌های مربوط به همه گره‌ها صادر می‌شوند.

همانطور که پیام در اطراف حلقه و به سمت Master منتقل می‌شود، هر گره ورودی‌های خود را می‌خواند و خروجی‌های خود را به پیام اضافه می‌کند.

وقتی پیام به EtherCAT Master باز می‌گردد، هر گره‌ای در شبکه داده‌های ورودی جدیدی از Master دریافت کرده و داده‌های خروجی جدیدی را به Master باز می‌گرداند.

بدون کمبود بارهای کوچک یا پیام‌های هدفمند به گره‌های خاص، یک شبکه EtherCAT می‌تواند از حداکثر پهنای باند استفاده کند. یک شبکه EtherCAT را می‌توان با راه‌آهن مقایسه کرد که در آن هر ایستگاه می‌تواند واگن‌های قطار را از بار خالی کرده و مجددا بارگیری کند.

پروتکل EtherCat
استفاده Bechoff از پروتکل اترکت

تکنولوژی خودکار

EtherCAT از لایه فیزیکی استاندارد IEEE 802.3 استفاده می‌کند. برای پیاده‌سازی شبکه EtherCAT به سخت‌افزار خاصی نیاز نیست. سوئیچ‌های خارجی در شبکه EtherCAT استفاده نمی‌شوند. در عوض، هر دستگاه EtherCAT یک سوئیچ را در خود تعبیه کرده است.

هر دستگاه دارای دو پورت RJ45 است. یک RJ45 به گره قبلی در شبکه و یکی به گره بعدی متصل است. مفهوم EtherCAT شبکه‌های خود پایان دهنده تا حدودی برای اترنت منحصر به فرد است.

هر گره‌ای که گره بعدی در رشته را تشخیص ندهد، شبکه را به طور خودکار در آن نقطه خاتمه می‌دهد. گره‌های پایانی پیام‌ها را از مسیر ارسال Master به مسیر دریافت Master کپی می‌کنند.

اگر 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.

Master می‌تواند وقفه را تشخیص داده و پیام‌ها را به هر دو زیربخش جدید به دلیل ویژگی خود پایان دهنده، ارسال کند. شبکه‌های EtherCAT را می‌توان با استفاده از چندین توپولوژی مختلف از جمله ستاره، خط یا درخت به یکدیگر متصل کرد.

نمایش داده‌ها

نحوه نمایش داده‌ها از طریق شبکه، یک ویژگی اساسی هر شبکه است. این امر یک عامل متمایز کننده است که باید اولین سوالی باشد که هرکسی به طور جدی در مورد تکنولوژی شبکه مورد تحقیق قرار می‌دهد.

لایه برنامه اترنت با پیچیده‌ترین نمایش داده‌ها، CIP است. دستگاه‌های CIP (پروتکل صنعتی مشترک) از ODVA، از نمایش داده‌های Object/Instance/Attribute استفاده می‌کنند که همانند جمع‌آوری داده‌ها در اشیا است.

مجموعه‌های متداول آن اشیا، به عنوان نمونه مشخص می‌شوند. اقلام داده، درون آن اشیا، صفات آن هستند. اشیا همچنین می‌توانند مدیریت رویدادها و ساختارهای عملیاتی را به عنوان ماشین‌های حالت پیاده‌سازی کنند.

لایه برنامه اترنت با کمترین پیچیدگی نمایش داده‌ها، Modbus TCP است. همه دستگاه‌های Modbus TCP داده‌ها را به عنوان رجیسترهای 16 بیتی یا سیم‌پیچی نمایش می‌دهند.

نسخه‌های ورودی و خروجی هر کدام وجود دارد. متاسفانه استانداردسازی یا اشتراک کمی در دستگاه‌های Modbus وجود دارد.

هر سازنده نگاشت منحصر به فرد Modbus Register خود را پدید می‌آورد. Profinet IO از نمایش داده‌های مشابه به Profibus استفاده می‌کند.

هر دستگاه مانند یک رک ورودی/خروجی به نظر می‌رسد. یک رک تعیین کننده، یک شکاف، یک کانال و یک نقطه وجود دارد. EtherCAT از نمایش داده‌های بسیار ساده مانند Modbus استفاده می‌کند.

یک فضای داده عظیم وجود دارد و هر دستگاه قسمتی از آن فضای داده را به خود اختصاص می‌دهد. همانطور که پیام‌ها از طریق شبکه منتقل می‌شوند، بخشی از فضای داده خود را نیز به داده‌های موجود در پیام اترنت نگاشت می‌کنند.

فریم EtherCAT

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

هدر همانند یک لوکوموتیو عمل می‌کند. واگن‌ها به علاوه محتوای آنها PDO Data هستند. آشپزخانه قطار، با اطلاعات حمل و نقل، شمارنده کار است.

همه این قطعات در فریم EtherCAT قرار می‌گیرند و خود فریم (EtherCAT) نیز به سادگی در یک فریم اترنت قرار می‌گیرد.

اترنت قالب انتقال است که به EtherCAT اجازه فعالیت می‌دهد. فریم EtherCAT به سادگی جایگزین فریم IP یک پیام استاندارد اترنت می‌شود. بنابراین، فریم اترنت نیازی به اصلاح ندارد و به انعطاف‌پذیری EtherCAT کمک می‌کند.

دیاگرام اترکت
قسمت‌های مختلف سیستم اترکت

هدر EtherCAT

فریم EtherCAT با یک هدر استاندارد شروع می‌شود. اولین عدد صحیح، شناسه طول 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 و به گره‌ها اطلاع می‌دهند که PDOها باید چه کار کنند.

شمارنده کار

قسمت نهایی یک فریم EtherCAT شمارنده کار است. این عدد تقریبا به همان شیوه‌ای عمل می‌کند که ترتیب بررسی فریم کار می‌کند. 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.

برخی از کامپیوترها ممکن است با افزایش تعداد چرخه‌ها و کاهش زمان چرخه‌ای که EtherCAT بهینه‌سازی کرده است، مشکل داشته باشند.

شبکه را می‌توان برای کامپیوتر پیکربندی کرد، با این حال، اجازه می‌دهد تا بیشترین سرعتی که این کامپیوترها می‌توانند تحت آن کار کنند، را فراهم آورد.

همانطور که همیشه در مورد اعداد گفته می‌شود؛ «تصاویر دروغ نمی‌گویند اما دروغگوها، تصویرسازی می‌کنند». دادن هرگونه شماره عملکرد برای یک شبکه صنعتی مشکوک است، اما عموما IO دیجیتال را می‌توان در 30 میکروثانیه، و 100 سروو را در 10 کیلوهرتز به روز کرد.

توپولوژی انعطاف‌ پذیری

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 ساده است. با این حال، EtherCAT می‌تواند بسیار فراتر از توپولوژی ستاره گسترش یابد.

EtherCAT امکان استفاده از سیستم fieldbus را با استفاده از سخت‌افزار اترنت ایجاد می‌کند. ترکیبی از خطوط Trunk و انشعابات تکی، انعطاف پذیری در برنامه‌نویسی شبکه EtherCAT را ایجاد می‌کند.

EtherCAT دارای افزونگی داخلی است که پارگی‌های احتمالی در سیمکشی را جبران می‌کند. هنگامی که خط شکسته می شود، شبکه می‌تواند وقفه‌ای 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 عمل کنند. پیکربندی شبکه EtherCAT در توپولوژی حلقه، سطح دیگری از افزونگی را به شبکه اضافه می‌کند.

ممکن است از این بحث نتیجه شود که EtherCAT به یک زیر شبکه واحد محدود است. که درست نیست. تلگرام‌های EtherCAT را می‌توان در بسته‌های UDP قابل حرکت منتقل کرد. البته مسیریابی تاخیر بیشتری نسبت به داشتن تمام Slaveهای EtherCAT در یک زیرشبکه واحد ایجاد می‌کند.

همگام‌ سازی

همانطور که از زمان انتشار استاندارد IEEE 1588 Precision Time Protocol مشخص شد، همگام‌سازی در صنعت شبکه‌های صنعتی اهمیت بسزایی یافته است. همگام‌سازی یکی دیگر از مزایای سیستم‌های EtherCAT است.EtherCAT شامل یک مکانیزم کلاک توزیع شده است که بدون داشتن سخت‌افزار اضافی با مشخصات IEEE 1588 مطابقت دارد.

این مکانیسم به دلیل زمان‌بندی هر گره در فریم EtherCAT امکان‌پذیر است. هر گره دوبار یک timestamp را به فریم EtherCAT وصل می‌کند.

با اطلاعات زمان، Master می‌تواند تاخیر را برای هر گره محاسبه کند. Master محاسبه را برای هر فریمی که ارسال می‌کند تکرار می‌کند. همانطور که شبکه کار می‌کند، حجم نمونه‌های عظیم به این معنی است که Master دارای داده‌های فوق‌العاده دقیق است. توپولوژی ذاتی حلقه یک مکانیسم فوق‌العاده کارآمد کلاک ایجاد می‌کند که با هر پیام دقت آن افزایش می‌یابد.

ویژگی‌های دیگر

شبکه بندی صنعتی
نمایی از کابل‌های رابط در اترکت

همگام‌سازی، توپولوژی انعطاف‌پذیر و سرعت مزایایی هستند که EtherCAT به دلیل اصل عملکرد منحصر به فرد خود دارد. با این حال از طریق کار ETG ،EtherCAT دارای برخی ویژگی‌های متمایز دیگر است که شایان ذکر کردن هستند.

پروفایل‌ های دستگاه

EtherCAT از پروفایل‌های دستگاه مانند Ethernet/IP و سایر پروتکل‌های CIP که از اشیا بهره می‌برند، استفاده می‌کنند. بسیاری از دستگاه‌های fieldbus مورد استفاده در شبکه‌های EtherCAT، قبلا در CAN تعریف شده‌اند.

EtherCAT از کل خانواده CANopen پشتیبانی می‌کند که IEC EtherCAT یکی دیگر از استانداردهاست که با این موضوع متناسب است.

علاوه بر CANopen ، EtherCAT از مشخصات درایو Sercos پشتیبانی می‌کند. پروفایل‌های درایو به کاربر اجازه می‌دهد بدون ساخت مجدد، شبکه EtherCAT را بر اساس نیازهای خاص خود پیکربندی کند. پروفایل‌های پایه‌ای از قبل تعریف شده‌اند.

پروتکل ایمنی

یکی دیگر از استانداردهای IEC در میان ویژگی‌های بسیاری که بخش‌هایی از EtherCAT را توصیف می کنند، IEC 61508 است. این استاندارد ایمنی عملکردی در برابر EtherCAT (FSoE) را توضیح می‌دهد. نسخه FSoE پروتکل EtherCAT الزامات یکپارچگی سطح ایمنی 3 را برآورده می‌کند. برای دستیابی به ایمنی بالاتر، FSoE اطلاعات ایمنی را به فریم استاندارد EtherCAT اضافه می‌کند.

توسعه

دستگاه‌های EtherCAT Master را می‌توان با استفاده از هر MAC استاندارد اترنت توسعه داد. سخت‌افزار خاصی نیاز نیست. Beckoff یک دستگاه PC Master عرضه می‌کند که می‌تواند از کامپیوترهای استاندارد 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 EtherCAT 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.

با حذف توپولوژی ابتدایی اترنت و همه سوئیچ‌های روترها و هاب‌ها، هزینه نصب کاهش می‌یابد. EtherCAT در طیف لایه‌های کاربردی Ethernet که عملکرد، توپولوژی و هزینه پیاده‌سازی کلی عوامل محرک آن هستند، به صورت متناسبی قرار می‌گیرد.

3 دیدگاه‌ها

  1. لطفا از عکسهای با کیفیت بهتر استفاده شود تا از سایتی که زحمت فراوان میکشید در لحظه اول برداشت پایین و سمبل کاری نشود. خسته نباشید

ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید