ما هو EtherCAT: الهندسة المعمارية والعمل وتطبيقاتها

تم تطوير EtherCAT أولاً بواسطة رائد PLCs الشركة المصنعة وهي Beckhoff Automation التي تستخدم في أنظمة التحكم في الوقت الفعلي و الأتمتة الصناعية . طورت Beckhoff Automation إصدار Fieldbus الخاص بها مثل LightBus في الثمانينيات لمعالجة مشكلة النطاق الترددي للواجهات الأخرى. أدى العمل الإضافي على هذا البروتوكول أخيرًا إلى اختراع EtherCAT. أطلق Beckhoff بروتوكول EtherCAT في عام 2003 في جميع أنحاء العالم. بعد ذلك ، ساهموا في حقوق مجموعة EtherCAT Technology Group (ETG) في عام 2004. لدى ETG مطور نشط للغاية بالإضافة إلى مجموعة مستخدمين. تتناول هذه المقالة نظرة عامة على أساسيات Ethercat - العمل مع التطبيقات.

ما هي اثيركات؟

EtherCAT أو Ethernet Control Automation Technology هو نظام شبكة صناعي يعتمد على نظام Ethernet المستخدم لتحقيق اتصالات سريعة للغاية وأكثر كفاءة. لذلك ، فإن EtherCAT عبارة عن شبكة سريعة جدًا تستخدم لمعالجة البيانات باستخدام أجهزة وبرامج مخصصة. تستخدم هذه الشبكة تكوينًا مزدوجًا كاملًا للسيد والعبد مع أي طوبولوجيا الشبكة .

الوقت المستغرق لمعالجة 1000 نقطة إدخال / إخراج هو 30 ثانية ويتواصل مع 100 محور مؤازر في غضون 100 دولار أمريكي. ستحصل محاور المؤازرة على قيم محددة للتحكم في البيانات والإبلاغ عن الحالة الفعلية. تتم مزامنة هذه المحاور من خلال طريقة الساعة الموزعة وهي إصدار بسيط من IEEE 1588 وتقليل الارتعاش إلى أقل من 1 لنا. يوفر EtherCAT إخراجًا سريعًا لأنه تتم معالجة الرسائل داخل الأجهزة قبل نقلها إلى التابع التالي.

هندسة EtherCAT

يتم عرض بنية شبكة EtherCAT أدناه والتي تستخدم مبدأ السيد / العبد للتحكم في الوصول إلى الوسيط. في هذه البنية ، يكون نظام EtherCAT الرئيسي هو نظام التحكم الذي يستخدم منفذ Ethernet نموذجي بالإضافة إلى معلومات تهيئة الشبكة المخزنة داخل ملف ENI (معلومات شبكة EtherCAT).

يتم إنشاء ملف معلومات شبكة EtherCAT بناءً على ملفات ESI (EtherCAT SlaveInformation) التي يقدمها التجار لكل جهاز. هنا ، تنقل العقدة الرئيسية الإطارات إلى العقد التابعة والتي يمكنها إدراج البيانات وإزالتها من هذه الإطارات. الأجهزة التابعة هي عُقد مثل محركات أقراص EPOS3 التي تحتوي على منافذ Ethernet للتواصل من خلال وحدة EtherCAT الرئيسية. هنا ، EtherCAT master هو جهاز كمبيوتر يستخدم للحفاظ على اتصال البيانات بين السيد وكذلك العبيد المختلفين.

كيف تعمل EtherCAT؟

يتم استخدام EtherCAT للتغلب على الأخطاء النموذجية لشبكة Ethernet الصناعية من خلال وضع التشغيل عالي الأداء ، حيث عادةً ما يكون إطار واحد كافيًا لنقل واستقبال بيانات التحكم من وإلى جميع العقد. تم بناء بروتوكول EtherCAT على الطبقة المادية لشبكة Ethernet ، ومع ذلك ، فإن EtherCAT يستخدم أسلوب المعالجة أثناء التنقل لنقل وتوجيه الرسائل والذي يُسمى أيضًا الاتصال أثناء التنقل بدلاً من استخدام TCP / IP.

تكوينات EtherCAT الرئيسي والتابعة موضحة أدناه. في هذا التكوين ، يرسل سيد Ethercat حزمة بيانات (برقية) عبر كل عبد والذي يسمى أيضًا عقدة.
ميزة EtherCAT الرئيسية هي أن العبيد ضمن التكوين أعلاه يمكنهم قراءة البيانات ذات الصلة المطلوبة من البرقية وإضافة المعلومات إلى البرقية قبل أن ينتقل إلى العقدة الثانية أو العبد. لذلك ، تتحرك البرقية عبر جميع العبيد المتصلين وبعد ذلك تعود إلى السيد.

يرسل بروتوكول EtherCAT برقية من الجهاز الرئيسي إلى جميع العبيد المتصلين داخل الشبكة. يمكن لكل عبد داخل الشبكة ببساطة قراءة البيانات التي تنطبق على هذا العبد ويمكنه إضافة بيانات إلى البرقية قبل أن ينتقل إلى العقدة الثانية.

يتم تمكين قراءة البيانات وكتابتها ببساطة من خلال ASIC خاص على كل عبد من EtherCAT. في هذا النهج ، سيقدم كل تابع حدًا أدنى من التأخير في الإجراء ولا تكون التصادمات ممكنة.

يوفر بروتوكول EtherCAT اتصالاً فوريًا وحتميًا يتوافق مع التحكم في الحركة المتزامن ومتعدد المحاور دون الحاجة إلى أجهزة إضافية لتحقيق التزامن بين عدة محاور.

التسامح مع الخطأ

في التكوين الرئيسي والتابع لـ EtherCAT ، إذا لم يكن ناتج العقدة الأخيرة متحالفًا مع الرئيسي ، فسيتم إرجاع البيانات تلقائيًا في اتجاه آخر من خلال بروتوكول EtherCAT. لذلك ، يتم الحفاظ على الطابع الزمني.

كل عقدة في التكوين أعلاه الطوابع الزمنية للبيانات بمجرد الحصول عليها ، وبعد ذلك ، تقوم مرة أخرى بالختم بمجرد نقلها إلى العقدة الثانية. وبالتالي ، كلما استعاد المعلم البيانات من العقد المختلفة ، فإنه يحدد وقت استجابة كل عقدة بسهولة. يحصل نقل البيانات من الجهاز الرئيسي على طابع زمني I / O من كل عقدة لجعل EtherCAT أكثر حتمية ودقة.

يعني التسامح مع الخطأ ، أن شبكات EtherCAT لا يجب أن تكون متصلة بشبكة حلقية كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه ، ولكن يمكن توصيلها بطرق مختلفة ، مثل طوبولوجيا الشجرة ، وطوبولوجيا الخط ، وطوبولوجيا الحلقة ، وطوبولوجيا النجوم وأيضًا مع مجموعات.

بالطبع ، بين العبيد والسيد ، يجب أن يكون هناك ممر اتصال. بمجرد فصلهم ، لا يمكنهم العمل ، على الرغم من أن هيكل الشبكة مرن للغاية ويتحمل الأخطاء إلى مستوى ممتاز.

في أنظمة EtherCAT ، لا تكون المفاتيح ضرورية مثل ما وجدناه في Ethernet. يمكن تحقيق أطوال الكابلات بين العقد حتى 100 متر. تعمل الإشارات التفاضلية ذات الجهد المنخفض على الكابلات النحاسية المزدوجة الملتوية بأقصى سرعات مع استهلاك أقل للطاقة. لذلك ، من الممكن أيضًا استخدام كابلات الألياف الضوئية (FOCs) لتعزيز السرعة وتضمين العزل الجلفاني بين الأجهزة.

يستخدم EtherCAT كبل Ethernet يمكن أن يصل نطاقه إلى 100 متر بين عقدتين. بالإضافة إلى ذلك ، يتيح البروتوكول نقل البيانات والطاقة من خلال كابل واحد. يستخدم هذا النوع من الاتصال لتوصيل أجهزة مختلفة مثل أجهزة الاستشعار بخط واحد. إذا كانت مسافة العقدة أعلى من 100 متر ، فسيتم استخدام كابل الألياف البصرية مثل 100BASE-FX. بالنسبة إلى EtherCAT ، يتوفر أيضًا نطاق أسلاك Ethernet الكامل.

إطار EtherCAT

يستخدم بروتوكول EtherCAT إطار Ethernet نموذجيًا يشتمل على مخطط بيانات واحد أو أعلى على الأقل. في هذا الإطار ، سيحدد رأس مخطط البيانات نوع الإدخال الذي يرغب الجهاز الرئيسي في تنفيذه:

• القراءة والكتابة والقراءة والكتابة.
• حق الدخول إلى جهاز تابع معين من خلال العنونة المباشرة أو حق الدخول إلى أجهزة الرقيق المختلفة من خلال العنونة المنطقية.

يتم استخدام العنونة المنطقية لعملية تبادل البيانات الدورية حيث يعالج كل مخطط بيانات جزءًا دقيقًا من صورة العملية داخل مقطع بروتوكول EtherCAT.

يتم تخصيص كل جهاز تابع بعناوين فردية أو أكثر في مساحة العنوان العالمية هذه عبر الشبكة المنشأة. يمكن اعتبار مخطط بيانات واحد إذا تم تخصيص عدة أجهزة تابعة لعناوين داخل منطقة مماثلة.

في EtherCAT ، تتضمن مخططات البيانات المعلومات المتعلقة بالوصول إلى البيانات ، وبالتالي يتخذ الجهاز الرئيسي قرارًا بشأن وقت الوصول إلى البيانات.

بروتوكول السلامة

في الوقت الحاضر ، تعد السلامة إحدى السمات الرئيسية حتى في مجال الأتمتة لنقل البيانات وكذلك الاتصال. لذلك ، تستخدم EtherCAT بروتوكول Safety لأغراض الأمان من خلال السماح لنظام اتصال فقط لكل من السلامة والتحكم في البيانات. تعمل ميزة الأمان هذه أيضًا على تعديل البيانات بمرونة وتوسيع بنية نظام الأمان ، وما إلى ذلك.

تقنية الأمان لبروتوكول EtherCAT حاصلة على شهادة TÜV وتم تطويرها بناءً على IEC 61508 وهي مطابقة لـ IEC 61784-3. هذا البروتوكول قابل للتطبيق في تطبيقات السلامة من خلال مستوى سلامة سلامة يساوي SIL 3.

إيثرنت مقابل إيثرنت

تمت مناقشة الاختلافات بين EtherCAT و Ethernet أدناه.

Ethercat مقابل Profinet

تمت مناقشة الاختلافات بين EtherCAT و Profinet أدناه.

اثيركات مقابل يمكن فتح

تمت مناقشة الاختلافات بين EtherCAT و CANopen أدناه.

اثيركات مقابل مودبوس

الاختلافات بين EtherCAT و مودبوس تمت مناقشتها أدناه.

المميزات والعيوب

تشمل مزايا بروتوكول Ethercat ما يلي.

• EtherCAT هو ناقل مجال متميز يستخدم في تطبيقات التحكم في الحركة.
• تم التحقق من أنها تعمل على تحسين أداء الماكينة من خلال الهيكل المرن والأداء المحدد ومجموعة الميزات المختلفة.
• إنه يدعم ببساطة عائلة CANopen بأكملها وملف تعريف محرك الأقراص لـ Sercos. لذلك يساعد هذا المستخدمين على ترتيب شبكات EtherCAT بسهولة للتطبيق الدقيق عن طريق تغيير ملفات التعريف الأساسية المحددة مسبقًا.
• التكرار ممكن أيضًا باستخدام طوبولوجيا الحلقة. تستخدم EtherCAT أيضًا النجم والشجرة والخط و طوبولوجيا الحافلات .
• يوفر هذا البروتوكول سرعة عالية وحركة بيانات أقل وتكلفة أقل للأجهزة والمزيد من الدقة وآلية مزامنة الساعة مقارنةً بشبكة إيثرنت.
• يمكن أيضًا إدارة سرعة الشبكة هذه لأن أجهزة الكمبيوتر قد تواجه مشكلة في التعامل مع كمية أفضل من الدورات ، وبالتالي يمكن تحقيق التحسين داخل EtherCAT.
• وهو يدعم جميع الهياكل تقريبًا بحيث يمكن استخدامه في مجموعة واسعة من التطبيقات باستخدام المحول النموذجي القائم على طبولوجيا نجمة Ethernet.
• بروتوكولات إيثرنت آمنة للغاية ، استخدم عناصر رئيسية مبسطة ، ومساحة البيانات أكبر ، والمعالجة سريعة.

تشمل عيوب بروتوكول Ethercat ما يلي.

• العيب الرئيسي في EtherCAT هو أن الأجهزة التابعة تتطلب إدخال جهاز ASIC محدد لتنفيذ EtherCAT. نموذج البيانات الخاص بها مختلف تمامًا وأيضًا يصعب فهمه.

التطبيقات

ال تطبيقات EtherCAT تشمل ما يلي.

• يمكن تطبيق EtherCAT في مجالات مختلفة نظرًا للعديد من الميزات مثل الأداء الممتاز والبساطة والمتانة والقدرة على تحمل التكاليف والأمان المتكامل والطوبولوجيا المرنة. يتم استخدامه في مجالات مختلفة مثل أدوات الآلات ، والروبوتات ، والمطابع ، والمطابع ، ومحطات الطاقة ، والمحطات الفرعية ، ومقاعد الاختبار ، وآلات اللحام ، والآلات الزراعية ، والرافعات والمصاعد ، وتوربينات الرياح ، وآلات الطحن ، وآلات الانتقاء والمكان ، وآلات التعبئة والتغليف ، والقياس أنظمة ، أعمال الحديد والصلب ، آلات الورق ولب الورق ، أنظمة التحكم في المرحلة ، أنظمة التحكم في الأنفاق ، إلخ.
• إنها قابلة للتطبيق في قياس المعدات والأجهزة الطبية والتحكم في الماكينة والآلات المتنقلة والعديد من الأنظمة والسيارات المدمجة.
• إنه يتمتع بأداء عالٍ للغاية ، وهو سهل التثبيت ، وفتح البروتوكول المستند إلى طبقة التطبيق المستخدم في تطبيقات Ethernet
• هذا نظام اتصال مفتوح في الوقت الفعلي ، لذلك يستخدم على نطاق واسع في تصنيع الأتمتة.

وهكذا ، هذا هو لمحة عامة عن Ethercat - العمل مع التطبيقات. يجعل EtherCAT الأنظمة والآلات أبسط وأسرع وأكثر فعالية من حيث التكلفة. إنه معيار IEC دولي لا يرمز فقط إلى الاستقرار ، ولكن أيضًا للانفتاح: حتى الآن ، لم يتم تغيير مواصفات EtherCAT مطلقًا ، ولكن تم تمديدها بشكل متوافق فقط. يعتبر EtherCAT بمثابة 'Ethernet Fieldbus' لأنه يدمج مزايا Ethernet مع بساطة أنظمة Fieldbus القياسية ويتجنب تعقيد تقنيات تكنولوجيا المعلومات. إليك سؤال لك ، ما هو الإيثرنت؟