EtherCAT

EtherCAT (Ethernet para tecnología de automatización de control) es un sistema de bus de campo basado en Ethernet desarrollado por Beckhoff Automation. El protocolo está estandarizado en IEC 61158 y es adecuado para requisitos de computación en tiempo real tanto estrictos como flexibles en la tecnología de automatización.

El objetivo durante el desarrollo de EtherCAT era aplicar Ethernet a aplicaciones de automatización que requieren tiempos de actualización de datos cortos (también llamados tiempos de ciclo; ≤ 100 μs) con baja fluctuación de comunicación (para fines de sincronización precisa; ≤ 1 μs) y costos de hardware reducidos. Los campos de aplicación típicos para EtherCAT son los controles de máquinas (por ejemplo, herramientas de semiconductores, conformado de metales, empaquetado, moldeo por inyección, sistemas de ensamblaje, máquinas de impresión, robótica).

Las tecnologías alternativas para la interconexión en red en el entorno industrial son EtherNet/IP, Profinet y Profibus.

Con EtherCAT, el paquete o trama Ethernet estándar (según IEEE 802.3) ya no se recibe, se interpreta y se copia como datos de proceso en cada nodo. Los dispositivos esclavos EtherCAT leen los datos que se les envían mientras el telegrama pasa por el dispositivo, procesando los datos "sobre la marcha". En otras palabras, los datos y mensajes en tiempo real tienen prioridad sobre los datos más generales, menos sensibles al tiempo o de carga pesada.

De manera similar, los datos de entrada se introducen mientras el telegrama pasa por el mismo. Una trama no se recibe completamente antes de ser procesada, sino que el procesamiento comienza lo antes posible. El envío también se realiza con un retraso mínimo de pequeños tiempos de bit. Normalmente, se puede acceder a toda la red con una sola trama.

Modelo de referencia ISO/OSI

El protocolo EtherCAT está optimizado para datos de proceso y se transporta directamente dentro de la trama Ethernet IEEE 802.3 estándar utilizando Ethertype 0x88a4. Puede constar de varios subtelegramas, cada uno de los cuales sirve a un área de memoria particular de las imágenes de proceso lógicas que pueden tener un tamaño de hasta 4 gigabytes. La secuencia de datos es independiente del orden físico de los nodos en la red; el direccionamiento puede realizarse en cualquier orden. Es posible la difusión, la multidifusión y la comunicación entre esclavos, pero debe ser iniciada por el dispositivo maestro. Si se requiere enrutamiento IP, el protocolo EtherCAT se puede insertar en datagramas UDP/IP. Esto también permite que cualquier control con pila de protocolos Ethernet direccione sistemas EtherCAT.

Se pueden lograr tiempos de ciclo cortos ya que los microprocesadores anfitriones en los dispositivos esclavos no participan en el procesamiento de los paquetes Ethernet para transferir las imágenes de proceso. Toda la comunicación de datos de proceso se maneja en el hardware del controlador esclavo. Combinado con el principio funcional, esto hace de EtherCAT un sistema de E/S distribuidas de alto rendimiento: el intercambio de datos de proceso con 1000 E/S digitales distribuidas toma alrededor de 30 μs, lo que es típico para una transferencia de 125 bytes a través de Ethernet de 100 Mbit/s. Los datos para y desde 100 servoejes se pueden actualizar con hasta 10 kHz. Las velocidades de actualización de red típicas son de 1 a 30 kHz, pero EtherCAT también se puede utilizar con tiempos de ciclo más lentos, si la carga de DMA es demasiado alta.

Se maximiza la utilización del ancho de banda, ya que cada nodo y cada dato no requieren una trama independiente. Por lo tanto, se pueden lograr tiempos de ciclo extremadamente cortos de ≤ 100 μs. Al utilizar las características full-duplex de 100BASE-TX, se pueden lograr velocidades de datos efectivas de más de 100 Mbit/s (> 90% de la velocidad de datos del usuario de 2x100 Mbit/s).

El principio de la tecnología EtherCAT es escalable y no está limitado a 100 Mbit/s. EtherCAT G y 10G son nuevas extensiones del estándar EtherCAT que utilizan 1 Gbps y 10 Gbps respectivamente para un ancho de banda significativamente mayor que satisface las necesidades de IIoT e Industria 4.0

Mediante el uso de capas físicas Ethernet full-duplex, los controladores esclavos EtherCAT cierran automáticamente un puerto abierto y devuelven la trama Ethernet si no se detecta ningún dispositivo de bajada. Los dispositivos esclavos pueden tener uno, dos o más puertos. Gracias a estas características, EtherCAT permite una multitud de topologías de red, incluidas las de línea, árbol, anillo, estrella o cualquier combinación de ellas. El protocolo también permite una multitud de funciones de comunicación, como redundancia de cable, Hot Connect de segmentos, cambio de dispositivos durante el funcionamiento o incluso redundancia maestra con Hot Standby.

La combinación de las variantes topológicas y las diferentes arquitecturas de red, por ejemplo, sistemas de control subordinados o vecinos con sincronización constante, permite numerosas posibilidades. No se requieren conmutadores adicionales. La física de Ethernet permite una longitud de cable de hasta 100 m (300 ft) entre dos nodos, por lo que el bus eléctrico (LVDS) solo está destinado a usarse como capa física para dispositivos modulares. Para cada ruta de cable, la variante de señal se puede elegir individualmente. Para distancias mayores o para el aislamiento galvánico completo entre dos esclavos, se utilizan cables de fibra óptica. Con fibra monomodo, se pueden salvar distancias de hasta 20 km entre dos nodos. Dado que se pueden conectar un total de 65.535 nodos por segmento de red, la extensión de la red es casi ilimitada.

Para la sincronización se aplica un mecanismo de reloj distribuido, que produce una fluctuación muy baja, significativamente inferior a 1 μs, incluso si el ciclo de comunicación fluctúa, lo que es equivalente al estándar IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP). Por lo tanto, EtherCAT no requiere hardware especial en el dispositivo maestro y se puede implementar en software en cualquier MAC Ethernet estándar, incluso sin un coprocesador de comunicación dedicado.

El proceso típico de establecer un reloj distribuido lo inicia el maestro enviando un mensaje de difusión a todos los esclavos a una dirección determinada. Al recibir este mensaje, todos los esclavos bloquearán el valor de su reloj interno dos veces, una cuando se recibe el mensaje y otra cuando regresa (recuerde que EtherCAT tiene una topología de anillo). El maestro puede entonces leer todos los valores bloqueados y calcular el retraso para cada esclavo. Este proceso se puede repetir tantas veces como sea necesario para reducir la inestabilidad y promediar los valores. Los retrasos totales se calculan para cada esclavo dependiendo de su posición en el anillo de esclavos y se cargarán en un registro de desplazamiento. Finalmente, el maestro emite un mensaje de difusión de lectura y escritura en el reloj del sistema, que convertirá al primer esclavo en el reloj de referencia y obligará a todos los demás esclavos a configurar su reloj interno de manera apropiada con el desplazamiento ahora conocido.

Para mantener los relojes sincronizados después de la inicialización, el maestro o el esclavo deben volver a enviar la transmisión regularmente para contrarrestar los efectos de la diferencia de velocidad entre los relojes internos de cada esclavo. Cada esclavo debe ajustar la velocidad de su reloj interno o implementar un mecanismo de corrección interno cada vez que tenga que ajustarlo.

El reloj del sistema se especifica como un contador de 64 bits con una unidad base de 1 ns que comienza el 1 de enero de 2000 a las 0:00.

La detección rápida y precisa de perturbaciones es una de las muchas funciones de diagnóstico de EtherCAT.

Los errores de bits durante la transmisión se detectan de forma fiable mediante el análisis de la suma de comprobación CRC: el polinomio CRC de 32 bits tiene una distancia de Hamming mínima de 4. Además del protocolo de detección y localización de errores, la física de transmisión y la topología del sistema EtherCAT permiten un control de calidad individual de cada ruta de transmisión. El análisis automático de los contadores de errores correspondientes permite la localización exacta de los segmentos críticos de la red.

Más información en el capítulo titulado "Monitoreo".

Los perfiles de dispositivos describen los parámetros de aplicación y el comportamiento funcional de los dispositivos, incluidas las máquinas de estado específicas de cada dispositivo. Se proporcionan las siguientes interfaces de software para los perfiles de dispositivos existentes. De este modo, la migración a EtherCAT mediante la adaptación del firmware y el hardware se simplifica considerablemente.

Los dispositivos CANopen y los perfiles de aplicación están disponibles para una amplia selección de categorías de dispositivos y aplicaciones: módulos de E/S, variadores (p. ej., perfil de variador CiA 402 estandarizado como IEC 61800-7-201/301), codificadores (CiA 406), válvulas proporcionales, controladores hidráulicos (CiA 408) o perfiles de aplicación. En este caso, EtherCAT reemplaza a CAN.

La interfaz SERCOS es una interfaz de comunicación en tiempo real, ideal para aplicaciones de control de movimiento. El perfil SERCOS para servoaccionamientos y tecnología de comunicación está estandarizado en IEC 61800-7. Esta norma también contiene la asignación del perfil de servoaccionamiento SERCOS a EtherCAT (IEC 61800-7-304).

Cualquier dispositivo Ethernet puede conectarse dentro del segmento EtherCAT a través de puertos de conmutación. Las tramas Ethernet se tunelizan a través del protocolo EtherCAT, como es habitual en los protocolos de Internet (p. ej., TCP/IP, VPN, PPPoE (DSL), etc.). La red EtherCAT es totalmente transparente para los dispositivos Ethernet y las funciones en tiempo real de EtherCAT no se ven alteradas.

Paralelamente al desarrollo de EtherCAT, se ha desarrollado un protocolo de seguridad independiente del bus de campo. Para EtherCAT, está disponible como "Safety over EtherCAT" (FSoE = Fail Safe over EtherCAT). Con FSoE, se puede lograr la seguridad funcional con EtherCAT. El protocolo, así como la implementación, están certificados por TÜV y cumplen los requisitos del nivel de integridad de seguridad 3 según IEC 61508. Desde 2010, Safety over EtherCAT está estandarizado internacionalmente según IEC 61784-3-12. EtherCAT ofrece un sistema de comunicación de un solo canal para transferir información segura y no segura. El medio de transporte se considera un canal negro y, por lo tanto, no se incluye en las consideraciones de seguridad.

Este protocolo simple es similar a TFTP (Protocolo trivial de transferencia de archivos); permite el acceso a archivos en un dispositivo y una carga uniforme de firmware a dispositivos a través de una red EtherCAT. El protocolo se ha especificado deliberadamente de manera sencilla, de modo que pueda ser compatible con programas de carga de arranque. No se requiere una pila TCP/IP.

Dado que EtherCAT utiliza tramas Ethernet estándar según IEEE 802.3, se puede utilizar cualquier herramienta Ethernet estándar para supervisar la comunicación EtherCAT. Además, existe un software de análisis gratuito para Wireshark (anteriormente Ethereal, una herramienta de supervisión de código abierto) y el monitor de red de Microsoft, con el que se puede preparar y visualizar cómodamente el tráfico de datos EtherCAT registrado.

Mediante el uso de pasarelas, las redes existentes, como CANopen, DeviceNet o Profibus, se pueden integrar sin problemas en el entorno EtherCAT. Además, las pasarelas proporcionan una ruta de migración sin interrupciones desde un bus de campo tradicional a EtherCAT, lo que reduce aún más los costos de inversión.

Gracias al rendimiento de EtherCAT, la comunicación con los maestros de bus de campo externos es tan rápida como con las tarjetas tradicionales conectadas a través de PCI u otros buses troncales. Dado que las interfaces de bus de campo descentralizadas dan lugar a extensiones más cortas, pueden funcionar con velocidades de transmisión incluso más altas de las que habrían sido posibles con la arquitectura tradicional.

EtherCAT Technology Group (ETG) alienta y espera que las empresas que desarrollan productos EtherCAT se unan a ETG, de modo que puedan obtener un EtherCAT Vendor-ID, tener acceso a la documentación completa, al foro de desarrolladores y al código de la pila esclava, que Beckhoff proporciona de forma gratuita a los miembros de ETG.

Los maestros se pueden implementar como una solución de software en cualquier MAC Ethernet. Diferentes fabricantes proporcionan código para diferentes sistemas operativos, incluidos varios proyectos de código abierto. Debido a la asignación reubicada en el hardware esclavo, se reducen las demandas de rendimiento de la CPU del maestro. El maestro ya contiene los datos como una imagen de proceso fácilmente ordenada.

Para que funcione una red, el maestro EtherCAT necesita la estructura de datos de proceso cíclico, así como los comandos de arranque para cada dispositivo esclavo. Estos comandos se pueden exportar a un archivo de información de red EtherCAT (ENI) con la ayuda de una herramienta de configuración EtherCAT, que utiliza los archivos de información de esclavo EtherCAT (ESI) de los dispositivos conectados.

A diferencia del funcionamiento de Ethernet estándar, los esclavos procesan las tramas EtherCAT sobre la marcha. Para ello, es necesario utilizar controladores de esclavos EtherCAT (ESC) integrados en el hardware. Los ESC también están disponibles como ASIC o basados en FPGA. Desde principios de 2012, también están disponibles microprocesadores estándar con interfaces de esclavos EtherCAT.

Para dispositivos sencillos no se necesita ningún microcontrolador adicional. Sin embargo, en dispositivos más complejos, el rendimiento de la comunicación de EtherCAT es casi independiente del rendimiento del controlador utilizado. Por lo tanto, los requisitos del microcontrolador están determinados por la aplicación local, por ejemplo, el control de la unidad.

Existe una variedad de placas de desarrollo, tanto de los proveedores de controladores esclavos EtherCAT como de otros proveedores. También existen proyectos de código abierto para placas de desarrollo de dispositivos esclavos EtherCAT, como SOES y ArduCAT.

Para el control y la regulación de procesos físicos se requiere una alta integridad de los datos, seguridad de los mismos y sincronicidad. EtherCAT ha sido diseñado especialmente para este tipo de aplicaciones y satisface todas las demandas de controles rápidos.

Los sistemas de medición modernos se caracterizan por su multicanalidad, sincronicidad y precisión. Gracias a las características avanzadas del protocolo EtherCAT, se garantiza un eficiente flujo de datos sincrónico. Las características de red basadas en Ethernet permiten una red de medición con módulos de medición distribuidos.

El EtherCAT Technology Group (ETG) se creó en 2003 y es la organización de usuarios de Ethernet industrial con más miembros en el mundo en la actualidad. Una amplia gama de proveedores de controles industriales, fabricantes de equipos originales, fabricantes de máquinas y organizaciones tecnológicas de todo el mundo constituyen la lista de miembros del ETG. El ETG ofrece a sus miembros soporte y capacitación en la implementación, organiza pruebas de interoperabilidad (a menudo llamadas "Plug Fests") y promueve el desarrollo y la distribución de la tecnología, con el apoyo de sus miembros y los equipos que trabajan en oficinas en Alemania, China, Japón, Corea y América del Norte. Los usuarios finales del ETG abarcan numerosas industrias, y los fabricantes de máquinas y los proveedores de tecnología de control potente unen fuerzas para respaldar y promover la tecnología EtherCAT. La variedad de industrias garantiza una preparación óptima de EtherCAT para la más amplia gama de aplicaciones. Los socios del sistema brindan comentarios calificados para la integración simple de módulos de hardware y software en todas las clases de equipos requeridos. La herramienta de prueba de conformidad EtherCAT (CTT), desarrollada con la ayuda de empresas miembro de ETG, garantiza la interoperabilidad y la conformidad del protocolo de los dispositivos EtherCAT.

El EtherCAT Technology Group (ETG) es un socio oficial de enlace de los grupos de trabajo de la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) para la comunicación digital. La especificación EtherCAT se publicó como IEC/PAS 62407 en 2005, pero se eliminó a finales de 2007, ya que EtherCAT se había integrado en las normas internacionales de bus de campo IEC 61158 e IEC 61784-2, así como en la norma de perfiles de accionamiento IEC 61800-7. Estas normas IEC se aprobaron por unanimidad en septiembre y octubre de 2007 y se publicaron como IS (Normas internacionales) más tarde ese mismo año. En IEC 61800-7, EtherCAT es una tecnología de comunicación estandarizada para los perfiles de accionamiento SERCOS y CANopen (también conocido como CiA 402). EtherCAT también forma parte de la ISO 15745-4, la norma para la descripción de dispositivos XML. Además, SEMI ha añadido EtherCAT a su cartera de normas (E54.20) y ha aprobado la tecnología para su uso en equipos de fabricación de semiconductores y pantallas planas. En abril de 2010, se aceptó la Edición 2 de IEC 61784-3, que contiene el Protocolo de seguridad sobre EtherCAT. En septiembre de 2008, se presentó el Perfil de instalación de EtherCAT a IEC 61784-5.

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• EtherCAT Technology Group
• Open EtherCAT Sociedad, fuente abierta Master and Slave EtherCAT pilas para el mercado incrustado
• Open Source EtherCAT Master for Linux/Real Time Kernel
• Esclava EtherCAT de prototipado rápido con ArduCAT (una junta compatible con Arduino)
• Ethercat para comunicación motora multi BLDC