Nâng cao hiệu suất hệ thống tự động hóa với giao thức EtherCAT

Giao thức EtherCAT

Giao thức EtherCAT là công nghệ mạng Ethernet hiệu suất cao và tiết kiệm chi phí, cung cấp giải pháp đa năng khi EtherNet/IP và PROFINET không đủ nhanh.

Ethernet nhanh chóng mở rộng vào và trong toàn bộ môi trường kết nối mạng công nghệ thông tin (CNTT) thương mại bắt đầu từ những năm 1980 và đã trải qua những tiến bộ nhanh chóng về hiệu suất và được áp dụng kể từ đó trong lĩnh vực CNTT. Khi tốc độ và khả năng phản hồi được cải thiện đủ, và các yếu tố hình thức mạnh mẽ được phát triển để chịu được môi trường công nghệ vận hành (OT), Ethernet đã sẵn sàng cho các ứng dụng công nghiệp.

Tuy nhiên, Ethernet như một phương tiện cũng phải được áp dụng kết hợp với một hoặc nhiều giao thức truyền thông công nghiệp phù hợp với ứng dụng. Có một số tùy chọn giao thức, một số trong số đó là mục đích chung và một số khác chuyên biệt cho các ứng dụng nhất định. Lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng điều khiển chuyển động và tín hiệu đầu vào/đầu ra (I/O) tốc độ cao là Ethernet cho Công nghệ tự động hóa điều khiển (EtherCAT®).

Giao thức Ethernet phù hợp cho công việc phù hợp

Một số ước tính cho thấy đối với thị trường mạng công nghiệp, các giao thức Ethernet như một nhóm nắm giữ gần 70% thị phần và đang tăng lên, với các bus trường truyền thống chiếm khoảng 25% và đang thu hẹp, và không dây chiếm phần còn lại và đang tăng lên. Hai giao thức mục đích chung được triển khai nhiều nhất là EtherNet/IP và PROFINET, và có một số giao thức khác nắm giữ thị phần nhỏ hơn nhiều, bao gồm Modbus TCP. Nhưng vị trí thứ ba vững chắc thuộc về giao thức EtherCAT.

Giao thức EtherCAT ban đầu được Beckhoff Automation phát triển vào đầu những năm 2000, và sau đó họ đã trao quyền để giao thức có thể được chuẩn hóa theo IEC 61158. Giao thức EtherCAT hoạt động trên phương tiện Ethernet thông thường hiệu quả hơn nhiều so với các giao thức công nghiệp thông dụng khác. Một tính năng chính của EtherCAT là khả năng giao tiếp giữa các thiết bị để duy trì truyền dữ liệu rất nhanh với đồng bộ hóa chính xác và thời gian chu kỳ xác định.

Chi tiết EtherCAT

Mức hiệu suất cao này có thể đạt được vì các thiết bị chủ và phụ cụ thể được sử dụng. Một thiết bị chủ duy nhất khởi tạo một bức điện dữ liệu (có khả năng chứa nhiều datagram), sau đó được truyền tuần tự qua các thiết bị phụ (nút mạng). Điều này tránh được loại xung đột dữ liệu có thể xảy ra với các giao thức khác. Mỗi thiết bị nhanh chóng nhận và sau đó gửi bức điện đến nút tiếp theo theo chu kỳ. Dữ liệu có thể được chèn vào bức điện khi nó đi qua một nút, nhưng việc xử lý dữ liệu nhận được tại nút chỉ xảy ra “ngay lập tức” khi có thể sau khi khung được đọc, do đó không có sự chậm trễ trong việc truyền khung (Hình 1).

Hình 1: Mỗi điện tín dữ liệu EtherCAT chứa các lệnh điều khiển chuyển động và I/O từ thiết bị chính EtherCAT và thông tin phản hồi tùy chọn được chèn từ các thiết bị phụ EtherCAT.

Do đó, giao thức EtherCAT là:

Xác định: Cung cấp chu kỳ xác định ngắn dưới 100 µs, với độ trễ truyền thông tối thiểu dưới 1 µs.
Có thể mở rộng: Là một tiêu chuẩn mở hoạt động với nhiều nhãn hiệu và kiểu máy điều khiển và thiết bị, nó có thể xử lý một số lượng lớn thiết bị trên một cáp duy nhất, khiến nó trở thành kiến ​​trúc thuận tiện cho các hệ thống điều khiển chuyển động đa trục phức tạp.
Tiết kiệm chi phí: Mặc dù các thiết bị chính và phụ là phần cứng chuyên dụng, nhưng kiến ​​trúc này sử dụng phương tiện cài đặt Ethernet tiêu chuẩn và độ phức tạp cài đặt giảm của cấu trúc tuyến tính (mặc dù có thể có các cấu trúc khác), rất tiết kiệm và cung cấp chi phí phần cứng tổng thể thuận lợi so với các công nghệ cũ.

EtherCAT đang chuyển động

Nhiều ứng dụng được phục vụ tốt với các giao thức công nghiệp và kiến ​​trúc mạng đa năng, nhưng điều khiển chuyển động là một ngoại lệ đáng chú ý được hưởng lợi từ hiệu suất có thể có của giao thức EtherCAT (Hình 2).

Giao thức EtherCAT, khi được triển khai giữa bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng và một hoặc nhiều bộ điều khiển servo/bộ điều khiển phụ liên quan, giúp đơn giản hóa quá trình cài đặt và cho phép chức năng được sắp xếp đầy đủ trong PLC . Nó cũng cho phép truyền dữ liệu rộng rãi giữa bộ điều khiển và bộ điều khiển, điều này không thể thực hiện được khi sử dụng điều khiển có dây truyền thống.

Kết luận

Đối với các ứng dụng điều khiển chuyển động và I/O công nghiệp hiệu suất cao, giao thức EtherCAT cung cấp giải pháp mạnh mẽ và linh hoạt. Sự kết hợp các tính năng của nó hỗ trợ tốc độ, độ chính xác, khả năng mở rộng và hiệu quả về chi phí cần thiết để trở thành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng này.