Che cos’è EtherCAT?
EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) è un bus di campo basato su hardware Ethernet introdotto da Beckhoff Automation nel 2003, questo protocollo è stato pubblicato nello standard IEC61158.
EtherCAT è nato dall’esigenza di avere un protocollo standard di comunicazione industriale ad elevate prestazioni, deterministico e real-time basato su rete Ethernet.
Perché utilizzare EtherCAT? Quali sono i vantaggi di EtherCAT?
I vantaggi di utilizzare il protocollo EtherCAT sono molteplici:
- Elevate Prestazioni
- Bus deterministico (real-time)
- Sincronizzazione precisa e garantita
- Jitter contenuto per un'accurata sincronizzazione (<1us)
- Topologia flessibile
- Semplice
- Robusto
- Tecnologia aperta
- Ampiamente collaudato e diffuso
- Protocollo standard
- Economico (bassi costi dell’hardware)
- Cablaggio standard Ethernet (semplice e poco costoso)
- Semplicità d’uso
- Economico
- Adottato dai maggiori costruttori di dispositivi master/slave
EtherCAT utilizza frame e layer fisico dello standard Ethernet IEEE 802.3 e ad oggi è considerata la soluzione Ethernet industriale più veloce.
Rispetto ai classici bus di campo, EtherCAT risulta facilmente configurabile, gli indirizzi dei nodi possono essere configurati in modo automatico e non è richiesta nessuna taratura di rete. Inoltre la diagnostica integrata permette di individuare gli errori in modo chiaro e semplice. Non è richiesta inoltre una complessa gestione di indirizzi MAC o IP.
Una rete EtherCAT può supportare fino a 65536 dispositivi senza particolari limitazioni relativamente alla topologia: albero, stella, linea, cascata o qualsiasi loro combinazione. In fase di cablaggio la combinazione di linee con diramazioni o segmenti in cascata è particolarmente vantaggiosa. Le porte necessarie per ottenere le diramazioni sono integrate direttamente nei dispositivi e pertanto non sono necessari Switch addizionali.
Cavi Ethernet industriali economici (standard 100BASE-TX) possono essere utilizzati per la connessione tra i nodi con una distanza fino a 100m. Per distanze maggiori di 100m è suggerito utilizzo di fibre ottiche (100BASE-FX).
I dispositivi Slave EtherCAT integrano la funzionalità ‘Hot Connect’: quando un nodo adiacente viene disconnesso, la sua porta di comunicazione automaticamente viene chiusa per consentire al resto delle rete di continuare a funzionare senza interruzioni.
Una delle principali caratteristiche dell’EtherCAT è la funzionalità di ‘Clock Distribuito’ (DC mode) che garantisce una sincronizzazione precisa, utile in particolare per azioni simultanee con esatta sincronizzazione degli eventi. Esempio tipico: più azionamenti che devono muovere i rispettivi motori in modalità coordinata, con alta precisione di inseguimento rispetto a traiettorie real-time generate da un dispositivo master. Possibili imprecisioni e jitter elevati potrebbero anche influenzare la risposta in termini di prestazione del motore stesso. La gestione a Clock distribuiti sincronizzati, a differenza di una gestione completamente sincrona, è finalizzata ad ottenere una elevata tolleranza sul jitter di comunicazione, con scambio dati deterministico. La calibrazione dei clock distribuiti è molto precisa perché avviene a livello completamente hardware. Il riferimento temporale del primo slave DC è distribuito ciclicamente a tutti gli altri dispositivi della rete. In questo modo i clock dei dispositivi slave sono sincronizzati precisamente con il clock di riferimento ottenendo un jitter di sincronizzazione inferiore a 1us.
Dal momento che la comunicazione si avvale di una struttura logica ad anello, ogni nodo della rete può misurare la differenza tra il passaggio di arrivo e quello di ritorno di un frame in riferimento al clock principale e determinare il ritardo di propagazione di ogni singolo slave in modo semplice e accurato. I clock distribuiti sono, quindi, corretti e compensati per avere un preciso tempo di base delle rete.
Come funziona EtherCAT?
Il funzionamento si basa su un ‘Pass-through telegram’ inviato dal Master che attraversa e raggiunge tutti i nodi slave inseriti nella rete. Il telegramma viene letto e/o scritto ‘on the fly’ (al volo) durante il passaggio da ogni dispositivo slave EtherCAT. Ogni slave legge dal telegramma i propri dati di uscita e scrive quelli prodotti. Il ritardo del frame è pari solo al tempo di attraversamento fisico del singolo slave (< 60ns).
Ogni slave EtherCAT riceve quindi il pacchetto Ethernet inviato dal master e lo ritrasmette automaticamente al dispositivo successivo. L’ultimo dispositivo nella rete rispedisce le informazioni modificate al master.
La percentuale di utilizzo dei telegrammi è molto alta e, grazie alla comunicazione full-duplex, il flusso dati può essere superiore a 100MHz.
Il master utilizza un Media Access Controller (MAC) standard, senza necessità di un processore dedicato alla comunicazione mentre i dispositivi slave integrano un EtherCAT slave Controller (ESC) in grado di processare i framse ‘on-the-fly’ in modo indipendente dall’implementazione dei dispositivi slave.
Il protocollo
Il protocollo EtherCAT utilizza frame Ethernet standard, identificati da un EtherType 0x88A4.
| Ethernet header | ECAT | EtherCAT telegram | Ethernet |
| DA | SA | Type | Frame HDR | Datagram 1 | Datagram 2 | ... | Datagram n | Pad. | FCS |
| (6) | (6) | (2/4) | (2) | (10+n+2) | (10+m+2) | | (10+k+2) | (0...32) | (4) |
| Ethertype 0x88A4 | |
EtherCAT in un frame Ethernet standard (in base alla specifica IEEE 802.3)In fase di inizializzazione il master mappa e configura i dati ciclici di processo negli slave. Ogni slave può scambiare un numero di dati variabili, da 1 bit ad alcuni byte. Ogni frame EtherCAT ha più Datagram, tra cui il Datagram header specifica la tipologia di accesso richiesto dal Master (lettura, scrittura, lettura+scrittura, accesso a specifico slave, accesso a più slave).
Profili di comunicazione
Diversi profili e protocolli sono supportati su rete EtherCAT. Uno slave EtherCAT non deve però necessariamente supportare tutti i profili di comunicazione e può decidere quale adottare in relazione alle proprie specifiche necessità.
(CoE) CAN application protocol over EtharCAT
I meccanismi di comunicazione sono quelli del CANopen standard EN50325-4: Object dictionary, mappatura dei PDO e SDO. Con EtherCAT è possibile superare alcune limitazioni che erano presenti nell’implementazione CANbus, come ad esempio la lunghezza massima di 8 bytes per i PDO. Sono inoltre supportati i profili di dispositivo standard, come quello per azionamenti e motori CiA DS402 (IEC 61800-7- 201).
(SoE) Servo drive profile basato su IEC 61800-7-204
Il profilo SERCOS è una interfaccia di comunicazione deterministica utilizzata in particolare nel controllo assi.
(EoE) Ethernet over EtherCAT
Utilizzando questo protocollo, qualunque traffico dati Ethernet può essere trasportato all’interno del datagram EtherCAT.
(FoE) File access over EtherCAT :
Si tratta di un protocollo attraverso cui si può accedere ai file all’interno di un dispositivo e si può aggiornare il firmware tramite la rete.
CANopen DSP402 (IEC 61800-7-201)
Che cos’è CANopen DSP402?
La DSP402 è il profilo di riferimento per azionamenti e controllori di moto basato sul protocollo standard CANopen (introdotto e gestito a partire dal 1995 da gruppo CiA, CAN in Automation).
Inizialmente utilizzato solo su bus di campo CANbus, il protocollo CANopen negli utlimi anni è stato ampiamente utilizzato anche in altri bus decisamente più veloci e ad alte prestazioni come EtherCAT.
Ad oggi CANopen e DSP402 fanno parte dello standard IEC 61800-7.
Vantaggi del CANopen DSP402 (IEC 61800-7-201)
Un profilo definisce un dispositivo come ‘standard’ e come tale è soggetto a rispettare regole e funzionalità di base. Le funzionalità obbligatorie sono necessarie per assicurare che il funzionamento sia possibile.
I vantaggi dell’approccio al profilo sono:
- l’integrazione di sistema
- standardizzazione del dispositivo
Il profilo obbliga il costruttore del dispositivo a soddisfare i requisiti standard richiesti e di conseguenza riduce notevolmente lo sforzo richiesto nell’integrazione del sistema in un applicazione.
Azionamenti Ethercat e Canopen DS402 di Ever Elettronica
Ever Elettronica è stata una tra le prime aziende italiane ad implementare e validare il protocollo CANopen e la DSP402 sui propri azionamenti per motori passo passo e motori brushless, a partire dai primi anni ‘90. Nel 2012 è stato introdotto il bus di campo EtherCAT, ottenendo la certificazione di conformità tramite il ‘Beckhoff ET9400 Conformance Test’.
Gli azionamenti EtherCAT EVER implementano il (CoE) CAN application protocol over EtharCAT.
Ad oggi gli azionamenti Ever Elettronica per motori passo passo e motori brushless sono utilizzati e omologati da molti anni su differenti tipologie di applicazione con i maggiori costruttori di plc master Ethercat e CANbus (Omron, Beckhoff, etc) presenti sul mercato.
EtherCAT e DSP402 sono disponibili su tutte le tipologie di azionamenti Ever Elettronica per motori stepper e motori brushless (brushless DC e brushless AC). Le potenzialità di EtherCAT e della DSP402 , associate al controllo vettoriale della corrente motore e alla gestione del controllo di coppia dei drive di EVER ELETTRONICA garantiscono un prodotto altamente prestazionale e affidabile.
I drive per motori stepper e motori brushless (brushless DC e brushless AC) Ever Elettronica assicurano inseguimenti accurati e precisi delle traiettorie di moto generate e richieste dal master EtherCAT con modalità interpolate CSP, CSV, CST, anche in presenza di dinamiche di inseguimento elevate. Sono inoltre garantiti movimenti fluidi, smorzamenti delle vibrazioni e delle risonanze motore, e drastica riduzione della rumorosità e riscaldmaento motore.
Caratteristiche e funzionalità principali degli azionamenti EtherCAT di Ever Elettronica:
- supportano tutti i principali profili di movimento : Profile Position Mode, Velocity mode, Profile Velocity mode, Homing mode, Interpolated Position mode, Cyclic Synchronous Position mode (CSP), Cyclic Synchronous Velocity mode (CSV), Cyclic Synchronous Torque (cst), Profile Torque mode (tq).
- modalità di sincronizzazione : Free Run , (SM) synchronous with SM Event, (DC) Distribuites Clocks
- Tempo di ciclo minimo : 500us
- funzionalità di ‘Touch Probe’ e ‘Factor Group’
- servizi di diagnostica
- Tool ‘EVER STUDIO’ per PC a supporto per configurazione e debug
- Mappatura dinamica dei PDO
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