EtherCAT là gì? Giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ban đầu được phát triển bởi Beckhoff Automation , một nhà sản xuất PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) được sử dụng trong các hệ thống điều khiển thời gian thực và tự động hóa công nghiệp.

Họ đã phát triển phiên bản Fieldbus của riêng mình có tên là “LightBus” vào cuối những năm 1980, để giải quyết vấn đề băng thông của các giao diện khác. Việc ứng dụng bổ sung trên giao thức này cuối cùng đã dẫn đến việc phát minh ra EtherCAT.

Beckhoff đã giới thiệu EtherCAT với thế giới vào năm 2003. Và sau đó vào năm 2004, họ đã trao quyền cho ETG (EtherCAT Technology Group) – những người chịu trách nhiệm quảng bá tiêu chuẩn này. ETG có một nhà phát triển và nhóm người dùng rất tích cực. EtherCAT được tiêu chuẩn hóa theo IEC 61158.

Tại sao lại sử dụng EtherCAT?

Tại sao chúng ta không thể đơn giản sử dụng Ethernet để kết nối các hệ thống điều khiển ? Ethernet rất nhanh. Nó không tốn kém. Và nó dễ dàng thực hiện trong các công cụ phần mềm trên máy tính ngày nay. Vậy còn thiếu những gì?

Câu trả lời chủ yếu nằm ở việc xác định hoặc độ chính xác về thời gian.

Trong các trường hợp ứng dụng vào việc gửi và nhận thư. Vào một ngày mà chỉ có 100 lá thư được gửi đến, thư của bạn sẽ nhanh chóng xuất hiện trong hộp thư của bạn. Vào những ngày nhiều thư, sẽ mất nhiều thời gian hơn, nhưng không có gì là khác biệt, phải không?

Vì vậy, Ethernet hoàn toàn phù hợp để gửi tài liệu xung quanh văn phòng hoặc từ thiết bị này sang thiết bị khác. “Thư” của bạn được gửi nhanh chóng và thực sự không quan trọng nếu thư được nhận vào lúc 10:00:02.12 hay lúc 10:01 – việc thời gian chính xác không quan trọng trong ứng dụng này.

Tuy nhiên với những hệ thống điều khiển thì thời gian là một yếu tố cực kỳ quan trọng. Thời gian nào đó đã xảy ra và với độ phân giải và độ chính xác trục thời gian càng nhiều càng tốt. Hệ thống điều khiển tự động hóa nhà máy theo định nghĩa là hệ thống thời gian thực. Việc bật và tắt máy yêu cầu độ trễ rất thấp. Ví dụ: bạn không muốn thông báo tắt khẩn cấp của mình lẫn vào luồng sao lưu dữ liệu gigabyte – các thông báo thời gian thực luôn được ưu tiên.

Nhưng trong một hệ thống Ethernet thông thường, không có giao thức nào xử lý cho việc này – tất cả dữ liệu về cơ bản là “bình đẳng”. Điều này hoạt động tốt với các máy tính văn phòng khi chia sẻ băng thông mạng để truy cập máy chủ và máy in, nhưng không phù hợp với các ứng dụng thời gian thực.

Các lớp vật lý của EtherCAT

EtherCAT sử dụng cùng một lớp liên kết vật lý và dữ liệu của Ethernet, được thể hiện bên dưới:

Lớp vật lý là phần cứng truyền tải dữ liệu qua mạng một cách vật lý. Đây là cấp điện cốt lõi, tức là cấp độ “cơ học” của mạng.

Lớp liên kết dữ liệu là nơi dữ liệu được mã hóa thành các gói. Việc triển khai Ethernet ở đây là tốt và EtherCAT sử dụng nó. Nhưng sau đó các lớp khác được người dùng Ethernet biết đến như lớp Mạng (IP) và lớp truyền tải (TCP và UDP) bị EtherCAT bỏ qua hoàn toàn vì nó quan tâm đến thời gian chu kỳ.

Tất thảy điều này và các khía cạnh khác của giao thức là cách EtherCAT có thể giảm thời gian chu kỳ 10 ms của Ethernet theo một số bậc lớn và nó mang lại tốc độ dữ liệu hiệu quả là 100 Mbps.

Sự khác biệt về cấu trúc mạng Ethernet và EtherCAT

Ethernet và EtherCAT khác nhau ở các lớp cao hơn lớp liên kết vật lý và dữ liệu. Chúng ta hãy xem xét sự khác biệt và sau đó đưa được ra kết luận là EtherCAT phù hợp cho các ứng dụng hệ thống thời gian thực:

Trong một mạng Ethernet điển hình tại văn phòng hoặc nhà của bạn, nhiều thiết bị được kết nối về cơ bản ở cùng một cấp. Mọi thiết bị đều có thể gửi dữ liệu qua mạng và mọi thiết bị đều có thể nhận dữ liệu. Mạng có thể có một bộ switch kết nối nó với một thiết bị internet để cung cấp quyền truy cập từ xa qua internet.

Điều này rất linh hoạt nhưng dễ bị quá tải dữ liệu khi nhiều thiết bị gửi hoặc yêu cầu một lượng lớn dữ liệu cùng một lúc. Các tin nhắn quan trọng về thời gian có thể bị chậm lại hoặc thậm chí bị chặn trong những trường hợp quá tải.

Mặt khác, EtherCAT hoạt động theo một cách rất khác:

Thiết bị EtherCAT MASTER là thiết bị duy nhất được phép truyền dữ liệu qua mạng! Master gửi một chuỗi dữ liệu qua bus, loại bỏ các xung đột dữ liệu của hệ thống Ethernet và kết quả là tối ưu hóa tốc độ.

Khung EtherCAT được nhúng trong khung Ethernet tiêu chuẩn và được xác định trong trường EtherType bằng giá trị 0x88A4. Thiết bị Master là thiết bị duy nhất trong phân đoạn EtherCAT được phép gửi tin nhắn – các Slave có thể thêm dữ liệu và gửi khung theo đó, nhưng chúng không thể tự tạo tin nhắn mới.

Các khung này được nhận bởi các thiết bị slave EtherCAT (các nút) mà nó được gửi đến. Các thiết bị slave xử lý dữ liệu và thêm lại bất cứ thứ gì được master yêu cầu và gửi khung cùng với nút tiếp theo trong vòng.

Nút tiếp theo thực hiện chính xác điều tương tự, lấy dữ liệu dành cho nó, đưa dữ liệu cần thiết trở lại khung EtherCAT và gửi nó đến nút tiếp theo.

Tốc độ được tăng lên so với Ethernet thông thường không chỉ vì chỉ có một thiết bị gửi dữ liệu, mà còn dựa trên kỹ thuật được gọi là “xử lý nhanh chóng”. Trong Ethernet thông thường, mỗi thiết bị phải đọc tiêu đề của mỗi thông báo để xác định xem dữ liệu có được dành cho nó hay không, sau đó nhập dữ liệu và xử lý theo một cách nào đó. Nhưng với quá trình xử lý nhanh chóng, nút đọc tiêu đề và gửi dữ liệu cùng một lúc, tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả.

Cuối cùng, không giống như Ethernet thông thường, EtherCAT cho phép dữ liệu đến và đi từ nhiều thiết bị trên mạng được kết hợp thành các khung đơn. Điều này một lần nữa tối ưu hóa tốc độ.

Điều thú vị là nếu một nút cụ thể không có khả năng xử lý để xử lý dữ liệu, tốc độ bus có thể được điều chỉnh bởi master, đảm bảo rằng không có dữ liệu nào bị mất bởi bất kỳ thiết bị nào trên mạng.

Dữ liệu được đóng dấu thời gian EtherCAT

Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của EtherCAT là đồng hồ phân tán. Mỗi nút đánh dấu thời gian dữ liệu khi nó được nhận và sau đó đóng dấu lại khi nó gửi đến nút tiếp theo. Vì vậy, khi master nhận lại dữ liệu từ các nút, nó có thể dễ dàng xác định độ trễ của mỗi nút. Mỗi lần truyền dữ liệu từ master đều nhận được dấu thời gian I / O từ mọi nút, làm cho EtherCAT xác định và chính xác hơn nhiều trên trục thời gian so với Ethernet.

Tuy nhiên, ngay cả trước khi EtherCAT hoạt động, master sẽ gửi một chương trình phát sóng tới tất cả các nút slave trên mạng, những slave này sẽ chốt nó khi chúng nhận nó và khi chúng gửi nó trở lại. Master sẽ tự động làm điều này nhiều lần nếu cần thiết để giảm “jitter” và giữ cho các nút slave được đồng bộ hóa với nhau.

Độ chính xác về thời gian này cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng điều khiển thời gian thực và tự động hóa nhà máy.

Đồng hồ phân tán tích hợp của EtherCAT cung cấp hiệu suất “jitter” tuyệt vời nhỏ hơn nhiều so với một micro giây (1 µs), tương đương với IEEE 1588 PTP (Giao thức thời gian chính xác) mà không cần thêm bất kỳ phần cứng nào.

EtherCAT có khả năng chịu lỗi

Nếu đầu ra của nút cuối cùng không được kết nối với nút chính, dữ liệu sẽ tự động được trả về theo hướng khác thông qua giao thức EtherCAT. Dấu thời gian được duy trì.

Khả năng chịu lỗi này có nghĩa là các mạng EtherCAT không phải được sắp xếp theo một vòng giống như các sơ đồ được hiển thị ở trên, nhưng có thể được định cấu hình theo nhiều cách khác nhau, bao gồm cấu trúc liên kết cây, cấu trúc liên kết vòng, cấu trúc liên kết dòng, cấu trúc liên kết hình sao và thậm chí là kết hợp.

Tất nhiên, phải có một liên kết giữa master và slave. Nếu bạn ngắt nguồn chúng, chúng không thể hoạt động, nhưng điểm mấu chốt là cấu trúc liên kết của mạng rất linh hoạt và chịu được lỗi ở một mức độ đặc biệt.

Bạn thường thấy trong hệ thống Ethernet cần phải có những bộ chuyển mạch switch, tuy nhiên hệ thống EtherCAT không yêu cầu thiết bị này. Có thể có chiều dài cáp lên đến 100 mét (328 ft) giữa các nút. LVDS (tín hiệu vi sai điện áp thấp) trên đường dây đồng xoắn đôi chạy ở tốc độ cao và tiêu thụ điện năng rất thấp. Cũng có thể sử dụng cáp quang để tăng tốc độ và thêm cách ly điện giữa các thiết bị.

Ethernet so với EtherCAT

	Ethernet	EtherCAT
Các lớp liên kết vật lý và dữ liệu chung	Có	Có
Tiêu chuẩn quốc tế	IEEE-802.3	IEC 61158
Thời gian xác định	Không	Có
Hoạt động Master / Slave	Không	Có
Cấu trúc liên kết dựa trên vòng	Không yêu cầu	Có
Được tối ưu hóa để kiểm soát thời gian thực	Không	Có
Được tối ưu hóa để tránh xung đột dữ liệu	Không	Có

Sự khác biệt giữa EtherCAT và CANopen là gì?

CANopen là một giao thức cấp cao dựa trên bus phần cứng CAN. Nó cũng bao gồm một thông số kỹ thuật cho bất kỳ thiết bị nào trên bus. Trong khi EtherCAT sử dụng hai lớp thấp nhất (dữ liệu và vật lý) của giao thức Ethernet, CANopen sử dụng hai lớp thấp nhất của CAN OSI.

Việc tận dụng phần cứng sẵn có và đã được chứng minh bởi nhiều nhà sản xuất là một lợi thế chính của CANopen. CAN được khởi tạo như một cách để giảm hệ thống đường dây điện trong ô tô, nhưng nó đã phát triển qua nhiều thập kỷ để được sử dụng trong hầu hết mọi ngành và hàng nghìn ứng dụng, từ công nghiệp đến hàng không vũ trụ, năng lượng, v.v. Việc đưa giao thức CANopen cấp cao lên trên phần cứng CAN đã được kiểm chứng và đáng tin cậy giúp cho việc triển khai và phát triển hệ thống trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết.

CANopen cung cấp một mức độ liên kết cao và do đó đơn giản hóa cho các kỹ sư để tích hợp các thiết bị sử dụng CAN làm lớp giao tiếp phần cứng. Giao thức xử lý nhiều tác vụ cấp thấp dành riêng cho phần cứng, đơn giản hóa và tăng tốc độ truyền. Các vấn đề phần cứng cụ thể của CAN như lọc chấp nhận và định thời bit được xử lý bởi giao thức CANopen. CANopen cung cấp các đối tượng giao tiếp (COB) cho các hệ thống nhạy với thời gian và các tác vụ quản lý phần cứng khác.

EtherCAT là một kiến ​​trúc duy nhất một master/slave (nhiều slave). Master gán địa chỉ cho từng slave, kiểm soát tốc độ truyền của mạng và thực hiện đồng bộ hóa thời gian ban đầu của tất cả các thiết bị, có thể lặp lại khi cần thiết. Hơn nữa, thiết bị master là thiết bị duy nhất được phép truyền thông điệp. Các slave có trách nhiệm phản ứng với các tin nhắn, chèn các phản hồi được đánh dấu thời gian của chúng, và sau đó trả chúng cho master.

Mạng CANopen có thể có nhiều hơn một master. Tuy nhiên, bộ tích hợp phải đảm bảo rằng mỗi thiết bị có một địa chỉ duy nhất và tất cả các thiết bị đều được đặt ở cùng một tốc độ bit. Tốc độ bit được đề xuất cao nhất của hệ thống CANopen là 1000 kbps.

Một hệ thống CANopen có thể có tới 127 thiết bị trên đó, một trong số đó phải là thiết bị master. Một phân đoạn EtherCAT có thể có tối đa 65.535 thiết bị trên đó. Khoảng cách tối đa giữa các thiết bị là 100 m (328 feet).

EtherCAT có tính xác định cao, đạt được jitter tốt hơn 1µs ở tốc độ 100 Mbps. Điện tín CANopen SYNC được giới hạn ở một độ dài khung hình và có thể bị chập chờn với 130μs ở 1 Mbps.

So sánh cấp cao nhất: EtherCAT và CANopen

	EtherCAT	CANopen
Lớp phần cứng vật lý và dữ liệu	Ethernet	CANbus
Tốc độ bus	100 Mb / giây	1 Mbps (tối đa)
Chế độ truyền	Song công	Bán song công
Tính xác định (rung lắc giữa các thiết bị)	Thấp nhất là 1 ns	Thông thường 100-200 ns
Tối đa Thiết bị	65.536	127 (0 được đặt trước)
Tối đa khoảng cách giữa các thiết bị (1)	100 m (328 ft.)	Phụ thuộc vào tốc độ bus:1,5 m @ 1 Mbps 2,5 m @ 800 kbps 5,5 m @ 500 kbps 11 m @ 250 kbps
Cổng giao tiếp phụ	USB	RS232
Master / Slave	Master duy nhất với một hoặc nhiều Slave	Một hoặc nhiều Master, với một hoặc nhiều Slave
Định địa chỉ Slave tự động bởi Master	Có	Không
Đồng bộ thời gian tự động của các thiết bị bởi Master	Có	Không

• Tiêu chuẩn CANopen được duy trì bởi CAN in Automation (CiA) International Users and Manufacturers Group
• Tiêu chuẩn EtherCAT được duy trì bởi EtherCAT Technology Group và được tiêu chuẩn hóa theo IEC 61158

Cả EtherCAT và CANopen đều được sử dụng trong nhiều ngành và ứng dụng khác nhau, bao gồm:

• Ô tô
• Vận tải và đường sắt
• Chăm sóc sức khỏe
• Ngành công nghiệp
• Tự động hóa nhà máy
• Nông nghiệp
• Hàng không vũ trụ.

Cả hai giao thức đều hiện đại, được duy trì và hữu ích. Đối với các ứng dụng phân tán tốc độ thấp và trung bình, CANopen là một lựa chọn tuyệt vời. Đối với các ứng dụng tốc độ cao hơn, đặc biệt là những ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, đồng bộ hóa thời gian chuẩn xác và kết hợp điều khiển thì EtherCAT là lựa chọn tốt hơn.

Cách thức hoạt động của CANopen qua EtherCAT (CoE)?

Như chúng ta đã thấy trong suốt bài viết này, EtherCAT là một hệ thống mạnh mẽ tận dụng lợi thế của phần cứng Ethernet, cho phép kết nối lên đến 100 mét giữa các thiết bị, cung cấp cấu trúc liên kết mạng linh hoạt và cung cấp luồng dữ liệu có tính xác định cao, đồng bộ hóa thời gian tự động,..

Tất nhiên, CANopen cũng có những ưu điểm của nó. Nó tồn tại lâu hơn EtherCAT và đã được điều chỉnh hàng nghìn lần vì chi phí phần cứng thấp và dễ triển khai. Xem xét điểm mạnh của cả CANopen và EtherCAT, rõ ràng là cần có cách để kết hợp chúng và tận dụng lợi thế của cả hai hệ thống. Giao thức này được gọi là CANopen qua Ethernet (CoE) và nó cho phép các kỹ sư sử dụng toàn bộ tính năng CANopen được thiết lập trên EtherCAT nhanh và mạnh mẽ.

Giao thức CoE bao gồm các đối tượng dữ liệu quá trình (PDO) và các đối tượng dữ liệu dịch vụ (SDO). Gần như tất cả các ngăn xếp CANopen hiện có có thể được sử dụng mà không cần sửa đổi vì giao thức SDO được triển khai trực tiếp.

Các ngăn xếp PDO được chuyển bằng phần cứng EtherCAT xác định, nhanh hơn, nhưng không còn bị giới hạn 8 bit của CANopen. Điểm tương đồng giữa các trạng thái EtherCAT và CANopen là một số thay đổi cần phải được thực hiện khi điều chỉnh cấu hình CANopen để chạy trên EtherCAT. CoE hỗ trợ tất cả các cấu hình thiết bị CANopen và CAN.

Băng thông cao hơn của EtherCAT cho phép toàn bộ Object Dictionary được tải lên trên mạng. Nhiều cấu hình thiết bị cũng có thể được tái sử dụng, giảm thời gian và chi phí triển khai.

EtherCAT đa giao thức là một nền tảng mạnh mẽ, nhanh chóng để chạy các thiết bị CANopen và đóng vai trò là cầu nối cho phép chúng dễ dàng dịch chuyển sang Ethernet công nghiệp.

Sự khác biệt giữa EtherCAT và Ethernet tiêu chuẩn là gì?

Đầu tiên, EtherCAT được xây dựng trên hai lớp đầu tiên của giao thức Ethernet, như chúng tôi đã mô tả trong phần này. Vì vậy, có sự tương đồng rất mạnh ở các cấp thấp nhất – nhưng không phải ở cấp mạng, truyền tải hoặc ứng dụng, vì vậy không có TCP / IP hoặc UDP trong EtherCAT.

EtherCAT đã được tối ưu hóa như một hệ thống master / slave thời gian thực, xác định .

Các khung EtherCAT (thông báo) được xây dựng bên trong các Khung Ethernet tiêu chuẩn. Tuy nhiên, cũng có nhiều khác biệt lớn:

• Trên mạng EtherCAT, chỉ master mới có thể gửi tin nhắn, hướng chúng đến các slave thích hợp, và sau đó lấy lại dữ liệu được đóng dấu thời gian từ chúng. Điều này rất khác so với mạng Ethernet, nơi mọi thiết bị đều có thể gửi tin nhắn và dữ liệu không được đóng dấu thời gian một cách xác định.
• EtherCAT có tính xác định, có nghĩa là dữ liệu thời gian thực có độ trễ cực thấp sẽ quay trở lại master từ các slave.
• Trong mạng EtherCAT, master phụ trách căn chỉnh thời gian của tất cả các slave khi khởi động và theo từng khoảng thời gian, để tạo điều kiện cho việc đóng dấu thời gian có độ trễ thấp. Điều này được tích hợp trong EtherCAT, nhưng phải được thêm vào mạng Ethernet tiêu chuẩn.
• EtherCAT được thiết kế ngay từ đầu để cho phép kiểm soát thời gian thực đối với các thiết bị và hệ thống với độ trễ cực thấp. Ethernet được thiết kế chủ yếu cho các ứng dụng văn phòng và kết nối máy tính, máy in và các thiết bị ngoại vi mạng khác.
• Không giống như mạng Ethernet tiêu chuẩn, trong mạng EtherCAT, không thể xảy ra xung đột dữ liệu nhờ các đặc trưng nêu trên.
• Truyền dữ liệu trên mạng EtherCAT nhanh hơn so với mạng Ethernet tiêu chuẩn: 100 Mb / s có hiệu lực với độ chập chờn rất thấp.
• Giống như Ethernet, mạng EtherCAT có thể được sắp xếp theo nhiều loại cấu trúc liên kết: đường, vòng, sao, v.v.

Làm cách nào để triển khai EtherCAT bằng Ethernet?

Mạng EtherCAT sử dụng cáp Ethernet tiêu chuẩn để kết nối các thiết bị với nhau. Vì vậy, đơn giản về hệ thống cáp, cả mạng EtherCAT và Ethernet đều sử dụng cùng một loại cáp CAT5.

Tuy nhiên, nếu câu hỏi đề cập đến điều gì đó nhiều hơn, chẳng hạn như kết nối các thiết bị Ethernet khác với mạng EtherCAT, thì chúng ta cần xem xét giao thức được gọi là Ethernet over EtherCAT (EoE).

EoE là một giao thức cho phép ứng dụng khách Windows giao tiếp với các thiết bị trên mạng EtherCAT. Các gói Ethernet được gửi từ máy khách vào mạng EtherCAT thông qua một thiết bị gọi là Cổng chuyển mạch. Một Cổng chuyển đổi truyền dữ liệu Ethernet vào giao thức EtherCAT bằng cách chèn các TCP / IP vào các thông điệp hệ thống EtherCAT hiện có theo cách không can thiệp vào mạng.

Thiết bị chuyển mạch switch có thể được triển khai như một thiết bị riêng biệt, chẳng hạn như Beckhoff 6601 , hỗ trợ tất cả các giao thức dựa trên Ethernet (IEEE 802.3) và được cách ly điện áp đến 500 V. Nó có thể được thiết lập ở bất kỳ đâu trong phân đoạn EtherCAT và không yêu cầu bất kỳ cấu hình nào.

Nhưng nó cũng có thể được triển khai như một chức năng trong một trong các thiết bị slave trên mạng EtherCAT, hoặc thậm chí là một chức năng phần mềm trên EtherCAT master.

EtherCAT master là gì?

Mỗi phân đoạn mạng EtherCAT cần một EtherCAT master. Thiết bị master này phụ trách mạng và là thiết bị duy nhất được phép gửi tin nhắn qua mạng. Nó cũng chịu trách nhiệm đồng bộ hóa thời gian cho tất cả các slave trên mạng và gán địa chỉ cho từng slave. Nó chịu trách nhiệm yêu cầu dữ liệu từ các slave và nhận lại các thông báo đã sửa đổi từ chúng có chứa dữ liệu được yêu cầu.

Một EtherCAT master gửi dữ liệu bằng MAC (Media Access Controller) ở lớp 2 (lớp dữ liệu) trong mô hình Ethernet OSI được chuẩn hóa. Không cần bộ xử lý giao tiếp bổ sung, có nghĩa là chức năng chính của EtherCAT có thể được triển khai trên bất kỳ thiết bị nào có cổng Ethernet.

Do đó, EtherCAT master có sẵn cả dưới dạng phần cứng chuyên dụng và ở dạng phần mềm chạy trên máy tính, bất kể nó chạy hệ điều hành nào. Các EtherCAT master đã được phát triển cho Microsoft Windows, Linux, QNX, RTX, VxWorks, v.v.

Khi sử dụng máy tính làm EtherCAT master, yêu cầu duy nhất là cổng Ethernet. Đây có thể là một cổng tích hợp sẵn hoặc một NIC (Network Interface Card) được bổ sung. Hầu hết các NIC đều có quyền truy cập DMA trực tiếp, có nghĩa là CPU không liên quan đến việc truy cập dữ liệu, tạo nên một hệ thống có hiệu suất rất cao.

Khoảng cách tối đa giữa các thiết bị EtherCAT là bao nhiêu?

Đây là một câu hỏi không có một câu trả lời duy nhất vì có rất nhiều biến số. Đầu tiên, cấu trúc liên kết của một phân đoạn EtherCAT có thể là một đường, vòng, cây, hình ngôi sao và thậm chí là sự kết hợp của các cấu hình này.

Thứ hai, EtherCAT hỗ trợ tối đa 65.536 thiết bị duy nhất trên một phân khúc, điều này chắc chắn ngụ ý rằng một số lượng rất lớn thiết bị được hỗ trợ và có thể được kết nối đồng thời. Tất nhiên, tính thực tế của một hệ thống như vậy là một câu hỏi.

Sử dụng cáp Ethernet tiêu chuẩn (100BASE-TX), khoảng cách tối đa giữa hai thiết bị bất kỳ trên phân khúc là 100 m (328 feet) .

Tuy nhiên, sử dụng cáp sợi quang (100BASE-FX) 100 m này có thể được mở rộng lên đến 2 km (1,25 dặm)

Thực tế mà nói, gần như tất cả các hệ thống EtherCAT đều được triển khai trên một tòa nhà, một nhà máy hoặc một khu vực cụ thể trong nhà máy.

Giao thức Ethernet nào tốt nhất cho các ứng dụng thời gian thực?

Trên thực tế, EtherCAT và Profinet không phải là hai giao thức Ethernet công nghiệp (IE) duy nhất được sử dụng ngày nay. Có một số giao thức mạng công nghiệp bao gồm EtherCAT, Profinet, Ethernet/IP , Powerlink , SERCOS III , Modbus TCP và CC-Link IE .

Mục đích của mỗi giao thức này là tận dụng phần cứng Ethernet nhanh và chi phí thấp khi tạo hệ thống giám sát và điều khiển trong môi trường điều khiển hệ thống công nghiệp… đồng thời cải thiện đáng kể tính đồng bộ hóa thời gian, tính xác định và độ bền môi trường.

Được giới thiệu vào năm 2003, Profinet là một tiêu chuẩn kỹ thuật truyền thông giao tiếp công nghiệp. Không nên nhầm lẫn với Profibus, là một chuẩn Fieldbus được giới thiệu vào năm 1989 theo chuẩn IEC 61158. Profibus dựa trên giao tiếp nối tiếp RS485, trong khi Profinet dựa trên Ethernet. Hệ thống Profinet có thể kết hợp các bộ phận hiện có của hệ thống Profibus mà không cần thay đổi, khiến nó trở nên hấp dẫn như một lộ trình nâng cấp cho các hệ thống cũ hơn đó.

Tất cả các hệ thống Ethernet công nghiệp này có thể đều mang nét đặc trưng của Ethernet OSI mà chúng sử dụng. Như chúng ta đã thấy trước đó trong tài liệu này, EtherCAT chỉ sử dụng 2 lớp đầu tiên của Ethernet OSI, bỏ qua lớp truyền tải (TCP, UDP), v.v. để đạt được thời gian chu kỳ nhanh nhất có thể và do đó tính chuẩn xác cao nhất cho thực hiện các ứng dụng kiểm soát thời gian.

Hãy tập trung vào EtherCAT và Profinet dựa trên câu hỏi đang đặt ra và xem cách họ sử dụng Ethernet OSI:

	Ether CAT	Profinet V1	Profinet V2	Profinet V3
Lớp 7 (lớp ứng dụng)		Lớp ứng dụng Fieldbus (FAL). Dịch vụ và giao thức
Lớp 6 (lớp giới thiệu)		RSI (Giao diện dịch vụ từ xa) hoặc RPC (lệnh gọi thủ tục từ xa) được sử dụng
Lớp 5 (lớp chủ trì)		RSI (Giao diện dịch vụ từ xa) hoặc RPC (lệnh gọi thủ tục từ xa) được sử dụng
Lớp 4 (lớp vận chuyển/ truyển tải)		TCP / IP, UDP
Lớp 3 (lớp mạng)	IP (đồng bộ bằng cách sử dụng switch)	Mạng IP	Mạng IP (không đồng bộ)
Lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu)	MAC Ethernet
Lớp 1 (lớp vật lý)	Có thể sử dụng đồng song công 100 MBit / s (100BASE-TX) hoặc cáp quang (100BASE-FX) theo IEEE 802.3

Profinet có sẵn ba phiên bản:

• Phiên bản 1: Dựa trên thành phần (CBA): 100 ms lần chu kỳ
• Phiên bản 2: Thời gian thực (thời gian thực của phần mềm): thời gian chu kỳ ~ 10 ms
• Phiên bản 3: Thời gian thực (thời gian thực của phần cứng): thời gian chu kỳ <1 ms

Trong phiên bản 2 của Profinet, lớp truyền tải (TCP / IP) không được sử dụng mà được thay thế bằng bộ điều khiển chuyên dụng được vận chuyển trong khung Ethernet. Trong phiên bản 2, bộ điều khiển này được triển khai trong phần mềm, trong khi ở phiên bản 3, nó được triển khai trong phần cứng, đạt được thời gian chu kỳ tốt nhất hiện có trong Profinet.

Những thay đổi này không phải là cố gắng không sử dụng TCP và IP trong giao thức, nhưng để tránh sự phụ thuộc vào chúng.

Profinet Phiên bản 1, hay còn gọi là CBA (tự động hóa dựa trên thành phần), không được phát triển nữa. Nó không thể xử lý một số lượng lớn các biến và được coi là cầu nối từ Profibus cũ hơn đến thế giới Ethernet công nghiệp. Trọng tâm ngày hôm nay là Profinet IO, trước đây được gọi là SRT (thời gian thực phần mềm) và IRT (thời gian thực [phần cứng] không đồng bộ).

Việc bổ sung phần cứng đặc biệt trong Profinet IO làm cho nó đủ nhanh và đủ xác định để sử dụng cho các ứng dụng điều khiển chuyển động (điều khiển vị trí). Vì Profinet IO (IRT) là gần nhất với EtherCAT về hiệu suất, chúng tôi sẽ tập trung vào nó chứ không phải hai phiên bản khác trong bài so sánh cấp cao nhất này:

Tính năng / Tham số	EtherCAT	Profinet IO (IRT)
Số nút tối đa trên mỗi mạng	65,536	64 (1)
Các cấu trúc liên kết được hỗ trợ	Dòng, vòng, cây, ngôi sao và các kết hợp của chúng	Dòng, cây, ngôi sao
Khôi phục mạng tự động	Có	Không
Switch mạng được quản lý	Không áp dụng cho EtherCAT, không sử dụng switch hoặc bộ trung tâm	Cần thiết
Công nghệ đồng hồ phân tán	Có	Không
Tốc độ mạng	2 x 100 Mbps (song công)	2 x 100 Mbps (song công)
Thời gian chu kỳ	100 µs	<1 mili giây
Độ chính xác đồng bộ hóa	~ 1 ns	<1 µs
Jitter	<1 µs	<1 µs
Có thể bị gián đoạn do tắc nghẽn truyền thông	Không	Có. Người dùng phải quản lý tải mạng (2)
Định địa chỉ thiết bị slave tự động	Có, thiết bị chính thực hiện việc này tự động, ngay cả khi thiết bị mới được thêm vào	Không, nhà tích hợp hệ thống phải đảm bảo tất cả các thiết bị có một địa chỉ duy nhất
Mức chi phí	Nói chung thấp hơn hầu hết các hệ thống Fieldbus	Chi phí tích hợp và phần mềm cao hơn

1) Có thể có nhiều nút hơn, nhưng Siemens khuyến nghị tối đa 64 nút. Siemens là nhà sản xuất chính của các thiết bị Profinet và là đơn vị tài trợ giao thức.

2) Không giống như EtherCAT, Profinet không có cách nào tích hợp sẵn để hạn chế lưu lượng truy cập đến, vì vậy có thể xảy ra tình trạng quá tải mạng dẫn đến phá vỡ mạng. Người dùng có trách nhiệm quản lý tải mạng và đảm bảo điều này không xảy ra.

Theo tất cả các chỉ số chính, EtherCAT là một giải pháp Ethernet công nghiệp vượt trội. Nó nhanh hơn, dễ thực hiện hơn, linh hoạt hơn và chi phí thấp về mặt cấu trúc liên kết và là một tiêu chuẩn hoàn toàn mở mà không có chi phí cấp phép (giao thức mở, không cần cấp phép bản quyền).

Ưu điểm của EtherCAT

• Hiệu suất cao – cấu trúc liên kết Ethernet công nghiệp nhanh nhất với tốc độ 200 Mb / giây (song công = 100 Mb / giây x 2)
• Chính xác – hoạt động thời gian thực với đồng bộ hóa ~ 1 ns
• Cấu trúc liên kết linh hoạt – có thể được sắp xếp theo vòng, thẳng, cây, sao không giới hạn
• Không có trung tâm hoặc switch – mở rộng mạng gần như vô hạn
• Thao tác dễ dàng – master tự động gán địa chỉ nút và gửi thông báo đồng bộ đồng hồ cho chúng
• Cấu hình đơn giản – không có địa chỉ IP hoặc địa chỉ MAC để duy trì
• Giá cả phải chăng – giá tương tự hoặc thấp hơn mạng Fieldbus thông thường. Bộ điều khiển chính tương đối rẻ.

Ứng dụng EtherCAT

• Tự động hóa công nghiệp
• Giao thức mạng PLC
• Điều khiển động cơ Servo
• Hệ thống thu thập dữ liệu
• Điều khiển chuyển động và điều khiển máy
• Người máy (Robot)
• Hệ thống xử lý vật liệu và hành lý
• Hệ thống cân
• Máy in
• Sản xuất chất bán dẫn
• Sản xuất kim loại và bột giấy & giấy
• Nhà máy điện
• Tua bin gió
• Máy móc nông nghiệp
• Máy phay
• Hệ thống kiểm soát đường hầm
• Hệ thống an toàn
• …

Trên đây, MC&TT đã chia sẻ rất chi tiết cho các bạn về giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT. Rất hy vọng, những kiến thức phía trên sẽ giúp ích cho các bạn trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu, học tập hay làm việc với giao thức EtherCAT. Xin cảm ơn!