개요
EtherCAT은 개방형 구조의 이더넷 기반 필드버스 시스템입니다. EtherCAT의 CAT는 Control Automation Technology의 약자입니다. 원래 독일의 Beckhoff Automation GmbH에서 개발했습니다. EtherCAT은 실시간 성능 및 토폴로지 유연성에 대한 새로운 표준을 설정하는 동시에 필드버스 사용 비용을 준수하거나 절감합니다. EtherCAT은 또한 고정밀 장치 동기화, 선택적 케이블 이중화 및 기능적 보안 프로토콜(SIL3)을 제공합니다.
원칙
실시간 기능을 제공하는 여러 가지 이더넷 솔루션이 있습니다. 예를 들어 상위 프로토콜 계층을 통해 CSMA/CD 액세스 프로세스를 비활성화하고 이를 타임 슬라이스 또는 폴링 절차로 대체합니다. 다른 체계는 개인 스위치를 사용하고 정확한 시간 제어로 이더넷 패킷을 배포합니다. 이러한 솔루션은 연결된 이더넷 노드에 상대적으로 빠르고 정확하게 패킷을 전달할 수 있지만 매우 적은 양의 데이터에 대해서도 전체 이더넷 프레임을 전송해야 하기 때문에 특히 일반적인 자동화 장치의 경우 대역폭 활용도가 낮습니다. 또한 출력 또는 드라이브 컨트롤러로 리디렉션하고 입력 데이터를 읽는 데 필요한 시간은 주로 실행 모드에 따라 다릅니다. 특히 Beckhoff K-버스와 같이 동기식 버스 시스템을 통해 전송 속도를 높이는 모듈식 I/O 시스템에서 서브버스를 사용해야 하는 경우가 종종 있지만 이러한 동기화는 통신 버스 전송의 지연을 피할 수 없습니다.
EtherCAT을 통해 Beckhoff는 다른 이더넷 솔루션의 이러한 시스템 한계를 극복할 수 있었습니다. 더 이상 각 연결 지점에서 이더넷 패킷을 수신하고 디코딩하고 프로세스 데이터에 복사할 필요가 없었습니다. 프레임이 기본 터미널 장치를 포함하여 각 장치를 통과할 때 EtherCAT은 해당 장치에 중요한 스테이션 컨트롤러에서 데이터를 읽습니다. 마찬가지로 메시지가 통과할 때 입력 데이터를 메시지에 삽입할 수 있습니다. 프레임이 통과된 후(몇 비트만 지연됨) 슬레이브 스테이션은 해당 명령을 인식하고 처리합니다. 이 프로세스는 슬레이브 컨트롤러의 하드웨어를 통해 구현되므로 실시간 실행 시스템 또는 프로토콜 스택 소프트웨어의 프로세서 성능과 독립적입니다. 네트워크 세그먼트의 마지막 EtherCAT 슬레이브는 완전히 처리된 메시지를 반환하므로 메시지가 첫 번째 슬레이브에서 마스터로 응답 메시지로 반환됩니다.
이더넷 관점에서 EtherCAT 버스 세그먼트는 단순히 이더넷 프레임을 수신하고 전송하는 대형 이더넷 장치입니다. 그러나 이 "장치"에는 다운스트림 마이크로프로세서가 있는 단일 이더넷 컨트롤러가 포함되어 있지 않고 많은 수의 EtherCAT 슬레이브 스테이션만 포함되어 있습니다. 다른 이더넷과 마찬가지로 EtherCAT은 통신을 설정하기 위해 스위치가 필요하지 않으므로 순수한 EtherCAT 시스템이 됩니다.
성능
EtherCAT은 새로운 수준의 네트워크 성능에 도달합니다. 1000 분산 I/O 데이터의 새로 고침 기간은 터미널 주기 시간을 포함하여 30μs에 불과합니다. 이더넷 프레임을 통해 최대 1486바이트의 프로세스 데이터를 교환할 수 있으며 이는 거의 12,000개의 I/O 디지털 볼륨에 해당합니다. 이 양의 데이터는 단 300μs 만에 전송할 수 있습니다.
100개의 서보 샤프트와의 통신은 100μs에 불과합니다. 이 시간 동안 모든 축에 설정 값과 제어 데이터를 제공할 수 있으며 축의 실제 위치와 상태를 보고할 수 있습니다. 분산 클록 기술은 이러한 축 간의 동기화 시간 편차가 1마이크로초 미만임을 보장합니다.
EtherCAT 기술의 뛰어난 성능으로 기존의 필드버스 시스템에서는 구현하지 못했던 제어 방식을 구현할 수 있습니다. 이러한 방식으로 초고속 제어 루프도 버스를 통해 형성될 수 있습니다. 이전에는 기본 전용 하드웨어 지원이 필요했던 기능을 이제 소프트웨어에 매핑할 수 있습니다. 거대한 대역폭 리소스를 통해 상태 데이터를 모든 데이터와 병렬로 전송할 수 있습니다. EtherCAT 기술은 통신 기술이 최신 고성능 산업용 PCS와 일치하도록 합니다. 버스 시스템은 더 이상 아이디어를 통제하는 병목 현상이 아닙니다. 분산 I/O의 데이터 전달은 로컬 I/O 인터페이스에서만 달성할 수 있는 성능을 능가합니다.
이 네트워크 성능 이점은 상대적으로 중간 정도의 컴퓨팅 성능을 가진 소형 컨트롤러에서 분명합니다. EtherCAT의 고속 루프는 두 제어 루프 사이에서 수행할 수 있습니다. 따라서 컨트롤러는 항상 최신 입력 데이터를 사용할 수 있으며 출력 주소 지정 지연은 최소화됩니다. 자체 컴퓨팅 성능을 향상시키지 않고도 컨트롤러의 응답 동작을 크게 개선할 수 있습니다.
EtherCAT의 원리는 확장 가능하며 100메가비트 대역폭으로 제한되지 않습니다. 기가비트 이더넷까지 확장할 수 있습니다.
EtherCAT은 PCI를 대체합니다:
PC 부품 소형화 개발이 가속화됨에 따라 산업용 PC의 양은 주로 필요한 슬롯 수에 따라 달라집니다.
고속 이더넷 대역폭과 EtherCAT 통신 하드웨어(EtherCAT 슬레이브 컨트롤러) 데이터 대역폭의 사용은 새로운 애플리케이션 가능성을 열었습니다. 일반적으로 IPC에 있는 인터페이스는 EtherCAT 시스템의 지능형 인터페이스 터미널로 전송되었습니다. 분산 I/O, 축 및 제어 장치 외에도 필드버스 마스터 스테이션, 고속 직렬 인터페이스, 게이트웨이 및 기타 통신 인터페이스와 같은 복잡한 시스템은 PC의 이더넷 포트를 통해 주소를 지정할 수 있습니다. 프로토콜 변형 제한이 없는 다른 이더넷 장치도 DVS 터미널을 통해 연결할 수 있습니다. 산업용 PC 메인프레임 크기는 점점 작아지고 비용은 낮아지고 있으며 이더넷 인터페이스는 모든 통신 작업을 처리하기에 충분합니다.
분산 필드버스 마스터 터미널을 통한 통합을 위해 PCI 필드버스 장치(PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i 등) 대신 이더넷을 사용하십시오. 필드버스 마스터를 사용하지 않으면 PC에 PCI 슬롯이 절약됩니다.
버스 토폴로지
버스, 트리 또는 스타: EtherCAT은 거의 모든 토폴로지를 지원합니다. 따라서 필드버스에서 파생된 버스 구조는 이더넷에도 사용할 수 있습니다. 버스와 분기 구조의 조합은 특히 시스템 배선에 유용합니다. 모든 인터페이스는 커플러에 위치하므로 추가 스위치가 필요하지 않습니다. 물론 기존의 스위치 기반 스타 이더넷 토폴로지를 사용할 수도 있습니다.
다른 전송 케이블을 사용하면 배선의 유연성을 극대화할 수 있습니다. 유연하고 저렴한 표준 이더넷 플러그인 케이블은 이더넷 모드(100baseTX) 또는 E 버스를 통해 신호를 전송할 수 있습니다. 광섬유(Pfos)는 특수 용도로 사용할 수 있습니다. 이더넷 대역폭(예: 다양한 광학 및 구리 케이블)은 스위치 또는 미디어 컨버터와 함께 사용할 수 있습니다. 고속 이더넷의 물리적 특징은 장치가 100미터 떨어져 있는 반면 E-버스는 10미터만 떨어져 있을 수 있습니다. 거리 요구 사항에 따라 Fast Ethernet 또는 E-bus를 선택할 수 있습니다. EtherCAT 시스템은 최대 65535개의 장치를 수용할 수 있으므로 전체 네트워크 크기는 거의 무제한입니다.
토폴로지를 자유롭게 선택할 수 있습니다. 배선은 가장 큰 유연성을 가지고 있습니다. 스위치를 사용할지 버스 토폴로지 구조를 사용할지 트리 토폴로지 구조를 사용할지 선택의 조합이 될 수 있습니다. 자동 주소 할당 IP 주소를 설정할 필요가 없습니다.
개방 상태
EtherCAT은 이더넷과 완벽하게 호환될 뿐만 아니라 고유한 개방형 설계 기능을 가지고 있습니다. 다양한 서비스를 제공하는 다른 이더넷 프로토콜과 공존할 수 있으며 모두 동일한 물리적 매체에 공존할 수 있습니다. 전반적인 네트워크 성능. 표준 이더넷 장치는 사이클 시간에 영향을 미치지 않는 스위치 터미널을 통해 EtherCAT 시스템에 연결할 수 있습니다. 전통적인 필드버스 인터페이스가 장착된 장치는 EtherCAT 필드버스 마스터 터미널에 대한 연결을 통해 네트워크에 통합될 수 있습니다. UDP 프로토콜 변형을 사용하면 장치를 모든 슬롯 인터페이스에 통합할 수 있습니다. EtherCAT은 공식 IEC 사양(IEC/PAS62407)으로 인정받은 완전 개방형 프로토콜입니다.