EtherCAT چیست؟ چه مزایایی در شبکه‌های صنعتی دارد؟

EtherCAT چیست؟ چه مزایایی در شبکه‌های صنعتی دارد؟

EtherCAT یک رقیب جدی در عرصه پروتکل های شبکه صنعتی است. در این مقاله به بررسی این پروتکل و دلیل استقبال گسترده از آن در صنعت پرداخته‌ایم و دلایل تمایز این پروتکل از سایر انواع فیلدباس را بررسی کرده‌ایم.

اتوماسیون‌های صنعتی همواره نیاز به اتصال از طریق شبکه را دارا می‌باشند. این امر همواره چالشی در پیاده سازی آن‌ها می‌باشد. این پروتکل‌ها همواره تلاش می‌کنند تا با حفظ سرعت و امنیت، شکلی سریعتر و قابل اعتمادتر از انتقال داده ایجاد کنند. یکی از کانال‌های ارتباطی که همه این ویژگی‌ها را بهینه می‌کند EtherCAT است.

EtherCAT چیست؟

EtherCAT  یک پروتکل فیلدباس مبتنی بر اترنت است که برای اتصال دستگاه های صنعتی با سرعت بالا طراحی شده است که ارتباط سریع بین کنترل کننده و دستگاه هایی مانند درایوهای سروو (servo drives) یا درایوهای همگام سازی موتور (drives for motor synchronization) را فراهم می‌کند. یکی از مزایای آن این است که می‌تواند از شبکه‌های اترنت برای برقراری ارتباط با دستگاه‌های صنعتی با سرعت بسیار بالا (تقریبا RealTime) استفاده کند.

RealTime  و یا بلادرنگ به این معنی است که تمام اطلاعات بدون تاخیر و با تغییرات بسیار کم در زمان جیتر (jitter time) تحویل داده می شود تا این پروتکل بتواند ارتباط ثابت و پرسرعت را تضمین کند. در حالی که داده‌های بلادرنگ مطلق امکان‌پذیر نیست، برخی از پروتکل‌ها محیط بهتری را برای پاسخ‌های پرسرعت ایجاد می‌کنند.

با توجه به ویژگی های پروتکل EtherCAT اغلب در برنامه های رباتیک، ماشین های بسته بندی، ماشین های مونتاژ خودکار، برنامه های کاربردی ایمنی و موارد دیگر دیده می شود. همه این نمونه های کاربردی یک عامل مشترک دارند: آنها به ارتباط سریع نیاز دارند.

EtherCAT در مقابل Ethernet

EtherCAT بر پایه ‌اساس استاندارد اترنت ساخته شده است. EtherCAT از IEEE 802.3 استفاده می کند که شامل تمام استانداردهای پیوند فیزیکی و داده ای برای برقراری ارتباط با همه دستگاه ها در یک شبکه محلی (LAN)، مانند یک طبقه فروشگاه صنعتی است.

یکی از معایب اصلی مدل اترنت در یک کارخانه، زمان اضافی مورد نیاز برای انتقال و پردازش اطلاعات آدرس‌دهی و همچنین نیازمند بودن پیکربندی بیشتر زیرساخت‌های آن است. سخت‌افزاری مانند هاب‌ها، سوئیچ‌ها و مسیریاب‌ها برای مسیریابی صحیح سیگنال‌ها مورد نیاز است که شبکه ما بایت‌های زیادی را اضافه می‌کنند که باعث کاهش سرعت انتقال می‌شود.

با تجزیه و تحلیل هفت لایه مدل OSI، که در زیر نشان داده شده است و مقایسه EtherCat با یک پکیج TCP/IP ، پروتکل EtherCat تنها از لایه‌های ۱ و ۲ برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کند. در بحث شبکه‌های صنعتی، این داده‌ها مهمترین جزء پیام هستند.

لایه 7	لایه کاربرد یا Application
لایه 6	لایه نمایش یا Presentation
لایه 5	لایه نشست یا Session
لایه 4	لایه انتقال یا Transport
لایه 3	لایه شبکه یا Network
لایه 2	لایه پیوند داده یا DataLink
لایه 1	لایه فیزیکی یا Physical

 

تفاوت EtherCAT و Ethernet در سرعت

در EtherCAT لایه‌های ۳ تا ۷ نسبت به مدل اترنت حذف شده‌اند و این امر باعث کاهش حجم اطلاعات می‌شود. این بهینه سازی تنها به دلیل سادگی شبکه EtherCAT امکان پذیر است. دستگاه ها و تجهیزات صنعتی به چنین اطلاعاتی نیاز ندارند، اما این به این معنی است که یک دستگاه EtherCAT ممکن است در یک شبکه اترنت معمولی وجود نداشته باشد و نتوان آن را در یک شبکه اترنت عادی استفاده کرد.

مقایسه زیر یک فریم استاندارد اترنت را در مقایسه با فریم EtherCAT بررسی می‌کند تا سادگی نسبی EtherCAT را نشان دهد:

فریم اترنت ۸۰۲.۳

Frame Check	Payload	Ethernet Type	Source Address	Dest Address	Preamble
4bytes	Min 46bytes	2bytes	6bytes	6bytes	8bytes

فریم EtherCat

More Data Payloads…	Data Payload	Header
12bytes + data bytes	12bytes + data bytes	2bytes

برای متوجه شدن جدول بالا، انتقال یک عدد صحیح دوتایی (DINT) از یک ماشین به ماشین دیگر یک بار 4 بایتی خواهد بود. در یک پیام اترنت، این مقدار به حداقل 46 بایت افزایش می یابد و کل فریم 72 بایت طول خواهد داشت تا آن 4 بایت داده را منتقل کند

این طول را با یک پیام EtherCAT از 4 بایت داده واقعی در یک بار داده مقایسه کنید. اندازه کل اکنون 18 بایت می‌شود و فقط یک چهارم زمان ارسال همان داده ها از طریق اترنت  مورد نیاز خواهد بود.

تفاوت کارکرد بین EtherCat و فریم  Ethernet

در اترنت، فریم‌ها شامل اطلاعات دستگاه ارسال کننده می‌شود که در سطح شبکه ارسال می‌گردد. در EtherCat، می‌تواند به همه دیوایس‌های متصل ارسال شود با این تفاوت که در هدر یک فریم به نام DataGram، اطلاعاتی در مورد اینکه چه دستگاه‌هایی می‌توانند به داده‌ها دسترسی داشته باشند و میزان دسترسی این‌ دستگاه‌ها ثبت می‌گردد.
ارسال پیام EtherCat از طریق شبکه اترنت امکان پذیر است، اگرچه مزیت اندازه داده‌های کوچک در این روش از بین می‌رود.
قدرت واقعی EtherCAT در یک فرآیند صنعتی زمانی مشخص می‌شود که بخواهیم حجم زیادی از داده را با سرعت بالا با استفاده از قالب‌های پیام استاندارد به اشتراک بگذاریم.

با قرار دادن اطلاعات چندین دستگاه در یک فریم، شبکه فریم‌های کمتری را به همه دستگاه‌ها منتقل می‌کند و تاخیر و لرزش را کاهش می دهد. در اترنت یک فریم برای هر دستگاه ارسال می شود و باید حاوی اطلاعات بیشتری باشد تا به مقصد برسد. سادگی EtherCAT همچنین باعث می شود که اتصال قابل اعتماد باشد. داشتن فریم های بیشتر در شبکه می تواند لرزش را بیشتر کند.

اترنت در یک شبکه با دستگاه‌های زیادی ارتباط برقرار می‌کند و حجم بالایی از اطلاعات مانند تصاویر، فیلم‌ها و غیره را جابه‌جا می‌کند. با این حال، EtherCAT دستگاه‌ها را با سرعت بالاتر با حجم کمتری از اطلاعات مانند رجیسترهای 32 بیتی، ورودی/خروجی آنالوگ، ورودی/خروجی دیجیتال متصل می‌کند. این دقت زمان را با مُهرهای زمانی(timestamps) اضافه می‌کند. EtherCAT می تواند تا 65535 دیوایس را در یک بخش متصل کند، بنابراین در شبکه‌های بزرگ می‌توان از آن استفاده کرد.

تجهیزات شبکه: هاب ها، سوئیچ ها و روترها

برای EtherCAT، داشتن یک تجهیز شبکه مانند سوئیچ برای ارسال داده ضروری نیست. هر دستگاه دو پورت برای اتصال به یکدیگر دارد و همه دستگاه‌ها می‌توانند فریم‌ها را ارسال کنند. با این حال، یک سوئیچ یا هاب همچنان می تواند در صورت لزوم به شبکه متصل شود. توپولوژی های شبکه پشتیبانی شده توسط EtherCAT عبارتند از:

1. Ring
2. Bus
3. Tree
4. Star

با استفاده از توپولوژی حلقه، EtherCAT می‌تواند در صورت رخ‌دادن قطعی در شبکه به کار خود ادامه دهد. این توپولوژی به این معنی است که از دستگاه کنترل کننده اصلی، هر دستگاه زیر یک پورت ورودی و همچنین یک خروجی به دستگاه بعدی دارد. آخرین دستگاه در نهایت یک اتصال به کنترل کننده اصلی دارد. این یک توپولوژی بسیار ساده است و این تجهیزات دارای دو پورت برای ایجاد یک شبکه حلقه بدون نیاز به اضافه کردن تجهیزات شبکه است که می تواند هزینه ها را کاهش دهد. اگر کابل شبکه در اطراف حلقه شکسته شود، همچنان به هر دستگاهی اتصال وجود دارد.

کابل و کانکتورهای EtherCAT

همانطور که قبلا ذکر شد، لایه 1 EtherCAT همان اترنت است. به همین دلیل می توان از کابل ها و کانکتورهای اترنت در شبکه EtherCAT استفاده کرد.

معمولاً استفاده از کابل های استانداردی که برای شبکه اترنت استفاده می شود، توصیه نمی شود. از آنجایی که EtherCat مصارف صنعتی دارد باید از تجهیزاتی استفاده کرد که در محیط صنعتی به خوبی کار کند. یکی از موارد مهم در محیط صنعتی نویز الکترومغناطیسی است. کابل های اترنت صنعتی دارای محافظ‌های رسانا برای جلوگیری از القای الکترومغناطیسی به کابل هستند.

از آنجایی که EtherCAT دارای لایه فیزیکی مشابه با اترنت است، بسته به مشخصات تجهیزات، می توانیم از فیبر نوری برای اتصال دستگاه های این شبکه بسته به نیاز استفاده کرد. این بدان معناست که بسته به ویژگی‌های پورت اترنت و دسته کابل تجهیزات، می‌تواند اطلاعات را با سرعت‌های 10 مگابیت در ثانیه، 100 مگابیت در ثانیه،  1 گیگابیت بر ثانیه یا ۱۰ گیگابیت در ثانیه ارسال کرد.