EtherCAT

Nedir

EtherCAT, standart Ethernet donanımı üzerinde çalışan bir gerçek zamanlı saha veri yoludur. Hareket kontrolünde bir makinenin bütün eksenlerini aynı çevrimde, aynı zaman tabanında sürmek gerektiğinde başvurulan haberleşme katmanıdır. SMB TECHNICS, EtherCAT Technology Group üyesidir; aşağıdaki tanımlar bu kuruluşun kendi yayınladığı teknoloji dokümanına dayanır.

EtherCAT'i sıradan bir Ethernet ağından ayıran şey, veriyi tek tek paketlere bölüp her cihaza ayrı bir mesaj göndermemesidir. Tek bir telgraf hattaki bütün cihazların içinden geçer; her cihaz kendisine ait olan alanı bu telgraf akıp giderken okur ve kendi verisini yine akış sırasında aynı çerçeveye yazar. Kuruluşun kendi ifadesiyle: her EtherCAT alt cihazı kendisine adreslenmiş veriyi “akış sırasında” okur ve çerçeve aşağı doğru ilerlerken kendi verisini çerçeveye ekler.

Bu tek cümle, EtherCAT'in bütün karakterini açıklar. Bir eksen eklemek yeni bir mesaj eklemek değil, var olan çerçeveyi birkaç bayt uzatmak demektir. Bu yüzden eksen sayısı arttıkça haberleşme yükü doğrusal olarak patlamaz; çevrim süresi öngörülebilir kalır.

Nasıl çalışır

EtherCAT'in geliştirilmesindeki temel odak, kuruluşun kendi ifadesiyle kısa çevrim süreleri (≤ 100 µs) ve doğru senkronizasyon için düşük seğirme (≤ 1 µs) olmuştur. Hareket kontrolü açısından asıl kritik olan ikinci rakamdır: bir makinede eksenlerin birbirine göre ne kadar hizalı hareket ettiğini belirleyen şey ortalama gecikme değil, gecikmenin çevrimden çevrime ne kadar değiştiğidir. Seğirme büyüdüğünde kontur hatası büyür; iki eksenli bir dairede bu, gözle görülür bir bozulma olarak yüzeye çıkar.

Senkronizasyon dağıtılmış saatlerle (distributed clocks) sağlanır. Ağdaki cihazların saatleri donanım düzeyinde hizalanır ve kuruluşun ifadesiyle saatler birbirine 1 µs'nin çok altında bir farkla eşzamanlı hale gelir. Böylece bir hareket komutu “şimdi” değil “şu zaman damgasında” uygulanır; komutun cihaza ne zaman ulaştığı değil, cihazın onu ne zaman uygulayacağı belirleyicidir.

Verimlilik tarafında, telgrafın azami efektif veri hızı %90'ın üzerine çıkar. Bunun nedeni yine aynı çalışma biçimidir: küçük bir süreç verisi için koca bir Ethernet çerçevesi harcanmaz, birçok cihazın verisi aynı çerçeveyi paylaşır. Tek bir EtherCAT segmentine 65.535 cihaza kadar bağlanabilir; kuruluşun ifadesiyle ağ genişlemesi pratikte sınırsızdır.

Ana cihaz tarafında özel bir haberleşme işlemcisi gerekmez: standart bir Ethernet MAC yeterlidir ve uygulama, Ethernet portu bulunan herhangi bir donanım platformunda gerçeklenebilir. Bu, EtherCAT'i bir kontrolcü için ek donanım maliyeti olmaktan çıkarır.

Kablo yedekliliği kullanıldığında kopma durumları algılanır ve çözülür; kurtarma süresi 15 µs'nin altındadır, yani en kötü ihtimalle tek bir haberleşme çevrimi kesintiye uğrar.

Sürücü tarafında EtherCAT kendi başına yeni bir cihaz modeli icat etmez. CoE (CANopen over EtherCAT) protokolüyle EtherCAT, CANopen standardı EN 50325-4'teki ile aynı haberleşme mekanizmalarını sunar: nesne sözlüğü, PDO eşleme (Process Data Objects) ve SDO (Service Data Objects). Sürücü profili CiA 402 gibi cihaz profilleri de EtherCAT için yeniden kullanılabilir. Pratik sonucu şudur: CANopen dünyasında bilinen sürücü durum makinesi ve çalışma modları EtherCAT üzerinde de aynıdır; protokol değiştirmek uygulama mantığını sıfırdan yazmak anlamına gelmez.

Ne zaman seçilir

EtherCAT'i seçmenin belirleyici ölçütü eksen sayısı ve senkronizasyon ihtiyacıdır. Birden fazla ekseni birbirine göre hizalı hareket ettirmeniz gerekiyorsa — kontur işleme, elektronik kam ve dişli, uçan makas, koordineli robot kinematiği — belirleyici olan çevrim süresi ve seğirme bütçesidir ve bu tam olarak EtherCAT'in tasarlandığı problemdir.

Aynı şekilde, saha katmanının büyümesi bekleniyorsa EtherCAT güvenli seçimdir: sonradan eklenen eksen ve I/O düğümleri mimariyi yeniden kurgulatmaz. Tek eksenli, çevrim süresi kritik olmayan ve haberleşmenin yalnızca başlat/durdur ve durum okuma için kullanıldığı bir makinede ise EtherCAT'in sağladığı belirlenimcilik kullanılmadan kalır; böyle bir uygulamada CANopen ya da Modbus RTU çoğu zaman yeterlidir ve kablolama daha basittir.

Mühendislik tarafında da bir maliyet vardır: topoloji ve kablolama sırası anlamlıdır, tarama sırası cihaz adreslemesini belirler. Bu, EtherCAT'in zayıflığı değil, doğasının bir sonucudur — ama proje planlanırken hesaba katılması gerekir.

SMB tarafında

SMB kataloğunda EtherCAT tek bir seride sıkışmış bir özellik değil, sürücü ailelerinin genelinde bulunan bir varyanttır. SD24-LP ve SD-LP ailelerinin EtherCAT varyantları, SDU3 serisi ve SDE serisinin EtherCAT modelleri aynı mimarinin parçalarıdır; ayrıca hareket kontrolcüsü ve CNC panel PC tarafında da EtherCAT arayüzü bulunur.

Burada altı çizilmesi gereken nokta şudur: SD-LP ailesi aynı sürücüyü EtherCAT, CANopen ve Modbus RTU varyantlarıyla sunar. Yani protokol seçimi bir platform değişikliği değil, bir varyant seçimidir. Bir makinenin ilk sürümünü Modbus RTU ile kurup ikinci sürümde EtherCAT'e geçmek, sürücü ailesini, motorları ve kablolamayı değiştirmeyi gerektirmez.

Aşağıdaki liste sabit yazılmış bir liste değildir: kataloğun EtherCAT düğümüne bağlı ürünlerinden canlı olarak üretilir, dolayısıyla katalog değiştiğinde bu sayfa da değişir.

Sık sorulanlar

EtherCAT için özel bir ağ kartı gerekir mi? Ana cihaz tarafında hayır. Kuruluşun kendi ifadesiyle ana cihaz ek bir haberleşme işlemcisi olmadan standart bir Ethernet MAC kullanır ve uygulama, Ethernet portu bulunan herhangi bir donanım platformunda gerçeklenebilir. Alt cihaz tarafında ise çerçeveyi akış sırasında işleyen özel bir denetleyici bulunur; bu, sürücünün içinde hazır gelir, ayrıca tedarik edilmesi gereken bir parça değildir.

EtherCAT ile normal Ethernet aynı kabloyu paylaşabilir mi? Kablolama altyapısı standart Ethernet altyapısıdır, ancak EtherCAT segmenti kendi trafiğinin belirlenimciliğine dayanır. Pratikte ofis ağıyla saha segmentini ayırmak ve kontrolcü üzerinde ayrı bir port kullanmak doğru yaklaşımdır.

Kaç cihaz bağlanabilir? Tek bir EtherCAT segmentine 65.535 cihaza kadar bağlanabilir; kuruluşun ifadesiyle ağ genişlemesi pratikte sınırsızdır. Gerçek sınır bu sayı değil, çevrim süresi bütçenizdir: her cihazın verisi aynı çerçevede taşındığı için çerçeve uzar ve bir noktada hedeflediğiniz çevrim süresine sığmaz olur.

CANopen'dan EtherCAT'e geçersem uygulama yazılımım ne kadar değişir? Sürücü tarafındaki model büyük ölçüde korunur: CoE ile EtherCAT, CANopen standardı EN 50325-4'teki aynı mekanizmaları — nesne sözlüğü, PDO eşleme ve SDO — sunar ve CiA 402 sürücü profili yeniden kullanılabilir. Değişen şey daha çok topoloji, adresleme ve devreye alma tarafıdır.

Tek bir kablo koparsa ne olur? Kablo yedekliliği kullanıldığında bu durum algılanır ve çözülür; kurtarma süresi 15 µs'nin altındadır, yani en kötü ihtimalle tek bir haberleşme çevrimi kesintiye uğrar.