Qu'est-ce qu'EtherCAT ?

EtherCAT industriel hautes performances (Ethernet for Control Automation Technology) est un protocole de communication Ethernet conçu pour les systèmes de contrôle industriels en temps réel.   Il a été lancé par Beckhoff Automation en Allemagne en 2003 et constitue une norme internationale ouverte maintenue et promue par EtherCAT Technology Group (ETG).

Comment fonctionne EtherCAT

Le principe de fonctionnement d'EtherCAT est basé sur la technologie Ethernet standard , mais il utilise une méthode de communication unique qui dépasse les limites du système d'autres solutions Ethernet et rend la transmission de données plus efficace.   Dans un réseau EtherCAT, les données sont transmises via une structure de réseau en anneau ou linéaire.   Chaque appareil esclave lit les données dont il a besoin, puis transmet immédiatement le paquet de données à l'esclave suivant.   Ce processus est appelé « traitement à la volée ».

1. Notions de base

Maître : Le nœud central du réseau de contrôle, responsable de l'envoi des trames de données et du traitement des réponses des esclaves.
Esclave : nœud de périphérique du réseau chargé de recevoir les données du maître et de retransmettre les informations d'état.

2. Transmission des données

Transmission de trames : les trames de données EtherCAT sont générées par le maître et transmises via la liaison esclave.  Chaque esclave lit la partie pertinente de la trame de données au fur et à mesure de son passage et écrit ses données de réponse dans la trame.
Horloge distribuée : EtherCAT utilise la technologie d'horloge distribuée pour synchroniser l'heure de tous les esclaves afin de garantir des performances en temps réel et un contrôle précis du système.

3. Mécanisme de communication

Temps de cycle : Le temps de cycle du réseau EtherCAT est très court (généralement en microsecondes), ce qui peut répondre à des exigences élevées en temps réel.
Efficacité du traitement : chaque esclave traite uniquement les trames de données qui transitent, sans régénérer les trames, réduisant ainsi considérablement les délais de communication

Détails techniques EtherCAT

Format de trame : EtherCAT utilise la structure de trame Ethernet, mais une méthode d'encapsulation spéciale est utilisée à l'intérieur de la trame pour transmettre les données.

Architecture maître-esclave : Un réseau EtherCAT est contrôlé par un maître, qui est chargé d'initialiser la communication et de gérer tous les échanges de données.

Échange de données : l'échange de données s'effectue via un ou plusieurs anneaux logiques, et chaque esclave lit ou écrit des données à partir de la trame en fonction de sa propre adresse.

Horloges distribuées : EtherCAT prend en charge les horloges distribuées, qui sont un mécanisme de synchronisation utilisé pour synchroniser l'heure entre tous les appareils du réseau.

Fonction de diagnostic : les capacités de diagnostic d'EtherCAT dépassent de loin l'Ethernet traditionnel.  Les informations de diagnostic nécessaires peuvent être fournies par la puce de communication EtherCAT (ESC) directement dans les fonctions matérielles ou logicielles, et l'esclave n'a pas besoin de fonctions d'extension particulières.

Principales fonctionnalités d'EtherCAT

①Communication à haut débit

EtherCAT est capable de taux de transmission de données très élevés.   Généralement, il utilise des vitesses Ethernet de 100 Mbit/s ou 1 Gbit/s.

② Traitement efficace des données

Les paquets de données sont traités instantanément lorsqu'ils traversent chaque nœud sans attendre la réception de la totalité de la trame de données.  Étant donné que les trames Ethernet envoyées et reçues compressent une grande quantité de données de l'appareil, le débit de données effectif peut atteindre plus de 90 %.  Grâce à son mécanisme de communication unique, EtherCAT peut atteindre des délais de communication extrêmement faibles, généralement de l'ordre de la microseconde.

③ Performances du réseau

EtherCAT améliore les performances du réseau.  Grâce à l'intégration matérielle esclave et à l'accès direct à la mémoire du contrôleur réseau maître, l'ensemble du processus de traitement du protocole est implémenté dans le matériel, ce qui est totalement indépendant du système d'exploitation en temps réel, des performances du processeur ou de l'implémentation logicielle de la pile de protocoles.  Le temps de mise à jour de 1 000 E/S n'est que de 30 µs (temps de cycle d'E/S compris).  Une seule trame Ethernet peut échanger jusqu'à 1 486 octets de données de processus, ce qui équivaut presque à 12 000 entrées et sorties numériques, et la transmission de ces données ne prend que 300 µs.

④ Précision de synchronisation et performances en temps réel

EtherCAT prend en charge une synchronisation très précise des appareils, ce qui est très important pour les applications nécessitant un contrôle précis (comme le contrôle de mouvement).  EtherCAT peut répondre aux exigences en temps réel de l'automatisation industrielle et effectuer l'échange de données dans un certain délai.

⑤ Topologie flexible

EtherCAT prend en charge une variété de topologies de réseau, notamment la topologie flexible linéaire, arborescente, en étoile ou toute combinaison de celles-ci.  EtherCAT a une structure de réseau simplifiée, ne nécessite pas l'utilisation de commutateurs ou de hubs et les nœuds peuvent être directement connectés en série.  Un réseau EtherCAT peut prendre en charge jusqu'à 65 535 nœuds et la capacité du réseau est presque illimitée.

⑥ Faible coût et entretien facile

Étant donné qu'EtherCAT peut fonctionner sur du matériel Ethernet standard, le coût global du système peut être réduit.  L'efficacité et le temps de mise en service du système de bus de terrain dépendent essentiellement de la capacité de diagnostic.  Le diagnostic et la maintenance du réseau EtherCAT sont relativement simples et un dépannage rapide permet de réduire les temps d'arrêt.

Conversion de la technologie EtherCAT

① EtherCAT implémente Ethernet (EoE)

La technologie EtherCAT possède toutes les caractéristiques des appareils Ethernet standards.  Il est non seulement entièrement compatible avec Ethernet, mais peut également accueillir d'autres services et protocoles Ethernet dans le même réseau de couche physique et présente une bonne ouverture.  Toutes les technologies Ethernet peuvent être appliquées dans l'environnement EtherCAT.  Le réseau EtherCAT est totalement transparent pour les appareils Ethernet et n'a aucune restriction sur les types d'appareils.  Les appareils peuvent être connectés au sein du segment EtherCAT via les ports de commutation.

②EtherCAT implémente CANopen (CoE)

Les appareils et profils d'application CANopen© sont largement utilisés dans une variété de catégories d'appareils et d'applications, telles que les composants d'E/S, les entraînements, les codeurs, les contrôleurs hydrauliques et les profils d'application pour les industries du plastique ou du textile.  EtherCAT peut fournir le même mécanisme de communication que CANopen, y compris un dictionnaire d'objets, un PDO (objet de données de processus), un SDO (objet de données de service) et même une gestion de réseau.  Par conséquent, sur les appareils sur lesquels CANopen est déjà installé, EtherCAT peut être facilement implémenté avec une légère modification, et la plupart du micrologiciel CANopen© peut être réutilisé.  Et les objets peuvent être étendus de manière sélective pour tirer parti de l’énorme bande passante fournie par EtherCAT.

Scénarios d'application

EtherCAT est largement utilisé dans les domaines de l'automatisation industrielle qui nécessitent une communication en temps réel à grande vitesse, tels que : le contrôle des robots, les systèmes de contrôle dynamiques, les machines d'emballage, les machines-outils CNC, les équipements de test et de mesure et les chaînes d'assemblage automobile.

En tant que protocole Ethernet industriel hautes performances, EtherCAT fournit des solutions fiables et efficaces dans les systèmes de contrôle d'automatisation grâce à sa conception de topologie de réseau haute vitesse, à faible latence et flexible.  Au cours des 20 dernières années, le protocole de base d'EtherCAT est resté inchangé et a été étendu de manière entièrement rétrocompatible pour appliquer les principes de la technologie EtherCAT à d'autres niveaux d'application.   Avec le développement de l'Industrie 4.0 et de la fabrication intelligente, le champ d'application d'EtherCAT devrait encore s'étendre.