{"id":30166,"date":"2020-01-12T19:49:57","date_gmt":"2020-01-12T19:49:57","guid":{"rendered":"https:\/\/www.logicbus.com.mx\/blog\/?p=30166"},"modified":"2021-06-02T17:28:02","modified_gmt":"2021-06-02T17:28:02","slug":"ethercat-protocolo-de-red-ethernet","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.logicbus.com.mx\/blog\/ethercat-protocolo-de-red-ethernet\/","title":{"rendered":"ETHERCAT"},"content":{"rendered":"

VISI\u00d3N GENERAL<\/strong><\/h2>\n

EtherCAT<\/strong> es un protocolo de red Ethernet\u00a0 que se desarrolla a una velocidad r\u00e1pida, un principio \u00fanico llamado “procesamiento sobre la marcha” le da a EtherCAT<\/strong> un pu\u00f1ado de ventajas \u00fanicas, debido a que los mensajes EtherCAT<\/strong> se pasan antes de procesarse en cada nodo,,el proceso tambi\u00e9n crea flexibilidad en la topolog\u00eda y una sincronizaci\u00f3n incre\u00edble, fuera de las ventajas que se obtienen al “procesar sobre la marcha”, EtherCAT<\/strong> se beneficia de una infraestructura excelent, EtherCAT<\/strong> incluye, entre otras cosas, un protocolo de seguridad y m\u00faltiples perfiles de dispositivos, EtherCAT<\/strong> tambi\u00e9n se beneficia de un grupo de usuarios fuerte, la combinaci\u00f3n de beneficios significa que EtherCAT<\/strong> est\u00e1 preparado para un crecimiento continuo.<\/p>\n

Historia<\/strong><\/h2>\n

Las capas de aplicaci\u00f3n de Ethernet utilizadas en los sistemas de automatizaci\u00f3n industrial y de edificios suelen ser capas de aplicaci\u00f3n semid\u00faplex de \u201cbaja carga \u00fatil\u201d, un mensaje de Ethernet para una capa de aplicaci\u00f3n como Modbus TCP, por ejemplo, puede llevar solo un \u00fanico registro para un dispositivo servidor con poca informaci\u00f3n como un controlador de v\u00e1lvula. En los dispositivos de carga peque\u00f1a como esa, se pierden enormes porciones de ancho de banda ya que no solo se mueven peque\u00f1os paquetes de datos, sino que esos mensajes solo se emiten cuando el dispositivo Cliente o Maestro solicita esa informaci\u00f3n. Modbus TCP es un ejemplo extremadamente ineficiente, pero los mismos tipos de ancho de banda y problemas de carga \u00fatil pueden encontrarse en capas de aplicaci\u00f3n como EtherNet \/ IP y Profinet IO.<\/p>\n

Beckhoff, una compa\u00f1\u00eda de automatizaci\u00f3n alemana, desarroll\u00f3 un sistema de bus de campo llamado Fast Lightbus para corregir el problema de la utilizaci\u00f3n del bajo ancho de banda presente en otros protocolos de Ethernet, este protocolo llev\u00f3 a EtherCAT,<\/strong> que Beckhoff lanz\u00f3 en 2003.<\/p>\n

Grupo de Tecnolog\u00eda EtherCAT<\/strong><\/h2>\n
<\/figcaption><\/figure>\n

En 2004, Beckhoff ayud\u00f3 a crear un nuevo grupo para promover el protocolo EtherCAT,<\/strong> sus esfuerzos llevaron al Grupo de Tecnolog\u00eda EtherCAT,<\/strong> o ETG,\u00a0 Beckhoff don\u00f3 los derechos de EtherCAT<\/strong> a la ETG.<\/p>\n

Las ventajas de la alianza EtherCat Technology Group son numerosas, el ETG puede proporcionar investigaci\u00f3n y avance del protocolo EtherCAT,<\/strong> la ETG tambi\u00e9n publica especificaciones y documentos que permiten a las organizaciones miembros tener mayor \u00e9xito en el uso de EtherCAT.<\/strong><\/p>\n

La ETG tiene su sede en Nuremberg, Alemania, pero tambi\u00e9n tiene oficinas en Jap\u00f3n, China, Corea y Austin, TX.<\/p>\n

Est\u00e1ndares internacionales<\/strong><\/h2>\n

La ETG trabaja con la Comisi\u00f3n Electrot\u00e9cnica Internacional (IEC), sirviendo espec\u00edficamente como enlace para el grupo de trabajo de comunicaciones digitales.\u00a0La asociaci\u00f3n ha llevado a la estandarizaci\u00f3n a lo largo de la historia del protocolo EtherCAT.<\/strong><\/p>\n

En 2005, EtherCAT<\/strong> se estandariz\u00f3 como IEC \/ PAS 62407, esta norma ahora est\u00e1 obsoleta, aunque no se debe a ninguna falla en EtherCAT.<\/strong>\u00a0En cambio, EtherCAT<\/strong> se ha integrado en una serie de otros est\u00e1ndares, un signo de su versatilidad.<\/p>\n

Las normas de bus de campo IEC IEC 61158 e IEC 61784-2 incluyen EtherCAT<\/strong> a partir de 2007, EtherCAT<\/strong> tambi\u00e9n se incluye en la norma publicada ISO 15745-4.<\/p>\n

Principio fundamental<\/strong><\/h2>\n

El principio fundamental de EtherCAT<\/strong> es la lectura de paso,\u00a0 pasar a trav\u00e9s de la lectura significa que los mensajes no est\u00e1n destinados a un solo nodo y son consumidos por ese nodo,\u00a0 en su lugar, los mensajes se transmiten al siguiente nodo en una cadena a medida que se procesan. Los datos de entrada a un nodo se leen a medida que el mensaje se procesa y los datos de salida se insertan en el mensaje al siguiente nodo.<\/p>\n

EtherCAT<\/strong> Master emite un solo mensaje con datos para todos los nodos, a medida que el mensaje se transmite alrededor del anillo y de vuelta hacia el Maestro, cada nodo lee sus entradas y agrega sus salidas al mensaje, cuando el mensaje vuelve al Maestro EtherCAT,<\/strong> cada nodo en la red ha recibido nuevos datos de entrada del Maestro y ha devuelto nuevos datos de salida al Maestro.\u00a0Sin la deficiencia de peque\u00f1as cargas \u00fatiles o mensajes dirigidos a nodos espec\u00edficos, una red EtherCAT<\/strong> puede lograr la m\u00e1xima utilizaci\u00f3n del ancho de banda.<\/p>\n

Una red EtherCAT<\/strong> puede compararse con un ferrocarril donde cada estaci\u00f3n puede descargar y volver a cargar los vagones del tren mientras el tren se mueve a trav\u00e9s de la estaci\u00f3n.<\/p>\n

Tecnolog\u00eda de auto terminaci\u00f3n<\/strong><\/h2>\n

EtherCAT<\/strong> utiliza la capa f\u00edsica est\u00e1ndar IEEE 802.3,\u00a0 no se requiere hardware especial para implementar una red EtherCAT.<\/strong><\/p>\n

Los conmutadores externos no se utilizan en una red EtherCAT,<\/strong> en su lugar, cada dispositivo EtherCAT<\/strong> incorpora un interruptor, cada dispositivo tiene dos puertos RJ45, un RJ45 est\u00e1 conectado al nodo anterior en la red y el otro est\u00e1 conectado al siguiente nodo.<\/p>\n

Algo exclusivo de Ethernet es el concepto EtherCAT<\/strong> de redes de terminaci\u00f3n autom\u00e1tica,\u00a0 cualquier nodo que no detecte un nodo siguiente en la cadena terminar\u00e1 autom\u00e1ticamente la red en ese punto, los nodos de terminaci\u00f3n copian los mensajes de la ruta de transmisi\u00f3n del Maestro a la ruta de recepci\u00f3n de los Maestros.<\/p>\n

Las redes EtherCAT<\/strong> se pueden cablear en un anillo si el Maestro tiene dos puertos Ethernet, las redes cableadas en un anillo proporcionan una medida de redundancia. Las roturas de cables en cualquier parte del anillo est\u00e1n cerradas por los puertos ascendentes y descendentes de la ruptura. El Maestro puede detectar la interrupci\u00f3n y enviar mensajes a los dos sub-segmentos nuevos.<\/p>\n

Debido a esta caracter\u00edstica de terminaci\u00f3n autom\u00e1tica, las redes EtherCAT<\/strong> se pueden conectar mediante el uso de varias topolog\u00edas diferentes, incluidas la estrella, la l\u00ednea o el \u00e1rbol.<\/p>\n

Representaci\u00f3n de datos<\/strong><\/h2>\n

C\u00f3mo una red representa datos es una caracter\u00edstica fundamental de una red.\u00a0Es un factor distintivo que debe ser la primera pregunta en la mente de cualquiera que est\u00e9 investigando seriamente una tecnolog\u00eda de red.<\/p>\n

La capa de aplicaci\u00f3n Ethernet con la representaci\u00f3n de datos m\u00e1s sofisticada es CIP.\u00a0Los dispositivos CIP (Common Industrial Protocol) de ODVA utilizan una representaci\u00f3n de datos Objeto \/ Instancia \/ Atributo.\u00a0Al igual que los datos se recogen en los objetos.\u00a0Los conjuntos comunes de esos objetos se especifican como instancias.\u00a0Los elementos de datos dentro de esos objetos son atributos.\u00a0Los objetos tambi\u00e9n pueden tener controladores de eventos y estructuras operativas implementadas como m\u00e1quinas de estado.<\/p>\n

La capa de aplicaci\u00f3n Ethernet con la representaci\u00f3n de datos menos sofisticada es Modbus TCP.\u00a0Al igual que su primo en serie, todos los dispositivos Modbus TCP representan datos como registros o bobinas sin firma de 16 bits.\u00a0Hay versiones de entrada y salida de cada uno.\u00a0Desafortunadamente, hay poca estandarizaci\u00f3n o similitud en los dispositivos Modbus.\u00a0Cada fabricante desarrolla su propio mapa de registro Modbus \u00fanico.<\/p>\n

Profinet IO utiliza una representaci\u00f3n de datos similar a Profibus.\u00a0Cada dispositivo se parece a un bastidor de E \/ S.\u00a0Hay un designador de bastidor, una ranura, un canal y un punto.<\/p>\n

EtherCAT<\/strong> utiliza una representaci\u00f3n de datos muy simple, similar a Modbus.\u00a0Hay un espacio de datos, un espacio de datos enorme, y a cada dispositivo se le asigna una parte de ese espacio de datos.\u00a0A medida que los mensajes se transmiten a trav\u00e9s de la red, asignan su parte del espacio de datos a los datos en el mensaje de Ethernet.<\/p>\n

Marco EtherCAT<\/strong><\/h2>\n
\"Figura
Figura 1: el marco EtherCAT<\/strong> reemplaza la
\nparte de datos\u00a0Ethernet\u00a0de un paquete Ethernet, a menudo datos IP<\/figcaption><\/figure>\n

Para que el chasis EtherCAT<\/strong> siga rodando sin detenerse en cada nodo, el paquete debe contener componentes espec\u00edficos, como los vagones de un tren … Mirando el chasis EtherCAT,<\/strong> su analog\u00eda con un tren es bastante evidente.\u00a0El encabezado act\u00faa como una locomotora.\u00a0Los coches, m\u00e1s su contenido, son datos de DOP.\u00a0El caboose, completo con la informaci\u00f3n de env\u00edo, es el contador de trabajo.<\/p>\n

Todas estas partes encajan simplemente en el marco EtherCAT,<\/strong> y el marco encaja simplemente en un marco Ethernet.\u00a0Ethernet es el medio de transmisi\u00f3n que permite que EtherCAT<\/strong> funcione.\u00a0El marco EtherCAT<\/strong> simplemente reemplaza el marco IP de un mensaje Ethernet est\u00e1ndar.\u00a0Por lo tanto, la trama Ethernet no necesita modificaci\u00f3n, lo que nuevamente contribuye a la flexibilidad para EtherCAT.<\/strong><\/p>\n

Encabezado EtherCAT<\/strong><\/h2>\n

El marco EtherCAT<\/strong> comienza con un encabezado est\u00e1ndar.\u00a0El primer entero es un identificador de longitud.\u00a0Este bit le dice a los nodos cu\u00e1nto tiempo ser\u00e1 la porci\u00f3n EtherCAT<\/strong> del marco.\u00a0La longitud es especialmente importante en un marco EtherCAT;<\/strong>\u00a0la longitud var\u00eda seg\u00fan la cantidad de bytes y nodos de mensajes, al igual que la mayor\u00eda de los vagones de tren del producto alargan el tren.<\/p>\n

La segunda parte del encabezado EtherCAT<\/strong> es un bit reservado, que es seguido por un entero de tipo.\u00a0El tipo entero define el tipo de mensaje, lo que garantiza una interpretaci\u00f3n correcta.<\/p>\n

Datos de DOP<\/strong><\/h2>\n

Despu\u00e9s del encabezado, el marco EtherCAT<\/strong> contiene objetos de datos de proceso o PDO. Los PDO corresponden al n\u00famero de nodos y mensajes dentro del marco. Cada DOP contiene datos para un nodo, el producto dentro del furg\u00f3n. Los DOP tambi\u00e9n se tratan individualmente, indicando a los nodos qu\u00e9 DOP deben tomar.<\/p>\n

Contador de trabajo<\/strong><\/h2>\n

La parte final de un marco EtherCAT<\/strong> es el contador de trabajo.\u00a0Este n\u00famero funciona de la misma manera que una secuencia de verificaci\u00f3n de cuadros.\u00a0El contador de trabajo depende del contenido del marco EtherCAT.<\/strong>\u00a0Al garantizar que el contador de trabajo sea correcto, cada nodo puede asegurarse de que recibe la totalidad de la trama.<\/p>\n

Ventaja: la velocidad<\/strong><\/h2>\n

El principio fundamental de “procesamiento sobre la marcha” detr\u00e1s de EtherCAT<\/strong> proporciona una clara ventaja.\u00a0El retraso que experimentar\u00eda un mensaje en una red Ethernet est\u00e1ndar es mucho mayor que el peque\u00f1o retraso en una red EtherCAT.<\/strong>\u00a0Sin embargo, hay dos cosas importantes a tener en cuenta.\u00a0Primero, hay un retraso.\u00a0El marco EtherCAT<\/strong> no puede moverse continuamente, por lo que cada nodo introduce un peque\u00f1o retraso.<\/p>\n

Segundo, las redes EtherCAT<\/strong> pueden reducirse si es necesario.\u00a0Algunas computadoras pueden tener dificultades para manejar la mayor cantidad de ciclos y la reducci\u00f3n de los tiempos de ciclo que EtherCAT<\/strong> puede ofrecer.\u00a0Sin embargo, la red se puede configurar para que la computadora permita la mayor velocidad con la que estas computadoras pueden operar.<\/p>\n

Como siempre se dice de los n\u00fameros;\u00a0\u201cLas cifras no mienten sino las mentirosas\u201d.\u00a0El otorgamiento de n\u00fameros de rendimiento para una red industrial est\u00e1 abierto a la sospecha, pero generalmente las IO digitales de 1000 se pueden actualizar en 30 microsegundos y los 100 Servos se pueden actualizar a 10 KHz.<\/p>\n

Topolog\u00eda flexible<\/strong><\/h2>\n

El principio de “procesamiento sobre la marcha” de EtherCAT<\/strong> tiene otra ventaja adem\u00e1s de la velocidad.\u00a0Las redes EtherCAT<\/strong> se pueden configurar en muchos tipos de topolog\u00eda.\u00a0Al igual que Ethernet, una topolog\u00eda en estrella es bastante simple.\u00a0Sin embargo, EtherCAT<\/strong> puede extenderse mucho m\u00e1s all\u00e1 de una topolog\u00eda en estrella.<\/p>\n

EtherCAT<\/strong> crea la posibilidad de un sistema de bus de campo utilizando hardware de Ethernet.\u00a0Combinando la topolog\u00eda de bus de campo o troncal con la topolog\u00eda de inicio se crea un nuevo estilo incre\u00edblemente \u00fatil.\u00a0La combinaci\u00f3n de l\u00edneas troncales y sucursales individuales proporciona flexibilidad en la programaci\u00f3n para una red EtherCAT.<\/strong><\/p>\n

EtherCAT<\/strong> tiene redundancia incorporada que compensa las posibles interrupciones en el cableado.\u00a0Cuando una l\u00ednea se rompe, la red puede detectar un corte.\u00a0El marco EtherCAT<\/strong> puede viajar hasta el final de la red y, debido a que los mensajes regresan por el mismo camino en sentido inverso, el marco retrocede y regresa al maestro.\u00a0De esta manera, todas las redes EtherCAT<\/strong> pueden actuar como si estuvieran en una topolog\u00eda en anillo.\u00a0La configuraci\u00f3n de una red EtherCAT<\/strong> en una topolog\u00eda de anillo, a continuaci\u00f3n, agrega otro nivel de redundancia.<\/p>\n

Se podr\u00eda suponer a partir de esta discusi\u00f3n que EtherCAT<\/strong> est\u00e1 limitado a una \u00fanica subred.\u00a0Eso no es verdad.\u00a0Los telegramas EtherCAT<\/strong> se pueden transportar en paquetes UDP enrutables.\u00a0Por supuesto, el enrutamiento introducir\u00e1 m\u00e1s retrasos que tener todos los esclavos EtherCAT<\/strong> en una \u00fanica subred.<\/p>\n

Sincronizaci\u00f3n<\/strong><\/h2>\n

Como qued\u00f3 claro a trav\u00e9s de la publicaci\u00f3n del est\u00e1ndar IEEE 1588 Precision Time Protocol, la sincronizaci\u00f3n ha ganado importancia en la industria de redes industriales.\u00a0La sincronizaci\u00f3n es otra ventaja de los sistemas EtherCAT.<\/strong>\u00a0EtherCAT<\/strong> incluye un mecanismo de reloj distribuido, lo que le otorga un bajo jitter que cumple con las especificaciones de IEEE 1588 sin hardware adicional.<\/p>\n

\"EtherCAT
EtherCAT<\/strong> proporciona sincronizaci\u00f3n.<\/figcaption><\/figure>\n

El mecanismo es posible debido a las marcas de tiempo que cada nodo incluye en el marco EtherCAT.\u00a0Cada nodo adjunta una marca de tiempo al marco EtherCAT<\/strong> dos veces.\u00a0Primero, el nodo esclavo agrega una marca de tiempo cuando recibe el mensaje cuando se env\u00eda a trav\u00e9s de la red.\u00a0Luego, cuando el cuadro regresa a trav\u00e9s de los nodos, cada esclavo agrega otra marca de tiempo.\u00a0El maestro recibe el cuadro con dos sellos de tiempo por esclavo.<\/p>\n

Con la informaci\u00f3n de tiempo, el maestro puede calcular el retraso para cada nodo.\u00a0El maestro repite el c\u00e1lculo para cada trama que env\u00eda.\u00a0A medida que la red opera, el enorme tama\u00f1o de muestra significa que el maestro tiene datos incre\u00edblemente precisos.\u00a0La topolog\u00eda de anillo inherente crea un mecanismo de reloj incre\u00edblemente eficiente que aumenta la precisi\u00f3n con cada mensaje.<\/p>\n

Otras caracter\u00edsticas<\/strong><\/h2>\n

La sincronizaci\u00f3n, la topolog\u00eda flexible y la velocidad son ventajas que EtherCAT<\/strong> tiene debido a su principio de operaci\u00f3n \u00fanico.\u00a0Sin embargo, a trav\u00e9s del trabajo del ETG, EtherCAT<\/strong> tiene algunas otras caracter\u00edsticas distintas que vale la pena mencionar.<\/p>\n

Perfiles de dispositivos<\/strong><\/h2>\n

EtherCAT<\/strong> usa perfiles de dispositivos como Ethernet \/ IP y otros protocolos CIP usan objetos.\u00a0Muchos dispositivos de bus de campo utilizados en redes EtherCAT<\/strong> ya est\u00e1n definidos en CAN.\u00a0EtherCAT<\/strong> es compatible con toda la familia CANopen, otro EtherCAT<\/strong> est\u00e1ndar IEC encaja dentro.\u00a0Adem\u00e1s de CANopen, EtherCAT<\/strong> admite el perfil de unidad Sercos.\u00a0Los perfiles de la unidad le permiten al usuario configurar la red EtherCAT<\/strong> seg\u00fan sus necesidades espec\u00edficas sin “reinventar la rueda”. Los perfiles b\u00e1sicos est\u00e1n predefinidos.<\/p>\n

Protocolo de seguridad<\/strong><\/h2>\n

Otro est\u00e1ndar IEC entre los muchos que describen partes de EtherCAT<\/strong> es IEC 61508. Este est\u00e1ndar describe la Seguridad funcional sobre EtherCAT<\/strong> (FSoE).\u00a0La versi\u00f3n FSoE del protocolo EtherCAT<\/strong> cumple con los requisitos del Nivel de integridad de seguridad 3. Para lograr una mayor seguridad, FSoE agrega informaci\u00f3n de seguridad a la estructura EtherCAT<\/strong> est\u00e1ndar.<\/p>\n

Desarrollo<\/strong><\/h2>\n

Los dispositivos EtherCAT<\/strong> Master pueden desarrollarse utilizando cualquier Ethernet MAC est\u00e1ndar.\u00a0No se necesita ning\u00fan hardware especial.\u00a0Beckoff proporciona un dispositivo PC Master que puede acceder a dispositivos esclavos EtherCAT<\/strong> desde una PC est\u00e1ndar con Windows.\u00a0Los dispositivos esclavos EtherCAT<\/strong> deben utilizar el ASIC (circuito integrado espec\u00edfico de la aplicaci\u00f3n) de EtherCAT<\/strong> para acceder a la red EtherCAT.\u00a0El EtherCAT<\/strong> ASIC est\u00e1 disponible en Beckoff y otros proveedores.<\/p>\n

Costos de Implementaci\u00f3n<\/strong><\/h2>\n

Los costos de hardware para el controlador o dispositivo maestro son limitados, ya que no se requiere hardware especial y cualquier PC habilitada para Ethernet puede usarse como dispositivo maestro.\u00a0Los dispositivos esclavos EtherCAT<\/strong> requieren una inversi\u00f3n bastante grande en dise\u00f1o y desarrollo, ya que el ASIC EtherCAT<\/strong> es un dispositivo de gran tama\u00f1o que es m\u00e1s caro que los microprocesadores est\u00e1ndar habilitados para Ethernet.\u00a0En la implementaci\u00f3n del sistema, EtherCAT<\/strong> puede ser muy rentable.\u00a0No se requieren conmutadores, enrutadores o concentradores adicionales para formar la red EtherCAT<\/strong> y se puede implementar en la topolog\u00eda m\u00e1s adecuada para la aplicaci\u00f3n.<\/p>\n

Resumen<\/strong><\/h2>\n

EtherCAT<\/strong> es un protocolo de capa de aplicaci\u00f3n abierta de alto rendimiento y f\u00e1cil de implementar para aplicaciones Ethernet.\u00a0Sus capacidades de sincronizaci\u00f3n y la utilizaci\u00f3n completa del ancho de banda son muy atractivas para aplicaciones de movimiento donde se requiere la sincronizaci\u00f3n de grandes cantidades de unidades.\u00a0Ahorra gastos de instalaci\u00f3n al eliminar la topolog\u00eda de inicio Ethernet y todos los conmutadores enrutadores y concentradores.\u00a0EtherCAT<\/strong> encaja en el espectro de capas de aplicaci\u00f3n de Ethernet donde el rendimiento, la topolog\u00eda y el costo general de implementaci\u00f3n son factores determinantes.<\/p>\n

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