EtherCAT® es un protocolo de red determinista basado en Ethernet de alto rendimiento desarrollado por Beckhoff. Está probado en la industria para ofrecer un control determinista de alta velocidad con hardware estándar de 100 base-T y lograr resultados rápidos y consistentes en aplicaciones exigentes. EtherCAT es una tecnología abierta, lo que significa que todo el mundo puede utilizarla, implementarla y beneficiarse de ella. Por ello, los servoaccionamientos EtherCAT se han convertido en una parte esencial del sector del control de movimiento.
EtherCAT está disponible para todos nuestros FlexPro™ familia y muchos de nuestros DigiFlex® Rendimiento™ (familia DP), que funcionan en modo de par, velocidad y posición y ofrecen un control de sintonía total de todos los bucles del servo para lograr el máximo rendimiento para su aplicación.
Los servoaccionamientos habilitados para EtherCAT de montaje en placa también utilizan ADVANCED Interfaz de comunicación multieje de alta velocidad y capacidades de expansión de E/S exclusivas de Motion Controls (tecnologías 'DxM'™ y 'DxI/O'™). Ahora un solo EtherCAT® puede albergar una combinación de hasta 4 ejes de movimiento con 32 entradas digitales, 32 salidas digitales, 4 entradas analógicas y 2 salidas analógicas cada uno. El resultado es una solución de control de movimiento de alto valor altamente integrada para aplicaciones de uno o varios ejes.
ADVANCED Los servoaccionamientos EtherCAT de módulo enchufable de Motion Controls han sido nombrados ganadores en los premios anuales Golden Mousetrap de Design News, en reconocimiento a nuestra innovación en ingeniería y creatividad en el diseño de productos. ADVANCED La última familia de servoaccionamientos de Motion Controls, FlexPro™fue la primera familia de servoaccionamientos diseñada desde el principio con EtherCAT® en mente.
Ventajas de EtherCAT®
Utilización máxima del ancho de banda
El principio fundamental de EtherCAT es la lectura de paso. A diferencia de otros protocolos, en los que el maestro sondea cada nodo individualmente, EtherCAT envía un único mensaje a un nodo que se transmite al siguiente y a los sucesivos hasta que todos los nodos de la red han recibido el mensaje. Esto funciona porque el mensaje contiene la información y las instrucciones para todos los nodos de la red. Cada nodo sólo lee y responde a sus propios datos, y cada nodo también puede enviar información al maestro insertando datos en el mensaje a medida que éste pasa. Por ejemplo, puede añadir al mensaje información sobre la posición, la velocidad y el estado. Los datos añadidos serán leídos por el Maestro una vez que el mensaje pase por todos los nodos y regrese al Maestro.
Cuando el mensaje llega de vuelta al maestro EtherCAT, cada nodo de la red ha recibido nuevos datos de entrada del maestro y ha devuelto nuevos datos de salida al maestro. Una red EtherCAT puede compararse con una vía férrea en la que cada estación puede descargar y recargar vagones mientras el tren sigue en movimiento. Sin la deficiencia de pequeñas cargas útiles o mensajes dirigidos a nodos específicos, una red de servoaccionamientos EtherCAT puede lograr la máxima utilización del ancho de banda.
Velocidad y tiempo real
Todos los paquetes EtherCAT son generados y enviados por el maestro utilizando la transmisión full duplex. Todos los controladores de motor EtherCAT de una red pueden leer y escribir datos en el paquete EtherCAT a su paso, con sólo un breve retardo constante (normalmente menos de 500 ns) para cada dispositivo esclavo (independientemente del tamaño del paquete). Normalmente, se puede acomodar un gran número de esclavos utilizando sólo un paquete, optimizando así el uso del ancho de banda y disminuyendo las tasas de interrupción. Un estudio mostró un tiempo de ciclo mínimo de 50 microsegundos en una red gigabit con 50 dispositivos y 100 bytes de carga útil por dispositivo. Incluso en este ejemplo, en el que el número de nodos y la carga útil son muy superiores a los de un servosistema típico, los tiempos de ciclo siguen siendo más rápidos que las velocidades de actualización del bucle de posición y del bucle de corriente de los servoaccionamientos. Esto significa que la red funciona más rápido que los bucles de control de movimiento, lo que garantiza un verdadero rendimiento en tiempo real.
EtherCAT es lo suficientemente rápido como para funcionar con control distribuido o centralizado
Control distribuido
Con el control de movimiento distribuido, los servoaccionamientos funcionan en modo de velocidad o de posición (a diferencia del modo de par). Esto permite que el controlador primario se centre en los bucles de control externos y deje que los servoaccionamientos se ocupen de los bucles internos. El resultado es una menor sobrecarga computacional necesaria para que el controlador ordene y controle el movimiento, ya que los servoaccionamientos comparten parte de la responsabilidad al cerrar el bucle de velocidad y/o el bucle de posición. Además, el tráfico de red entre los servoaccionamientos y el controlador también se reduce, ya que hay que enviar menos comandos.
El tráfico de red puede reducirse aún más si los accionamientos funcionan en modo PVT. En este modo, los accionamientos reciben una serie de valores de Posición, Velocidad y Tiempo. Cada punto PVT define que en un momento dado, el motor estará en la posición designada y se moverá a la velocidad designada. Los elementos "T" de los puntos PVT pueden ser espaciados en 10 milisegundos, reduciendo así el tráfico de la red. Los accionamientos interpolan entonces entre los puntos. Se pueden enviar múltiples puntos PVT al servoaccionamiento y almacenarlos en un búfer para consumirlos en los momentos adecuados. Con PVT, los accionamientos se encargan de todas las tareas de control de movimiento, y el controlador sólo define la ruta de movimiento. Las redes más lentas, como CANopen, pueden beneficiarse enormemente del control PVT. Con EtherCAT, la red es lo suficientemente rápida como para funcionar con control centralizado o distribuido, dejando a la preferencia del diseñador del sistema la elección del tipo de control que desee.
Control centralizado
En el control centralizado, el controlador envía las órdenes de par a los conductores del motor y cierra todos los bucles. La sobrecarga en términos de requisitos computacionales y tráfico de red es mucho mayor con el control centralizado que con el control distribuido. Afortunadamente, EtherCAT es lo suficientemente rápido como para funcionar con un esquema de control centralizado. Entonces, ¿cuál es la ventaja? ¿Por qué funcionar con control centralizado? En aplicaciones de alto rendimiento, los diseñadores de sistemas pueden querer utilizar algoritmos de control especializados, filtros, feedforward, o quieren seguir las trayectorias de movimiento más de cerca que con movimientos interpolados. El control centralizado ofrece al diseñador del sistema un control completo del control del movimiento en el sistema.
Cableado reducido para E/S, retroalimentación y periféricos
Antes de las redes de alta velocidad en el control de movimiento, los cables de retroalimentación y de señal de los motores y otros dispositivos tenían que llegar hasta el controlador. Si observa un controlador multieje centralizado tradicional, no se sorprenda de encontrar entre 50 y 100 terminales para todos los cables de señal. En un sistema tradicional, cada servoeje necesita al menos 11 cables para volver al controlador:
Encoder con señales diferenciales - A, B, I, potencia = 8 hilos
Señal de mando = 2 hilos
Línea de inhibición = 1 hilos
Por ejemplo: un brazo robótico con 3 ejes de control de movimiento puede convertirse fácilmente en una pesadilla de cableado y fiabilidad. Con los servomotores y accionamientos integrados en cada articulación, habría que pasar al menos 33 cables por el brazo y hasta el controlador. Cuando el haz de cables llegue a la articulación del hombro, será el más grande y el que más cables tenga. Todo el haz de cables tendrá que ser fiable y soportar todas las flexiones y torsiones del brazo. En un brazo robótico real, el número se acerca más a 50-75 si se tienen en cuenta los relés de los frenos, los sensores, la potencia de los servomotores y otros componentes. Cada cable adicional reduce la fiabilidad y dificulta la instalación.
Por suerte, con las redes de alta velocidad como EtherCAT, esto ya no es un problema. El número de cables de señal puede reducirse a 6 para la señal EtherCAT más la alimentación lógica si es necesario. Con los servomotores y servoaccionamientos integrados situados en cada articulación del brazo, los servoaccionamientos EtherCAT pueden actuar como interfaz entre todos los dispositivos periféricos y el controlador. Ni siquiera es necesario que los dispositivos sean compatibles con EtherCAT, siempre que lo sean con el servoaccionamiento. Cualquier señal que el servoaccionamiento vea puede ser interpretada y enviada al controlador. Incluyendo la posición del motor, la velocidad, la corriente del motor y el estado de las E/S. Incluso los sensores analógicos pueden utilizarse como E/S de red utilizando las entradas analógicas de los servoaccionamientos. El convertidor A/D del accionamiento puede convertir la señal analógica en digital y luego enviar el valor al controlador a través de EtherCAT.
Beneficios
- Basado en el estándar Ethernet para 100baseT
- Tiempo real hasta el nivel de E/S
- Posibilidad de múltiples topologías: línea, estrella, árbol, cadena de margaritas, líneas de bajada, que pueden utilizarse en cualquier combinación
- No requiere ningún hardware Ethernet especial: se pueden utilizar tarjetas de interfaz de red (NIC) estándar
- CANopen sobre EtherCAT (CoE) permite utilizar el protocolo CANopen y el conjunto de funciones sobre EtherCAT
- Ethernet sobre EtherCAT (EoE) permite otros servicios y protocolos basados en Ethernet en la misma red física
ADVANCED Capacidades de Motion Controls
- 2x100 Mbit/seg de velocidad máxima
- Velocidad de actualización de 10 kHz
- < 1 ms de fluctuación de fase
Conclusión:
Debido a su rápida velocidad de ciclo, EtherCAT puede utilizarse en esquemas de control centralizados y distribuidos en sistemas de control de movimiento en tiempo real. EtherCAT es lo suficientemente rápido no sólo para asumir el control de movimiento, sino también para transportar los datos de los dispositivos periféricos. La canalización de todos los requisitos de datos a través de EtherCAT puede aumentar la fiabilidad al reducir significativamente el número de cables susceptibles de fallo. EtherCAT es una tecnología abierta que todo el mundo puede utilizar.
