ETHERCAT: TECNOLOGIA ETHERNET PARA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

ETHERCAT: TECNOLOGIA ETHERNET PARA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Adrian Luiz Cinelli

RESUMO:

Com a disseminação da indústria 4.0 onde toda uma fábrica está conectada necessitamos de redes de comunicação cada vez mais rápidas e de confiabilidade para que a comunicação entre as linhas de produção sejam em tempo real. Este artigo tem como objetivo apresentar a tecnologia Ethercat como uma tecnologia que atende os critérios de confiabilidade e que a troca de informações seja rápida, mas também como uma tecnologia de fácil e baixo custo de implementação. Explicando como funciona, o seu protocolo, performance e implementação.

Palavras-chave: Ethercat. Automação Industrial. Redes de Comunicação. Indústria 4.0.

1. Introdução

Ethercat é uma tecnologia de automação industrial em tempo real baseada no domínio Ethernet fornecendo à indústria uma performance em tempo real muito alta. O protocolo foi originalmente desenvolvido pela empresa Beckhoff Automation. Com o passar dos anos e a disseminação do Ethercat devido ao alto nível de automação nas indústrias mundiais criou-se um conselho para o suporte e desenvolvimento da Ethercat formado por muitas companhias como visto em [2].

O domínio Ethernet é baseado em Internet Protocol (IP), onde há vários problemas de segurança como malware e vírus, estes que podem causar graves problemas a uma indústria em caso de algum ataque ao sistema. Já o Ethercat surgiu para eliminar esse problema e com isso é baseado no frame de Ethernet e com isso consegue eliminar este problema.

O Ethercat é um sistema fieldbus de alta velocidade baseado em Ethernet que surgiu para melhorar a automação visto que precisamos de dados para as operações que ocorrem em tempo real. Equipamentos como CNC, robôs industriais entre outros são equipamentos que precisam que a troca de dados seja em tempo real e com isso são alguns dos equipamentos em que o Ethercat pode ser implementado.

O protocolo Ehtercat é a mais rápida tecnologia de ethernet industrial, tendo 1000 I/Os distribuídos em 30μs; 100 servo-eixo a cada 100μs; uso otimizado das portas de Ethernet nos controles, não havendo a necessidade de um hardware extra.[3]

Apresentado em abril de 2003 pela Beckhoff Automation seu protocolo é divulgado pela norma IEC 61158 com requisitos de hard e soft em tempo real. Em meados de novembro de 2003 o Ethercat Technology Group foi criado, e se tornou a maior organização de Ethernet e Fieldbus no mundo[1].

1. Como a Ethercat funciona

O funcionamento básico é: um único frame é suficiente para mandar e receber dados de todos os nós de um fieldbus. O Ethercat mestre é o único no que pode mandar um Ethercat frame, os demais nós apenas enviam adiante os dados pelo field. Este conceito previne delays inesperados e garante a comunicação em tempo real. Cada Ethercat slave lê e insere os dados no frame durante a passagem pelo field. Os atrasos ocorridos no frame apenas ocorrem em virtude do atraso na propagação causado pelo hardware. Devido a utilização do recurso Full

Duplex para o envio de dados, temos uma efetividade de mais de 90% em teoria temos uma efetividade de mais de 100 Mbit/s. O mestre usa um Ethernet Media Access Controller (MAC) padrão, não necessitando de um processador de comunicação adicional, assim é possível que o mestre seja instalado em qualquer plataforma de hardware com uma porta Ethernet disponível, independente de qualquer sistema operacional de tempo real ou software que é usado. O Ethercat slave usa um dispositivo Ethercat Slave Controller (ESC) para processar o frame em tempo real, processo que ocorre exclusivamente no hardware o que torna a rede previsível e independente da implantação do dispositivo escravo individual[4].

1. Protocolo

O protocolo Ethercat é otimizado para processo de dados e que seja transportado dentro do frame de Ethernet. A sequência de dados em cada telegrama é independente de que ordem estejam os terminais de Ethernet na rede da indústria.

O Ethercat incorpora sua carga de dados em um frame de Ethernet padrão, identificado como (0x88A4) no campo EtherType. Visto que o protocolo é usado para otimizar processos cíclicos curtos não se faz necessário o uso de protocolos de pilhas como TCP/IP e UDP/IP conforme mostrado na figura 1[1].

[pic 1]

Figura 1: Ethercat em frame Ethernet padrão (de acordo com IEEE 802.3)

O cabeçalho do datagrama indica qual tipo de acesso o mestre gostaria de executar:

• ler, escrever ou ler-escrever:
• acesso a um dispositivo escravo específico, acessado por meio de endereçamento direto ou por meio de diversos dispositivos escravos por meio de endereçamento implícito.

O endereçamento implícito é usado em processos de troca de dados cíclicos, o dispositivo mestre pode variar a composição do frame e decidir quais dados irá acessar.

Além do uso do princípio mestre/escravo o Ethercat também pode usar comunicação entre controladores ou seja mestre/mestre. As interfaces de dados de ambos os principais mestre/escravo e mestre/mestre são idênticas. Já para o dispositivos de comunicação escravo/escravo, dois mecanismos estão disponíveis, assim os dispositivos Upstream podem se comunicar com dispositivos Downstream em um mesmo ciclo e assim são extremamente rápidos.

1. Performance

Ethercat alcançou novas dimensões no desempenho de rede devido a integração de hardware no escravo e o acesso direto à memória para o controlador de rede no mestre, o processamento completo do protocolo ocorre dentro do hardware e é completamente independente do tempo de execução das pilhas de protocolo, do desempenho da CPU ou do software.

O tempo de atualização para 1000 I/Os é de apenas 30μs, incluído o tempo de ciclo de I/O. Em um único frame de Ethernet podem ser trocados até 1486 bytes de dados de processo, isto é o equivalente a 12000 I/Os digitais, sendo que o tempo que leva para que a transferência esteja completa é de 300μs [6]. Para dados mais detalhados sobre a performance dos