Tìm hiểu giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT

EtherCAT là một trong các giao thức truyền thông được áp dụng trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay. Trong bài viết hôm nay hãy cùng Onfac tìm hiểu chi tiết về giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT này nhé!

Khái niệm giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) là một mạng mở Ethernet Master/Slave theo thời gian thực. Được phát triển bởi Beckhoff và hiện nay được quản lý bởi EtherCAT Technology Group. Với ưu điểm vượt trội về hiệu suất và linh hoạt EtherCAT là chuẩn mạng phổ biến nhất trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển trong ngành công nghiệp.

EtherCAT thiết lập giới hạn cao cho hiệu suất thời gian thực bằng cách xử lý 1000 I/O phân tán trong 30 µs hoặc 100 trục trong 100 µs, sử dụng cả cáp sợi quang và cáp xoắn. Điều này giúp cho các hệ thống EtherCAT đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian và độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp.

Một trong những ưu điểm nổi bật của EtherCAT là cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và linh hoạt. Nó không yêu cầu cấu trúc mở rộng phức tạp, triển khai theo cấu trúc cây hoặc thả dòng. Và sử dụng cấu trúc liên kết sao cổ điển một cách tiện lợi và hiệu quả. Điều này giúp giảm chi phí triển khai và bảo trì, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất toàn bộ hệ thống. EtherCAT là một công cụ mạnh mẽ để tối ưu hóa sản xuất và tự động hóa trong ngành công nghiệp hiện đại.

Nguyên tắc hoạt động của giao thức EtherCAT

Công nghệ EtherCAT hoạt động theo nguyên tắc “đọc truyền qua”, trong đó mỗi thông điệp được dành cho nhiều nút thay vì chỉ một nút duy nhất. Điều này cho phép các thông điệp truyền lần lượt và chuyển tiếp từ nút này sang nút khác trong một chuỗi khi dữ liệu chưa được xử lý.

Ở dữ liệu đầu vào, một nút sẽ đọc thông điệp được xử lý, trong khi ở dữ liệu đầu ra, thông điệp sẽ được chèn vào và truyền tới nút tiếp theo. EtherCAT Master phát hành chỉ một thông điệp dữ liệu duy nhất cho tất cả các nút trong mạng. Thông điệp sẽ truyền xung quanh và quay trở lại Master, khi đó mọi nút đã nhận và xử lý dữ liệu đầu vào mới từ Master và trả lại dữ liệu đầu ra mới cho Master.

Với việc không có các tải nhỏ hoặc thông điệp được nhắm đến các nút cụ thể, mạng EtherCAT có thể đạt được tối đa hiệu suất sử dụng băng thông. Một cách để mô tả điều này là so sánh với một hệ thống đường sắt. Trong đó mỗi ga có thể hạ tải và sắp xếp lại các toa tàu khi chúng di chuyển qua ga. Điều này giúp tối ưu hóa việc truyền thông và đồng bộ hóa dữ liệu trong mạng EtherCAT. Đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất thời gian thực và đáng tin cậy.

Lý do sử dụng giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT?

Trong công nghiệp tự động hoá EtherCAT có vai trò quan trọng bởi:

• Tốc độ và thời gian phản hồi thấp: EtherCAT được thiết kế để cung cấp thời gian phản hồi cực kỳ thấp, thường chỉ trong vài micro giây. Phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp như trong điều khiển động cơ, robot hành động nhanh, hoặc các quy trình sản xuất đòi hỏi độ chính xác và đồng bộ cao.
• Hiệu suất cao: EtherCAT có khả năng truyền dữ liệu một cách hiệu quả. Cho phép truyền dữ liệu đồng thời và song song qua các nút mạng mà không làm giảm tốc độ. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng trong các hệ thống lớn và phức tạp.
• Linh hoạt và mở rộng: EtherCAT được xây dựng trên nền tảng Ethernet tiêu chuẩn. Giúp giao thức này dễ dàng tích hợp với cơ sở hạ tầng mạng hiện có. Hỗ trợ các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau, tạo ra một môi trường mở rộng cho việc lựa chọn thiết bị và giải pháp.
• Chi phí thấp: Sử dụng công nghệ Ethernet tiêu chuẩn giúp giảm thiểu chi phí cơ sở hạ tầng mạng. Đồng thời, việc linh hoạt trong cấu hình và tích hợp giúp giảm chi phí triển khai và bảo trì.

Các lớp vật lý của giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT

Lớp vật lý là phần cứng truyền tải dữ liệu vật lý qua mạng. Đây là cấp độ điện cốt lõi, tức là cấp độ “cơ khí” của mạng.

Lớp liên kết dữ liệu là nơi dữ liệu được mã hóa thành các gói. Việc triển khai ethernet ở đây vẫn ổn và EtherCAT sử dụng nó. Nhưng sau đó, các lớp khác được người dùng ethernet biết đến như lớp Mạng (IP) và lớp Vận chuyển (TCP và UDP) bị EtherCAT bỏ qua hoàn toàn vì lợi ích của thời gian chu kỳ.
Khía cạnh này và các khía cạnh khác của giao thức là cách EtherCAT giảm thời gian chu kỳ 10 ms của ethernet xuống nhiều bậc độ lớn. Điều này mang lại tốc độ dữ liệu hiệu quả là 100 Mbps .

Tham khảo: Cổng WAN Là Gì? Phân Biệt Cổng WAN Và Cổng LAN, Điểm Khác Nhau Cơ Bản

Sự khác biệt giữa Ethernet và EtherCAT

Cách hoạt động ethernet

Trong mạng ethernet điển hình tại văn phòng hoặc nhà của bạn, về cơ bản, nhiều thiết bị được kết nối ở cùng một cấp độ. Mọi thiết bị gửi dữ liệu qua mạng và mọi thiết bị đều có thể nhận dữ liệu. Mạng có thể có một bộ chuyển mạch kết nối nó với một thiết bị internet cung cấp quyền truy cập vào thế giới bên ngoài.

Tuy rất linh hoạt nhưng mà rất dễ bị quá tải khi nhiều thiết bị gửi hoặc yêu cầu một lượng lớn dữ liệu cùng một lúc. Các tin nhắn quan trọng về thời gian có thể bị chậm lại hoặc thậm chí bị chặn trong những trường hợp đặc biệt.

Cách hoạt động của giao thức EtherCAT hoàn toàn khác

Thiết bị EtherCAT MASTER là thiết bị duy nhất được phép truyền dữ liệu qua mạng. Master gửi một chuỗi dữ liệu qua bus, loại bỏ xung đột dữ liệu của hệ thống ethernet và kết quả là tối ưu hóa tốc độ.

Các Frame EtherCAT được nhúng trong khung Ethernet tiêu chuẩn và được xác định trong trường EtherType theo giá trị 0x88A4. Thiết bị chính là thiết bị duy nhất trong phân đoạn EtherCAT được phép gửi tin nhắn. Thiết bị cấp Slave thêm dữ liệu và gửi Frame (khung) đi cùng, nhưng chúng không thể tự tạo tin nhắn mới.

Các thiết bị EtherCAT Slave xử lý dữ liệu và thêm lại bất cứ thứ gì được chủ nhân yêu cầu và gửi Frame đến node tiếp theo trong vòng.

Node tiếp theo thực hiện chính xác điều tương tự, lấy dữ liệu dành cho nó, đưa dữ liệu cần thiết trở lại khung EtherCAT và gửi nó đến node tiếp theo.

Tốc độ EtherCAT được tăng lên so với ethernet thông thường không chỉ vì chỉ có một thiết bị gửi dữ liệu mà còn vì một kỹ thuật được gọi là “xử lý nhanh chóng”. Trong ethernet thông thường, mỗi thiết bị phải đọc tiêu đề của mỗi tin nhắn để xác định xem dữ liệu có dành cho nó hay không. Sau đó nhập dữ liệu và xử lý theo cách nào đó. Nhưng với việc xử lý nhanh chóng, node sẽ đọc tiêu đề và gửi dữ liệu đồng thời, tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả.

Các hệ thống ứng dụng giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT

EtherCAT được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng thực tế trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển công nghiệp. Như:

• Điều khiển máy móc và dây chuyền sản xuất: EtherCAT được sử dụng để kết nối và điều khiển các cảm biến, động cơ, bộ điều khiển và các thiết bị khác trên dây chuyền sản xuất. 
• Robot công nghiệp: EtherCAT được sử dụng để kết nối và điều khiển các bộ cảm biến, bộ điều khiển chuyển động và các thiết bị khác trên robot. 
• Máy CNC (Máy điều khiển số): EtherCAT được sử dụng để kết nối và điều khiển các trục, bộ chuyển động và các bộ cảm biến. 
• Tự động hóa nhà máy: EtherCAT được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa nhà máy. Để kết nối và điều khiển các thiết bị như van điều khiển, máy nén khí, hệ thống làm mát và các thiết bị khác. 

Hy vọng những thông tin mà Onfac đã chia sẻ ở trên, đã giúp cho bạn đọc hiểu về giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT là gì? Cảm ơn bạn đọc đã xem hết bài viết và hẹn gặp lại các bạn trong những bài viết tiếp theo trong chuyên mục Tin tức của Onfac.

ONFAC - Chuyên cung cấp - ATSCADA - ATBOX - TOUCH PC - ATGATEWAY - SMART IO - MÀN HÌNH HMI...Được khách hàng tin dùng tại Việt Nam.