EtherCAT: mediciones en tiempo real más rápidas para las aplicaciones industriales

El desafío

La preocupación por los costes sigue afectando a toda la industria. Por ello, existe una creciente necesidad de mediciones en tiempo real más rápidas en las aplicaciones industriales.

En la actualidad se usan distintos sistemas basados en el estándar Ethernet, bien conocido en las comunicaciones de oficina. Sin embargo, a menudo resultan ineficientes, ya que no se hace uso de una gran parte del ancho de banda disponible.

Esta falta de eficiencia se debe a dos razones:

  • Los datos se transmiten en paquetes de pequeño tamaño.
  • Además, solo se originan mensajes cuando el dispositivo cliente o maestro del sistema solicita datos. Eso significa que el estándar Ethernet funciona como un sistema de información semidúplex.

La solución

Con la idea de solventar estos problemas, Beckhoff Automation GmbH llevó a cabo un estudio para desarrollar un sistema de bus de campo capaz de trabajar en tiempo real y que hiciera un mejor uso del ancho de banda que los protocolos Ethernet estándar.

El resultado fue EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology): un protocolo de comunicación industrial de alto rendimiento que amplía el estándar IEEE 802.3 Ethernet y que permite transferir datos con una temporización predecible y una sincronización precisa.

La novedad de EtherCAT reside en que los paquetes Ethernet no se reciben, interpretan, procesan y copian en cada dispositivo. El protocolo EtherCAT sigue transportando datos directamente dentro de un frame Ethernet estándar, pero sin cambiar su estructura básica.

Los dispositivos esclavos EtherCAT pueden leer los datos dirigidos a ellos mientras el frame pasa por el nodo del dispositivo. Al mismo tiempo, pueden añadir nuevos datos de entrada, con una demora de unos pocos nanosegundos. Dado que los marcos EtherCAT comprenden datos de muchos dispositivos que funcionan en modo de envío y recepción, la tasa de transmisión de datos real se incrementa hasta más del 90% del ancho disponible. Esto permite aprovechar plenamente las características full duplex de 100BaseTX con velocidades de transmisión de datos efectivas superiores a 100 Mbit/s.

Ventajas

Otra de las ventajas de EtherCAT es que es compatible con toda la familia CANopen y el perfil de dispositivo Sercos. Esto ayuda a los usuarios a configurar fácilmente las redes EtherCAT en función de su aplicación específica modificando perfiles básicos predefinidos.

Además, EtherCAT es compatible con prácticamente cualquier topología, por lo cual resulta apto para una gran variedad de aplicaciones con topología en estrella Ethernet basada en conmutadores estándar. Esto lo convierte en un sistema muy flexible en lo que respecta a cableado, y permite utilizar fácilmente distintos cables. De este modo, resulta sencillo utilizar el ancho de banda completo de una red Ethernet en combinación con conmutadores o convertidores de medios.

Módulos gateway

QuantumX CX27

Para maximizar la eficacia de la adquisición de mediciones en tiempo real con EtherCAT, HBM ha introducido su módulo gateway CX27 como parte de su sistema QuantumX. El módulo CX27 dispone de una conexión EtherCAT con un ajuste módulo/canal para tráfico de datos isócrono. Esto permite ajustar y configurar los canales individuales a través de EtherCAT, a efectos de configuración de canales (SDO) o como método de asignación de datos de proceso (PDO).

Para facilitar el trabajo de los usuarios, la configuración se puede efectuar fácilmente por medio de EtherCAT Studio, una herramienta basada en el sistema König PA, o con ayuda de TwinCAT, que emplea los métodos de Beckhoff. La configuración también se puede llevar a cabo mediante el CD del sistema QuantumX que se suministra o descargando el software oportuno en el sitio web de HBM. Por último, los usuarios también pueden utilizar un escáner de red o información almacenada en la EEPROM para configurar el dispositivo. Todo ello ofrece a los usuarios una gran flexibilidad a la hora de configurar el módulo CX27.

Consideraciones fundamentales

Cuando se solicitan acciones simultáneas en procesos ampliamente distribuidos es muy importante que la temporización de todos los nodos de la red tenga una sincronización exacta.

Para ello, el ajuste de fecha y hora se transmite del reloj maestro a todos los relojes esclavos, y compensa cualquier desajuste mediante el método de sincronización de relojes distribuidos (IEEE 1588).
En un agrupamiento EtherCAT, el reloj maestro se encuentra en un dispositivo esclavo, ya que el maestro debería ser mapeado deliberadamente por componentes estándar. En consecuencia, todos los nodos se pueden sincronizar con un error de menos de 1 ms.

El CX27 cuenta con una opción en el Archivo de descripción del dispositivo (DDF) que activa o desactiva los relojes distribuidos; el valor predeterminado para los relojes distribuidos se configura como activo. Cuando los relojes distribuidos se activan, el maestro de temporización envía el tiempo al esclavo QuantumX y este distribuye la temporización a los módulos. El uso de los relojes distribuidos resulta útil cuando hay que realizar mediciones de forma paralela a través de Ethernet y utilizar el mismo horofechador como referencia.

El uso del CX27 de HBM como esclavo EtherCAT permite utilizar un elevado número de canales o altas velocidades de muestreo. Gracias al potente sistema de adquisición de datos modular QuantumX, el sistema de bus de campo puede transportar hasta 199 señales sincronizadas con una frecuencia de muestreo máxima de 1200 Hz, o 30 canales con una velocidad de muestreo de 4800 Hz.

Conclusión

EtherCAT es un protocolo de capa de aplicaciones abierto, de altas prestaciones y fácil de implantar para las aplicaciones Ethernet. Su inclusión en el módulo CX27 de HBM garantiza que los usuarios puedan aprovechar al máximo las funciones de sincronización cuando se utiliza el ancho de banda completo en aplicaciones compatibles. Resulta especialmente útil cuando es preciso sincronizar una gran cantidad de módulos de medición.

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