COMMS - Protocolo EtherCAT

El protocolo de comunicaciones EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) es un bus de campo desarrollado originalmente por Beckhoff Automation. Está diseñado para un control de máquina en tiempo real (incluida en el estándar IEC 61158).

Actualmente, muchos fabricantes de automatización integran este protocolo de alto rendimiento como estándar para sus dispositivos... Por lo que es una red para toda la máquina.

El presente artículo nos introducirá al funcionamiento de EtherCAT. Veremos también cuales son sus principales características, así como las ventajas que ofrece.

¿CÓMO FUNCIONA?

Es una tecnología basada en Ethernet industrial, con una arquitectura maestro-esclavo. 
A los esclavos también se les suele llamar nodos. Se les define por un número de nodo individual. Normalmente estos disponen de dos puertos, uno de entrada y otro de salida.

El maestro envía una trama (única para toda la red) que pasa por cada esclavo. Los nodos leen/escriben en el telegrama los datos a compartir. Lo hacen "al vuelo", en nanosegundos.
El ultimo esclavo detecta un puerto abierto y devuelve el mensaje al maestro directamente.
                                                                    vídeo de interés

Cada uno de los nodos dispone de un reloj distribuido, cuyo tiempo queda también impreso en la trama.
Así pues, el maestro conoce el retraso de comunicaciones que hay entre esclavos, realizando las compensaciones necesarias (jitter inferior a 1us). 

¿INTERCAMBIO DE DATOS?

Hay dos métodos para intercambiar datos del mapeado EtherCAT de los esclavos con el maestro:

- Comunicaciones PDO: Process Data Objects
Listado predefinido de datos que se intercambian cíclicamente entre maestro y esclavo. 
Se utiliza para transferir información en tiempo real con el esclavo (automáticamente y con un período fijo). Pero, si se utilizan en exceso, pueden cargar la red...

- Comunicaciones SDO: Service Data Objects
Este método, consiste en el intercambio de un objeto EtherCAT en un solo ciclo de comunicaciones.
Se utiliza para los datos no críticos, pues permite al maestro leerlos a petición, según lo requiera.
Normalmente se necesita programación en el maestro para ello. 

¿CONFIGURACIÓN?

Para establecer comunicaciones entre maestro y esclavo, comunmente se deben seguir los pasos básicos que se detallan a continuación. 

1) Preparación de hardware
Se debe alimentar el circuito de control de los equipos y conectarlos a la red (cable Ethernet paralelo). 
Confirmar, en los esclavos, que se utilizan los puertos adecuados para la conexión del conector RJ45 (entrada/salida).

2) Importar archivo ESI
En el software del maestro, incluir este archivo de descripción del nodo (.xml).
El fabricante del esclavo es quien debe subministrar este archivo. Contiene toda la información EtherCAT del equipo (nombre del dispositivo, reloj distribuido, etc). Es imprescindible para poderlo enlazar con el maestro.

3) Configurar el esclavo
Dar número de nodo a los equipos para que el maestro pueda reconocerlos.
En EtherCAT se utiliza este número en vez de una dirección IP. Comunmente, puede establecerse por hardware (mediante algún switch físico en el equipo) o desde el software del maestro (utilizando el archivo ESI).

4) Editar mapeado de PDOs
Normalmente los esclavos EtherCAT ya vienen con un mapeado de PDOs predefinidos para intercambiar cíclicamente con el maestro (en el archivo ESI). Pero muchas veces es editable.
Antes de comunicar, confirmar que disponemos de todos los datos que nos interesan en el mapeado del esclavo... También podemos eliminar PDOs que no consideremos necesarias, para no cargar la red.

5) Programar el intercambio de datos
Por último, deben declararse las PDOs de los nodos en el programa del maestro para las lea y escriba automáticamente.
En el caso de requerirse, programar la lectura/escritura de SDOs.
Este punto varia mucho en función del software utilizado.

¿PRECAUCIONES?

Como en la mayoría de buses de campo con medio físico Ethernet, la distancia máxima admisible entre equipos es de 100m.
Aún así, este máximo puede verse afectado por varios factores como el entorno, categoría del cable,etc.

Por especificaciones, el numero máximo de esclavos en la red es de 65535 nodos.
Normalmente, el fabricante del maestro ya da un máximo mucho más restrictivo...

Comunmente, los esclavos, tienen un límite de PDOs que pueden mapearse simultáneamente... 
Esto evita saturar la red, para ello se dispone también de las SDOs.

En algunos fabricantes, la red EtherCAT no admite todas las topologías. Solo pueden conectarse los equipos en cadena.
No obstante, por especificaciones, este bus si que puede admitir trabajar con otros tipos de conexión (p.e. anillo). Pero hay que confirmarlo antes con el proveedor... 

Se pueden utilizar switches EtherCAT específicos para ramificar la red. 
Aunque no comuniquen explícitamente con el esclavo (son elementos pasivos), trabajan como cualquier otro esclavo. Requieren un número de nodo para definirlos y deben constar en la configuración de red del maestro. 

¿PUNTOS FUERTES?

Hay distintos motivos que pueden convencernos para escoger la red EtherCAT al automatizar nuestras máquinas. En la línea de lo que ya se ha comentado...

El rendimiento excepcional, la robustez y la tipología flexible, son las características más destacables.  

También es una tecnología asequible. No se requiere mucho hardware específico respecto a otros buses de campo clásico, por lo que no supone costes adicionales.

Además es sencilla de implementar, pues requiere una configuración muy directa y prácticamente sin programación. Es fácilmente modificable y suele presentar un fácil diagnóstico en el caso de fallos.

Otra principal ventaja es que dispone de seguridad integrada en el bus.
La tecnología es llamada Safety over EtherCAT (FSoE).

Por último, cabe destacar que puede encajar en infinidad de aplicaciones industriales, permitiendo controlar todo el sistema con un único protocolo.