EtherCAT : le choix de la performance pour l’Ethernet Industriel

De nos jours, les bus de terrain font partie intégrante de la chaîne de contrôle et commande en temps réel, apportant aussi une manière efficace d’accroître la sécurité du contrôle et de la surveillance du processus de production. Les systèmes de bus de terrain traditionnels (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, SERCOS, etc…) permettent un transfert de données sécurisé et plus ou moins rapide selon le protocole. Toutefois la technologie EtherCAT se développe rapidement car elle apporte un plus en termes de vitesse, de productivité globale, de fiabilité et de transmission en temps réel.

EtherCAT est un bon moyen d’éliminer les goulots d’étranglements des systèmes de bus de terrain conventionnels, en permettant un échange de données direct avec l’application en utilisant la mémoire partagée, sans ajout de matériel complémentaire, puisque qu’il se contente d’adaptateurs de réseau standards.

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) est une technologie temps réel matérielle qui permet le transfert spécifique de données. Il offre des performances temps réel dures et est prévu pour maximiser l’utilisation de transfert de données Ethernet en mode full-duplex à haute vitesse par des paires torsadées ou de la fibre optique pour les besoins de contrôle de processus industriels.

EtherCAT, basé sur le protocole Ethernet, possède des avantages clés tels que la facilité de mise en œuvre, le coût d’exploitation moindre et la standardisation, qui en font une solution parfaite pour les applications industrielles prévues pour maximiser les performances des systèmes de contrôle. Le contrôle d’accès au système repose sur le principe Maître/Esclave, dans lequel le nœud du maître (le système de contrôle) envoie des trames Ethernet aux nœuds esclaves, qui en extraient et y insèrent des données en permanence, à la volée.

Principe de fonctionnement

Un segment EtherCAT est un système Ethernet simple d’un point de vue Ethernet, qui reçoit et envoie des trames Ethernet standards ISO:IEC 8802-3. Ce système Ethernet peut consister en un grand nombre de systèmes EtherCAT esclaves, qui traitent les trames entrantes directement et extraient les données pertinentes pour l’utilisateur, ou insèrent des données et transfèrent la trame au prochain système EtherCAT esclave. Le dernier système EtherCAT esclave à l’intérieur du segment renvoie la trame entièrement traitée, elle est retournée en tant que trame de réponse au maître par le premier système esclave.

Cette procédure utilise le mode full-duplex de l’Ethernet, qui permet la communication dans les deux sens de manière indépendante. La communication directe, sans switch Ethernet, entre un système maître et un segment EtherCAT constitué d’un ou de plusieurs systèmes esclaves peut être établie. Ceci démontre la flexibilité du principe de fonctionnement de l’EtherCAT.

Les fondamentaux d’EtherCAT

Les principales caractéristiques de l’EtherCAT méritent d’être soulignées :

  • L’EtherCAT est considéré comme étant la technologie Ethernet la plus rapide, par la manière dont le protocole est conçu dans le but d’utiliser entièrement les avantages de l’Ethernet industriel.
  • Haute performance :
    EtherCAT est certainement un puissant facteur de productivité : il est conçu pour atteindre un niveau élevé de performance grâce à la flexibilité de sa topologie réseau, les caractéristiques inhérentes au protocole et la manière de cartographier les données. Par exemple, avec un accès mémoire direct (DMA : Direct Memory Access), les données peuvent être transférées entre la carte réseau et le processeur Maître ou Esclave I/O avec une utilisation minimale du CPU. Les esclaves écrivent et lisent les données eux-mêmes et il n’y a qu’un datagramme qui passe au travers de tous les esclaves, et qui est retourné traité au Maître. Cela permet donc de réduire la complexité du Maître et de libérer ses ressources.
  • Technologie low-cost :
    L’EtherCAT est une technologie Ethernet industrielle temps-réel qui ne requiert ni une carte plug-in spéciale pour le Maître, ni un co-processeur et ne consomme que peu de puissance pour son traitement.
    Une connexion Ethernet standard ne nécessite pas de hubs ni même bien souvent de switchs. Les contrôleurs Esclave sont très peu onéreux, dans la gamme de prix des puces Ethernet standards, et de plus en plus intégrés comme périphériques dans les microcontrôleurs récents. Cela assure des coûts matériels les plus bas pour le Maître et des dépenses minimales à l’installation.
  • Topologie des standards Ethernet supportés :
    • Star
    • Line (sans limitation du nombre de nœuds)
    • Tree
    • Droplines
    • Ring
  • Intégration :
    • Avec des bus de terrain et des réseaux grâce à des passerelles :
      • CANopen
      • Raw CAN
      • Ethernet
      • PROFIBUS
    • Avec des outils tiers :
      • Mailbox over UDP
      • Mailbox over TCP
  • Ouverture de la technologie
    • Spécifications des Maîtres ouverte
    • Des centaines de membres ETG (EtherCAT Technology Group) dans le monde entier avec une expertise dans la fabrication d’esclaves et de contrôleurs, dans le développement de logiciels et de firmwares
  • Une technologie mature et stable
    • Une seule version du protocole publiée en 2005
    • Les premiers designs sont toujours valides aujourd’hui

Les solutions ISIT :

Pour vous aider à monter en compétences sur cette technologie et l’appliquer à vos besoins propres, ISIT vous propose une offre complète incluant produits et services :

  • Formations au protocole
  • Conseils en avant-projet
  • Prestations : Spécifications, Mise en œuvre, Réalisation
  • Produits matériels : Passerelles, Interfaces, PC durcis, Modules embarqués
  • Produits logiciels : Piles maître et esclave, Outils d’analyse et de diagnostic

ISIT, membre actif de l’ETG, a noué un partenariat avec un spécialiste de la technologie EtherCAT, la société KOENIG, éditrice de la solution KPA.

Des produits comme KPA EtherCAT Master, KPA EtherCAT Motion et KPA EtherCAT Studio sont disponibles :

  • KPA EtherCAT Master : Pile EtherCAT Master conforme Class A et Class B, incluant toutes les extensions de haut niveau (Hot Connect, Redondance, …)
  • KPA EtherCAT Motion : Librairie pour le motion control sur EtherCAT
  • KPA EtherCAT Studio : Outil de configuration et de diagnostic pour la mise en œuvre des réseaux EtherCAT