ايثر كات: العمود الفقري الحقيقي للوقت الذي يدفع الذكاء الاصطناعي في المصانع الذكية، والروبوتات، والصناعات عالية الإنتاجية

باختصار

EtherCAT هو بروتوكول إيثرنت صناعي عالي الأداء وحتمي يوفر اتصالات سريعة جدًا ومتزامنة، وهندسة شبكة قابلة للتوسع، وتكامل مبسط.

في عصر المصانع الذكية والروبوتات الذكية، يجب أن تواكب شبكات الاتصال المتطلبات المتزايدة للزمن الحقيقي.

EtherCAT – اختصار لـ “Ethernet for Control Automation Technology” – يتميز كبروتوكول Ethernet صناعي عالي الأداء يلبي هذه الاحتياجات.

تم تطوير EtherCAT في الأصل بواسطة Beckhoff Automation والآن يتم إدارته بواسطة مجموعة تقنية EtherCAT، وقد أصبح معيارًا مفتوحًا معتمدًا على نطاق واسع لأتمتة العمليات. يعتمد على أجهزة Ethernet القياسية IEEE 802.3 بما في ذلك كابلات Cat5/Cat6 العادية وبطاقات الشبكة المعروفة، مما يساعد في تقليل التكاليف ويضمن سهولة التوافق.

يمكن تنفيذ وحدة التحكم الرئيسية في شبكة EtherCAT على أي جهاز كمبيوتر مزود بمنفذ Ethernet، وتتوفر أجهزة EtherCAT العبد الجاهزة بشكل وفير من العديد من الشركات المصنعة.

استخدام مكونات السلع يعني أنه يمكن دعم أنظمة كبيرة جدًا - ربما تصل إلى عشرات الآلاف من العقد في جزء واحد من الشبكة - بتكلفة منخفضة.

في جوهرها، يضمن EtherCAT الاتصال الحتمي من خلال السماح فقط للرئيسي بإرسال الإطارات وجعل كل تابع يعالج ويعيد توجيه الإطار “بشكل فوري” أثناء مروره.

في الممارسة العملية، يقوم المتحكم بتجميع إطار أو أكثر من إطارات إيثرنت في كل دورة ويحقنها في الشبكة، وتعمل هذه الإطارات على التدفق عبر كل جهاز بالتتابع. كل عبد يقرأ البيانات المخصصة له ويكتب على الفور رده في نفس الإطار، كل ذلك قبل تمرير الحزمة إلى الأسفل.

لأن هذا يحدث بسرعة الأسلاك - دون الحاجة إلى أن يستقبل كل جهاز ثم يعيد إرسال رسائل منفصلة - فإن عبء الاتصال منخفض للغاية.

لا توجد تصادمات أو انتظارات غير متوقعة كما هو الحال في الإيثرنت القياسي، لذا فإن أوقات الدورة قصيرة جداً والاهتزاز ضئيل. في الواقع، يمكن أن تحقق EtherCAT دورات دون المللي ثانية حتى مع مئات الأجهزة، مما يلبي متطلبات الوقت الحقيقي الصارمة.

تُعزز بنية معالجة EtherCAT على الفور السرعة وتبسط أيضًا تصميم الشبكة. عادةً ما تحتوي الأجهزة التابعة على منفذين ويمكن توصيلها في تكوينات خطية، أو نجمي، أو حلقي، أو شجري، أو مختلط، كل ذلك دون الحاجة إلى مفاتيح شبكة مخصصة.

لأن كل خادم يقوم بتمرير الإطارات في كلا الاتجاهين ( مستفيدًا من أزواج الكابلات المزدوجة )، فإن الشبكة تشكل فعليًا حلقة منطقية تعود دائمًا إلى المتحكم الرئيسي.

تسمح هذه الطوبولوجيا المرنة للموصلين بإنشاء شبكات معقدة - على سبيل المثال، ربط آلاف المستشعرات ووحدات الإدخال/الإخراج والمحركات عبر منشأة بأكملها - مع الحفاظ على حلقة ذات دورة واحدة. ومن الجدير بالذكر أن EtherCAT يدعم ميزات متقدمة مثل التبديل الساخن ( وإضافة أو استبدال الأجهزة دون توقف النظام ) ومسارات متكررة لتحمل الأعطال، مما يقلل بشكل أكبر من وقت الصيانة.

الميزة الرئيسية الأخرى لـ EtherCAT هي التزامن عالي الدقة. جميع العبد في الشبكة تتشارك في قاعدة زمنية مشتركة بفضل تقنية الساعة الموزعة. يقوم الماستر ( أو عبد مرجعي معين ) بإرسال إشارة الساعة التي تقفل كل جهاز مؤقت الأجهزة المحلي الخاص به. يتم معايرة هذه الساعات في الأجهزة بحيث يتم الحفاظ على انحراف الساعة عبر الشبكة تحت ميكروثانية واحدة. مع إشارة واحدة، تقوم جميع الأجهزة بتحديث مخرجاتها والتقاط المدخلات في الوقت نفسه. بالنسبة للمهام المنسقة مثل التحكم في الحركة متعددة المحاور أو أخذ عينات المستشعر المتزامنة، فهذا يعني أن كل مشغل أو نقطة قياس تعمل في نفس اللحظة بالضبط. يتم قياس دقة التزامن في EtherCAT غالبًا في نطاق دون الميكروثانية، وهو دقيق بما يكفي للتحكم في العشرات من المحركات التي تتحرك بالتزامن دون أي تأخير.

EtherCAT: دفع الأتمتة الصناعية عالية الدقة، الجاهزة للذكاء الاصطناعي مع أداء حتمي والتحكم القابل للتوسع

تجعل جميع هذه السمات - توقيت حتمي، معالجة البيانات أثناء التنقل، أسلاك مرنة، وساعات دقيقة - EtherCAT مناسبًا بشكل خاص لأتمتة المدفوعة بالذكاء الاصطناعي.

في التحكم في الحركة والروبوتات، يتيح البروتوكول دورات تحديث دون المللي ثانية وتشغيل متعدد المحاور بتزامن دقيق، مما يجعله مثالياً لمفاصل الروبوتات وآلات CNC والأنظمة المدفوعة بواسطة السيرفو. إن قدرته على تحديث العشرات من المحركات في دورة واحدة مع تزامن بمستوى النانو يضمن حركة منسقة عبر الآلات المعقدة.

بجانب الروبوتات، يتم تطبيق EtherCAT على نطاق واسع في أتمتة الآلات العامة، حيث يربط بين محركات السيرفو، وأجهزة الاستشعار، والمشغلات، وأنظمة الرؤية عبر صناعات مثل التعبئة والتغليف، والطباعة، وتصنيع أشباه الموصلات، وخطوط التجميع. إن التواصل منخفض الكمون والأسلاك البسيطة تسهل دمج الأجهزة بما في ذلك وحدات الإدخال / الإخراج، والصمامات، ووحدات التحكم، والكاميرات. كما تستفيد المعدات الإنتاجية عالية السرعة من EtherCAT، خاصة في القطاعات التي تتطلب توقيتًا دقيقًا وعرض نطاق ترددي، مثل تصنيع أشباه الموصلات، وخطوط طلاء السيارات، وأنظمة التعبئة، ومكابس الطباعة، والتحكم في توربينات الرياح. في تطبيقات أشباه الموصلات، يتم غالبًا تنفيذ ملفات تعريف أجهزة EtherCAT المتخصصة لمزامنة الحركة والقياس بدقة.

تستفيد أنظمة القياس الموزعة واكتساب البيانات من EtherCAT لبث بيانات متزامنة من وحدات الإدخال والإخراج التناظرية والرقمية، وأجهزة قياس الإجهاد، والمشفرات إلى وحدات التحكم المركزية. تدعم هذه القدرة التطبيقات مثل التقاط الحركة، واختبار الهياكل، ومراقبة متعددة المستشعرات، حيث تكون السرعة العالية والدقة في التوقيت ضرورية. يتضمن EtherCAT أيضًا بروتوكول سلامة وظيفية، يسمى الأمان الفاشل عبر EtherCAT (FSoE)، والذي يسمح بنقل بيانات السلامة المصنفة SIL3 على نفس الشبكة، مما يمكّن المحركات ووحدات الإدخال والإخراج المصنفة للسلامة دون الحاجة إلى حافلة سلامة منفصلة.

يتم توسيع البروتوكول ليشمل مجالات أخرى بما في ذلك أتمتة المباني، وأنظمة الطاقة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، والتحكم في البنية التحتية في الأنفاق والسكك الحديدية. في جميع هذه التطبيقات، يوفر الاتصال الحتمي لـ EtherCAT، والاهتزاز الأدنى، والتزامن القوي الأداء الموثوق به المطلوب للأنظمة الصناعية المتقدمة المدفوعة بالذكاء الاصطناعي.

علاوة على ذلك، توفر EtherCAT مجموعة من المزايا التي تجعلها خيارًا مفضلًا في أتمتة الصناعة. يدعم أداؤها الحتمي أوقات دورة أقل من 100 ميكروثانية مع تذبذب أقل من ميكروثانية واحدة، حتى عند التعامل مع الآلاف من نقاط الإدخال/الإخراج. يضمن معالجة الإطارات أثناء التنقل جنبًا إلى جنب مع روابط إيثرنت ثنائية الاتجاه القضاء على التصادمات والتأخيرات، مما يتيح توقيتًا دقيقًا للغاية للدورات التحكم المعقدة. يمكن أن تصل نسبة استخدام القناة في النشر العملي إلى حوالي 90 بالمئة، متجاوزة بكثير كفاءة إيثرنت التقليدي أو الشبكات الحقلية.

البروتوكول متوافق مع الأجهزة القياسية لشبكة الإيثرنت، مما يسمح للسادة بالعمل من خلال منافذ إيثرنت التقليدية بسرعة 100 ميجابت في الثانية أو 1 جيجابت في الثانية دون الحاجة إلى بطاقات اتصالات متخصصة. بينما تتطلب الأجهزة التابعة شرائح تحكم EtherCAT مخصصة، فإن هذه المكونات غير مكلفة ومتاحة على نطاق واسع كدوائر متكاملة خاصة أو مصفوفات بوابة قابلة للبرمجة. يدعم بنية المزدوجة المنافذ تخطيطات شبكة مرنة، بما في ذلك تسلسل الدوائر، الأشجار أو الطوبولوجيا الحلقية، دون الحاجة إلى مفاتيح خارجية. يمكن للشبكات معالجة ما يصل إلى 65,535 جهازًا، ويمكن إضافة العقد أو إزالتها في الوقت الفعلي، مع توافر تشخيصات مدمجة تساعد في تحديد الأخطاء في الروابط أو الأجزاء المعطلة بسرعة.

تعزز موثوقية النظام من خلال تكوينات الحلقة التي توفر تكرار المسار، مما يضمن استمرار الاتصال حتى في حالة فشل كابل. تسهم الكابلات الصناعية ذات الجودة العالية مع التشخيصات المدمجة في تحقيق زمن تشغيل مرتفع للنظام. كما يدمج EtherCAT ميزات متقدمة مثل الساعات الصلبة الموزعة للتزامن على مستوى النانو، وإدخال المكونات أثناء التشغيل، والتشخيصات الشاملة، كل ذلك دون أي تكلفة إضافية. يتضمن البروتوكول سلامة عبر EtherCAT (FSoE)، المعتمدة وفقًا لمعيار SIL3، مما يسمح بالاتصالات المعتمدة على السلامة عبر نفس الشبكة.

باعتبارها معيارًا مفتوحًا بموجب IEC 61158 ومدعومة من قبل مجموعة تكنولوجيا EtherCAT، يتمتع البروتوكول بقبول واسع في الصناعة مع وجود عشرات الآلاف من المنتجات المتوافقة من مئات البائعين. يضمن هذا النظام البيئي الواسع التشغيل المتداخل على المدى الطويل والتوافر. تعتبر أجهزة EtherCAT فعالة من حيث التكلفة، ويتيح الحد الأدنى من overhead للبروتوكول تحقيق إنتاجية فعالة عالية حتى على وصلات 100 مbit/s. الحلول مثل EtherCAT P، التي تجمع بين الطاقة والبيانات على كابل واحد، تقلل أيضًا من تعقيد النظام وتكلفة التركيب.

مدعوم من قبل الخبراء للأداء العالي، والموثوقية، والأتمتة البديهية

تُعَد EtherCAT معروفة على نطاق واسع من قبل خبراء الصناعة لأدائها العالي وبساطتها التشغيلية. إن كفاءة بروتوكولها، التي تسمح بتبادل البيانات أثناء التشغيل دون الحاجة إلى أجهزة رئيسية متخصصة، تمكّن مستويات عرض نطاق أعلى بكثير من تلك الخاصة بالحافلات الميدانية القديمة. لقد ظل بروتوكول EtherCAT الأساسي مستقراً لأكثر من عقدين، مع إضافة ميزات جديدة بطرق تحافظ على التوافق العكسي، مما يضمن موثوقية طويلة الأمد للأنظمة الصناعية. غالباً ما تُوصف التقنية بأنها بديهية ومباشرة، مما يجعلها جذابة بشكل خاص للمهندسين المسؤولين عن التحكم عالي السرعة والأتمتة.

يبرز محترفو الأتمتة قدرات EtherCAT الزمنية الحقيقية، بما في ذلك الحد الأدنى من الاهتزاز، والساعات الموزعة المتزامنة مع الأجهزة، والدعم لعدد كبير من العقد. إن اتصالاته ذات الكمون المنخفض والدقيقة تناسب بشكل خاص التحكم في الحركة والروبوتات، حيث يسمح استبدال الحافلات الميدانية القديمة أو الشبكات الإيثيرنت غير الحتمية بملفات حركة أكثر دقة، وأوقات دورة أسرع، وتحسين الأداء العام للنظام. كما يسهل EtherCAT التحكم المركزي القائم على الكمبيوتر، حيث تتلقى المتحكمات صورة عملية موحدة في كل دورة، مما يلغي الحاجة إلى التلاعب اليدوي بالبتات على وحدة المعالجة المركزية المضيفة.

يشير بعض الممارسين إلى أن EtherCAT يتطلب فترة تعلم للنشر السليم. يتطلب الاستخدام الفعال فهم تكوين الساعة الموزعة، وتخطيط بنية الشبكة، وهيكل بيانات البروتوكول، بينما تتطلب التشخيصات وحل المشكلات معرفة متخصصة. على الرغم من هذه الاعتبارات، تشير توافق الصناعة إلى أن أداء EtherCAT وقابلية التوسع والدقة تجعل منه خيارًا مفضلًا لمشاريع الأتمتة الكبيرة وعالية الأداء.

EtherCAT 2026: توسيع النطاق الترددي، تكامل الصناعة 4.0، والتبني الصناعي العالمي

تواصل EtherCAT توسيع وجودها عبر الأتمتة الصناعية، مدعومة بنظام بيئي ينمو بسرعة. تم تثبيت أكثر من 77 مليون عقدة EtherCAT في جميع أنحاء العالم، مع إضافة أكثر من 18 مليون في عام 2023 وحده. تضم مجموعة تكنولوجيا EtherCAT الآن أكثر من 7600 شركة عضوة عبر 74 دولة، مما يجعلها أكبر مجتمع للحافلات الميدانية الصناعية. يتوقع المحللون معدل نمو سنوي يقارب 10% لنشر EtherCAT حتى عام 2030، مدفوعًا بشكل خاص بقطاعات السيارات والإلكترونيات والفضاء والطاقة. تمثل أمريكا الشمالية حاليًا أكبر حصة إقليمية، بينما يشهد سوق آسيا والمحيط الهادئ أسرع نمو.

تعمل التطورات الأخيرة على تعزيز قدرات EtherCAT للتطبيقات المتطلبة. تمتد إضافات جيجابت، EtherCAT G و G10، على البروتوكول فوق وصلات Ethernet بسرعة 1 Gbit/s و 10 Gbit/s، مما يوفر زيادة كبيرة في عرض النطاق الترددي مع الحفاظ على التوافق الكامل مع الأجهزة الحالية. من المتوقع أن تصبح هذه الأنواع عالية السرعة شائعة في الآلات المتقدمة، بما في ذلك الروبوتات متعددة المحاور، أجهزة الأشعة السينية CT، وخطوط التصنيع عالية الإنتاجية. يدمج EtherCAT P، الذي تم تقديمه في عام 2019، مصدرين طاقة مستقلين بجهد 24 فولت مع رابط البيانات عبر كابل رباعي الأسلاك واحد، مما يبسط عملية التركيب ويقلل من تكاليف الأسلاك. من المتوقع أن توسع النسخ المستقبلية من EtherCAT P دعمها لتكوينات الطاقة عبر Ethernet وتوافق الأجهزة الأوسع.

يتقدم التكامل مع معايير الصناعة 4.0 أيضًا. تهدف المبادرات مع OPC UA إلى رسم بيانات جهاز EtherCAT في نماذج موحدة، مما يتيح الوصول الآمن إلى معلومات الإدخال/الإخراج والتشخيص عبر الشبكات العليا، أو أنظمة السحابة، أو منصات MES. يتم تعديل بروتوكول EAP النحيف الخاص بـ EtherCAT للتواصل في الوقت الفعلي عبر نشر/اشتراك OPC UA، مما يسمح لوحدات التحكم بتعريض الإدخال/الإخراج دون الحاجة إلى أجهزة Gateway إضافية. يستمر مصنّعو الأجهزة في تضمين EtherCAT في مكونات جديدة، بما في ذلك المتحكمات الدقيقة مع وحدات التحكم التابعة الأصلية ومحركات السيرفو والمحركات الخطوية عالية الأداء، مما يرسخ دور EtherCAT في أنظمة الحركة والتحكم الصناعية الحديثة. بينما يتم استكشاف الشبكات الحساسة للوقت من قبل المنافسين، يوفر المعالجة الفورية لـ EtherCAT بالفعل زمن استجابة منخفض للغاية وأداء محدد، مما يضمن استمرارية أهميته كعمود فقري حقيقي في الوقت الحقيقي داخل الآلات الآلية.