EtherCAT: Xương sống thời gian thực thúc đẩy AI trong các nhà máy thông minh, robot và các ngành công nghiệp có năng suất cao

Tóm tắt

EtherCAT là một giao thức Ethernet công nghiệp hiệu suất cao, có tính quyết định, cung cấp giao tiếp đồng bộ siêu nhanh, kiến trúc mạng có thể mở rộng và tích hợp đơn giản.

Trong thời đại của các nhà máy thông minh và robot thông minh, các mạng truyền thông phải theo kịp với các yêu cầu thời gian thực ngày càng khắt khe.

EtherCAT – viết tắt của “Ethernet for Control Automation Technology” – nổi bật như một giao thức Ethernet công nghiệp hiệu suất cao đáp ứng những nhu cầu này.

Được phát triển ban đầu bởi Beckhoff Automation và hiện được quản lý bởi Nhóm Công nghệ EtherCAT, EtherCAT đã trở thành một tiêu chuẩn mở được áp dụng rộng rãi cho tự động hóa. Nó dựa vào phần cứng Ethernet tiêu chuẩn IEEE 802.3 (bao gồm các cáp Cat5/Cat6 thông thường và các NIC quen thuộc), điều này giúp giảm chi phí và đảm bảo khả năng tương tác dễ dàng.

Bộ điều khiển chính trong mạng EtherCAT có thể được triển khai trên bất kỳ máy tính nào có cổng Ethernet, và các thiết bị nô lệ EtherCAT được cung cấp sẵn từ nhiều nhà sản xuất.

Việc sử dụng các thành phần hàng hóa có nghĩa là ngay cả những hệ thống rất lớn - có thể lên tới hàng chục nghìn nút trên một đoạn mạng duy nhất - cũng có thể được hỗ trợ với chi phí thấp.

Về bản chất, EtherCAT đảm bảo giao tiếp định đoạt bằng cách chỉ cho phép master gửi khung và để mỗi slave xử lý và chuyển tiếp khung “ngay lập tức” khi nó đi qua.

Trên thực tế, master tập hợp một hoặc nhiều khung Ethernet mỗi chu kỳ và đưa chúng vào mạng, và các khung này sẽ truyền qua từng thiết bị. Mỗi slave đọc dữ liệu dành cho nó và ngay lập tức ghi lại phản hồi của nó vào cùng một khung, tất cả trước khi chuyển tiếp gói tin xuống phía dưới.

Bởi vì điều này xảy ra ở tốc độ dây - mà không cần mỗi thiết bị phải nhận và sau đó phát lại các tin nhắn riêng biệt - nên chi phí giao tiếp cực kỳ thấp.

Không có va chạm hoặc thời gian chờ không thể đoán được như trong Ethernet tiêu chuẩn, vì vậy thời gian chu kỳ rất ngắn và độ jitter rất thấp. Thực tế, EtherCAT có thể đạt được chu kỳ dưới một mili giây ngay cả với hàng trăm thiết bị, đáp ứng các yêu cầu thời gian thực nghiêm ngặt.

Kiến trúc xử lý theo thời gian thực của EtherCAT không chỉ tăng tốc độ mà còn đơn giản hóa thiết kế mạng. Các thiết bị slave thường có hai cổng và có thể được kết nối theo cấu hình nối tiếp, sao, vòng*, cây* hoặc kết hợp, tất cả đều không cần các bộ chuyển mạch mạng chuyên dụng.

Bởi vì mỗi slave chuyển tiếp khung dữ liệu theo cả hai hướng ( tận dụng các cặp full-duplex của cáp ), mạng thực sự hình thành một vòng lặp logic luôn quay lại với master.

Kiến trúc linh hoạt này cho phép các nhà lắp đặt thiết lập các mạng phức tạp – ví dụ, kết nối hàng ngàn cảm biến, mô-đun I/O và bộ điều khiển trên toàn bộ cơ sở – và vẫn duy trì một vòng lặp đơn. Đáng chú ý, EtherCAT hỗ trợ các tính năng nâng cao như thay thế nóng ( thêm hoặc thay thế thiết bị mà không làm ngừng hệ thống ) và các đường dẫn dự phòng để chịu lỗi, giảm thiểu thời gian bảo trì.

Một tính năng chính khác của EtherCAT là đồng bộ hóa độ chính xác cao. Tất cả các thiết bị nô lệ trong mạng chia sẻ một cơ sở thời gian chung nhờ vào công nghệ đồng hồ phân tán. Bộ điều khiển chính ( hoặc một thiết bị nô lệ tham chiếu được chỉ định ) phát ra một tín hiệu đồng hồ mà mọi thiết bị khóa bộ đếm thời gian phần cứng địa phương của nó vào. Những chiếc đồng hồ này được hiệu chuẩn ở phần cứng để độ trôi đồng hồ trên toàn mạng được giữ dưới một micro giây. Với một lần kích hoạt duy nhất, tất cả các thiết bị sau đó cập nhật đầu ra của chúng và ghi lại đầu vào đồng thời. Đối với các nhiệm vụ phối hợp như điều khiển chuyển động nhiều trục hoặc lấy mẫu cảm biến đồng bộ, điều này có nghĩa là mọi bộ truyền động hoặc điểm đo hoạt động chính xác vào cùng một thời điểm. Độ chính xác đồng bộ hóa của EtherCAT thường được đo trong khoảng sub-micro giây, đủ chặt chẽ để điều khiển hàng chục động cơ hoạt động đồng bộ mà không bị trễ.

EtherCAT: Đưa Tự Động Hóa Công Nghiệp Chính Xác Cao, Sẵn Sàng Cho AI Với Hiệu Suất Xác Định Và Kiểm Soát Mở Rộng

Tất cả các thuộc tính này – thời gian xác định, xử lý dữ liệu theo thời gian thực, dây điện linh hoạt và đồng hồ chính xác – khiến EtherCAT đặc biệt phù hợp với tự động hóa do AI điều khiển.

Trong điều khiển chuyển động và robot, giao thức này cho phép chu kỳ cập nhật dưới một phần nghìn giây và hoạt động đa trục đồng bộ chặt chẽ, khiến nó trở nên lý tưởng cho các khớp robot, máy CNC và hệ thống điều khiển servo. Khả năng cập nhật hàng chục bộ điều khiển trong một chu kỳ với độ đồng bộ cấp nan giây đảm bảo chuyển động phối hợp trên các máy móc phức tạp.

Ngoài robotics, EtherCAT được áp dụng rộng rãi trong tự động hóa máy móc chung, kết nối các bộ truyền động servo, cảm biến, bộ truyền động và hệ thống hình ảnh trên nhiều ngành công nghiệp như đóng gói, in ấn, sản xuất chất bán dẫn và dây chuyền lắp ráp. Giao tiếp độ trễ thấp và hệ thống cáp đơn giản của nó giúp đơn giản hóa việc tích hợp các thiết bị bao gồm các mô-đun I/O, van, bộ điều khiển và camera. Thiết bị sản xuất tốc độ cao cũng được hưởng lợi từ EtherCAT, đặc biệt trong các ngành yêu cầu thời gian chính xác và băng thông, chẳng hạn như sản xuất chất bán dẫn, dây chuyền sơn ô tô, hệ thống đóng gói, máy in và điều khiển tua-bin gió. Trong các ứng dụng chất bán dẫn, các hồ sơ thiết bị EtherCAT chuyên biệt thường được triển khai để đồng bộ hóa chặt chẽ chuyển động và đo lường.

Các hệ thống đo lường và thu thập dữ liệu phân phối tận dụng EtherCAT để truyền phát dữ liệu đồng bộ từ các mô-đun I/O tương tự và kỹ thuật số, cảm biến biến dạng và bộ mã hóa đến các bộ điều khiển trung tâm. Khả năng này hỗ trợ các ứng dụng như ghi lại chuyển động, thử nghiệm cấu trúc và giám sát đa cảm biến, nơi thông lượng cao và thời gian chính xác là rất quan trọng. EtherCAT cũng tích hợp một giao thức an toàn chức năng, Fail Safe over EtherCAT (FSoE), cho phép dữ liệu an toàn được xếp hạng SIL3 được truyền trên cùng một mạng, cho phép các bộ điều khiển và I/O có xếp hạng an toàn mà không cần một bus an toàn riêng biệt.

Giao thức mở rộng đến các lĩnh vực khác bao gồm tự động hóa xây dựng, hệ thống năng lượng như năng lượng mặt trời và gió, và kiểm soát hạ tầng trong các đường hầm và đường sắt. Trong tất cả các ứng dụng này, giao tiếp xác định của EtherCAT, độ trễ tối thiểu và đồng bộ hóa mạnh mẽ cung cấp hiệu suất đáng tin cậy cần thiết cho các hệ thống công nghiệp tiên tiến và hệ thống dựa trên AI.

Hơn nữa, EtherCAT cung cấp một loạt các lợi thế làm cho nó trở thành lựa chọn ưu tiên trong tự động hóa công nghiệp. Hiệu suất xác định của nó hỗ trợ thời gian chu kỳ dưới 100 micro giây với độ jitter dưới một micro giây, ngay cả khi xử lý hàng ngàn điểm I/O. Xử lý khung trực tiếp kết hợp với các liên kết Ethernet full-duplex loại bỏ va chạm và trễ, cho phép thời gian chính xác cao cho các vòng điều khiển phức tạp. Sử dụng kênh trong các triển khai thực tế có thể đạt khoảng 90 phần trăm, vượt xa hiệu suất của các mạng Ethernet truyền thống hoặc fieldbus.

Giao thức tương thích với phần cứng Ethernet tiêu chuẩn, cho phép các master hoạt động thông qua các cổng Ethernet thông thường 100 Mbit/s hoặc 1 Gb mà không cần thẻ giao tiếp chuyên dụng. Trong khi các thiết bị slave yêu cầu chip điều khiển EtherCAT chuyên dụng, các thành phần này có giá rẻ và có sẵn rộng rãi dưới dạng ASIC hoặc FPGA. Kiến trúc hai cổng hỗ trợ các bố trí mạng linh hoạt, bao gồm cấu trúc nối tiếp, cây hoặc vòng, mà không cần bộ chuyển mạch bên ngoài. Mạng có thể địa chỉ lên đến 65,535 thiết bị, và các nút có thể được thêm hoặc xóa ngay lập tức, với các chẩn đoán tích hợp giúp nhanh chóng xác định lỗi liên kết hoặc các đoạn lỗi.

Độ tin cậy được nâng cao thông qua các cấu hình vòng cung cấp tính dự phòng đường dẫn, đảm bảo giao tiếp tiếp tục ngay cả khi một cáp bị hỏng. Cáp công nghiệp kết hợp với chẩn đoán nhúng góp phần vào thời gian hoạt động cao của hệ thống. EtherCAT cũng tích hợp các tính năng tiên tiến như đồng hồ phần cứng phân tán cho đồng bộ hóa ở mức nan giây, I/O có thể cắm nóng và chẩn đoán toàn diện, tất cả đều không tốn thêm chi phí. Giao thức bao gồm An toàn qua EtherCAT (FSoE), được chứng nhận đạt tiêu chuẩn SIL3, cho phép giao tiếp có xếp hạng an toàn qua cùng một mạng.

Là một tiêu chuẩn mở theo IEC 61158 và được hỗ trợ bởi Nhóm Công nghệ EtherCAT, giao thức này được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp với hàng chục ngàn sản phẩm tương thích từ hàng trăm nhà cung cấp. Hệ sinh thái rộng lớn này đảm bảo khả năng tương tác và sự sẵn có lâu dài. Phần cứng EtherCAT có chi phí hiệu quả, và độ trễ tối thiểu của giao thức cho phép thông lượng hiệu quả cao ngay cả trên các liên kết 100 Mbit/s. Các giải pháp như EtherCAT P, kết hợp nguồn điện và dữ liệu trên một cáp duy nhất, còn giảm thiểu sự phức tạp của hệ thống và chi phí lắp đặt.

Được Chuyên Gia Khuyến Nghị Cho Tự Động Hóa Hiệu Suất Cao, Đáng Tin Cậy Và Trực Quan

EtherCAT được các chuyên gia trong ngành công nhận rộng rãi về hiệu suất cao và sự đơn giản trong vận hành. Hiệu quả của giao thức của nó, cho phép trao đổi dữ liệu tức thì mà không cần phần cứng master chuyên dụng, cho phép mức băng thông cao hơn nhiều so với các bus trường cũ. Giao thức EtherCAT cốt lõi đã duy trì ổn định hơn hai thập kỷ, với các tính năng mới được thêm vào theo cách giữ lại tính tương thích ngược, đảm bảo độ tin cậy lâu dài cho các hệ thống công nghiệp. Công nghệ này thường được mô tả là trực quan và đơn giản, làm cho nó đặc biệt hấp dẫn đối với các kỹ sư chịu trách nhiệm cho điều khiển và tự động hóa tốc độ cao.

Các chuyên gia tự động hóa nhấn mạnh khả năng thời gian thực của EtherCAT, bao gồm độ jitter tối thiểu, đồng hồ phân phối đồng bộ phần cứng và hỗ trợ cho nhiều nút. Khả năng giao tiếp chính xác, độ trễ thấp của nó đặc biệt phù hợp cho điều khiển chuyển động và robot, nơi việc thay thế các bus trường cũ hoặc mạng Ethernet không xác định cho phép các hồ sơ chuyển động chặt chẽ hơn, thời gian chu kỳ nhanh hơn và hiệu suất hệ thống tổng thể được cải thiện. EtherCAT cũng tạo điều kiện cho việc điều khiển tập trung trên máy tính, khi các bộ điều khiển nhận được một hình ảnh quy trình thống nhất mỗi chu kỳ, loại bỏ nhu cầu thao tác bit thủ công trên CPU máy chủ.

Một số người thực hành lưu ý rằng EtherCAT cần một khoảng thời gian học tập để triển khai đúng cách. Việc sử dụng hiệu quả yêu cầu hiểu biết về cấu hình đồng hồ phân tán, lập kế hoạch mạng và cấu trúc dữ liệu của giao thức, trong khi chẩn đoán và khắc phục sự cố yêu cầu kiến thức chuyên môn. Mặc dù có những cân nhắc này, sự đồng thuận trong ngành cho thấy rằng hiệu suất, khả năng mở rộng và độ chính xác của EtherCAT khiến nó trở thành lựa chọn ưa thích cho các dự án tự động hóa quy mô lớn và hiệu suất cao.

EtherCAT 2026: Mở rộng băng thông, Tích hợp Industry 4.0 và Sự chấp nhận toàn cầu trong ngành công nghiệp

EtherCAT tiếp tục mở rộng sự hiện diện của mình trong tự động hóa công nghiệp, được hỗ trợ bởi một hệ sinh thái đang phát triển nhanh chóng. Hơn 77 triệu nút EtherCAT đã được lắp đặt trên toàn thế giới, với hơn 18 triệu nút được thêm vào chỉ trong năm 2023. Nhóm Công nghệ EtherCAT hiện bao gồm hơn 7.600 công ty thành viên trên 74 quốc gia, biến nó thành cộng đồng bus công nghiệp lớn nhất. Các nhà phân tích dự đoán tỷ lệ tăng trưởng hàng năm khoảng 10% cho các triển khai EtherCAT đến năm 2030, đặc biệt được thúc đẩy bởi các lĩnh vực ô tô, điện tử, hàng không vũ trụ và năng lượng. Bắc Mỹ hiện đang chiếm tỷ lệ khu vực lớn nhất, trong khi thị trường châu Á - Thái Bình Dương đang trải qua sự tăng trưởng nhanh nhất.

Các phát triển gần đây đang nâng cao khả năng của EtherCAT cho các ứng dụng đòi hỏi. Các phần mở rộng Gigabit, EtherCAT G và G10, phủ lên giao thức trên các liên kết Ethernet 1 Gbit/s và 10 Gbit/s, cung cấp băng thông tăng đáng kể trong khi vẫn duy trì tính tương thích hoàn toàn với các thiết bị hiện có. Những biến thể tốc độ cao này được dự kiến sẽ trở nên phổ biến trong các máy móc tiên tiến, bao gồm robot đa trục, máy quét CT X-ray và các dây chuyền sản xuất sản phẩm có tốc độ cao. EtherCAT P, được giới thiệu vào năm 2019, tích hợp hai nguồn cung cấp điện 24 V độc lập với liên kết dữ liệu qua một cáp bốn dây duy nhất, đơn giản hóa việc lắp đặt và giảm chi phí dây điện. Các phiên bản tương lai của EtherCAT P dự kiến sẽ mở rộng hỗ trợ cho các cấu hình tương tự như Power-over-Ethernet và khả năng tương thích thiết bị rộng hơn.

Việc tích hợp với các tiêu chuẩn Industry 4.0 cũng đang tiến triển. Các sáng kiến với OPC UA nhằm mục đích lập bản đồ dữ liệu thiết bị EtherCAT vào các mô hình tiêu chuẩn hóa, cho phép truy cập an toàn vào thông tin I/O và chẩn đoán qua các mạng cấp cao hơn, hệ thống đám mây hoặc nền tảng MES. Giao thức EAP gọn nhẹ của EtherCAT đang được điều chỉnh cho giao tiếp OPC UA Publish/Subscribe theo thời gian thực, cho phép các bộ điều khiển phơi bày I/O mà không cần phần cứng Gateway bổ sung. Các nhà sản xuất phần cứng tiếp tục tích hợp EtherCAT vào các thành phần mới, bao gồm các vi điều khiển với các bộ điều khiển nô lệ gốc và các động cơ servo và stepper hiệu suất cao, củng cố hơn nữa vai trò của EtherCAT trong các hệ thống chuyển động và điều khiển công nghiệp hiện đại. Trong khi Mạng nhạy thời gian đang được các đối thủ khám phá, việc xử lý ngay lập tức của EtherCAT đã cung cấp độ trễ cực thấp và hiệu suất xác định, đảm bảo sự liên quan liên tục của nó như một xương sống thời gian thực cứng trong các máy móc tự động.