EtherCAT là gì? Cách thức hoạt động của giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT

EtherCAT là gì? EtherCAT hay Ethernet for Control Automation Technology là giao thức truyền thông được áp dụng trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay. Vậy EtherCAT hoạt động như thế nào? Sự khác biệt giữa giao thức truyền thông công nghiệp này với Ethernet? Bạn đọc sẽ được biết trong bài viết ngay sau đây!

1. EtherCAT là gì?

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) là một mạng mở Ethernet Master/Slave thời gian thực. EtherCAT cho phép thiết lập giới hạn hiệu suất theo thời gian thực, khả năng xử lý 1000 I/O phân tán trong 30 µs hoặc 100 trục trong 100 µs khi sử dụng cáp sợi quang hoặc cáp xoắn.

EtherCAT sử dụng giao thức Ethernet để truyền dữ liệu nhanh chóng và đồng bộ giữa các thiết bị trong hệ thống. Đặc điểm chính của EtherCAT là khả năng truyền dữ liệu qua nhiều thiết bị trong một chuỗi liên kết (daisy-chain) duy nhất, từ đó giảm đáng kể chi phí cáp và thời gian cài đặt.

Mạng EtherCAT được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng kiểm soát thời gian thực với độ trễ rất thấp và đồng bộ cao. Giao thức này cho phép các thiết bị kết nối, đồng bộ hóa dữ liệu và hoạt động hiệu quả trong các hệ thống tự động hóa phức tạp.

EtherCAT đã trở thành một công nghệ phổ biến trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và được sử dụng trong các ứng dụng như điều khiển động cơ, hệ thống điều khiển máy móc, robot công nghiệp và nhiều ứng dụng khác trong thời đại 4.0 ngày nay.

Tìm hiểu thêm: Độ trễ (Latency) là gì?

2. Lịch sử phát triển của EtherCAT

EtherCAT là viết tắt của cụm từ Ethernet for Control Automation Technology, đây là một giao thức truyền thông trong công nghiệp, ban đầu được phát triển bởi hãng Beckhoff Automation - Một thương hiệu chuyên sản xuất các dòng PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) cho các hệ thống điều khiển thời gian thực và tự động hóa công nghiệp.

EtherCAT ra đời vào năm 2003 bởi Beckhoff Automation, được phát triển dựa trên phiên bản Fieldbus có tên là LightBus vào cuối những năm 1980.  Vào năm 2004, thương hiệu này đã trao quyền cho ETG (EtherCAT Technology Group) – Tổ chức chịu trách nhiệm quảng bá tiêu chuẩn này. Hiện nay EtherCAT được tiêu chuẩn hóa theo IEC 61158.

Tìm hiểu thêm: Giao thức mạng (Protocol) là gì?

3. Tại sao EtherCAT lại quan trọng?

EtherCAT đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp tự động hóa hiện nay bởi một lý do duy nhất đó chính là độ chính xác về thời gian. Việc khởi động hay tắt hệ thống máy móc công nghiệp đòi hỏi khắt khe về sự chính xác 100% trong thời gian, thao tác với độ trễ ở mức thấp nhất. EtherCAT là giao thức truyền thông cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng và đồng bộ giữa các thiết bị trong hệ thống. 

EtherCAT sở hữu những ưu điểm:

• Hiệu suất cao: cấu trúc của giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT nhanh nhất với tốc độ 200 Mbps (chế độ song công Duplex = 100 Mbps x 2).
• Độ chính xác cao về yếu tố thời gian với độ trễ chỉ 1 ns.
• Cấu trúc liên kết linh hoạt: Mô hình EtherCAT có thể được thiết lập theo vòng, thẳng, cây, sao không giới hạn.
• Khả năng mở rộng mạng gần như vô hạn.
• Thao tác dễ dàng: EtherCAT Master sẽ tự động gán địa chỉ node và gửi thông báo đồng bộ thời gian cho từng thiết bị trong mạng. 
• Cấu hình đơn giản: EtherCAT không sử dụng địa chỉ IP hoặc địa chỉ MAC để hoạt động.
• Giá cả phải chăng: EtherCAT có mức giá triển khai tương tự hoặc thấp hơn so với mạng Fieldbus thông thường.

4. Cách thức hoạt động của giao thức EtherCAT

EtherCAT sử dụng cùng một lớp liên kết vật lý và dữ liệu của Ethernet, bao gồm:

• Lớp vật lý là tập hợp của các thiết bị phần cứng có vai trò truyền tải dữ liệu qua mạng.
• Lớp liên kết dữ liệu có vai trò mã hóa dữ liệu thành các gói. EtherCAT sẽ sử dụng Ethernet trong lớp này. Tuy nhiên các lớp Mạng (IP) và lớp truyền tải (TCP và UDP) sẽ bị EtherCAT lược bỏ hoàn toàn để đảm bảo sự chính xác trong chu kỳ thời gian.

Dưới đây là mô tả cơ bản về nguyên tắc hoạt động của EtherCAT:

• Chuỗi liên kết (daisy-chain): Các thiết bị EtherCAT được kết nối thành một chuỗi liên kết vật lý thông qua cáp Ethernet. Mỗi thiết bị slave trong chuỗi nhận dữ liệu từ thiết bị trước đó và chuyển tiếp dữ liệu đến thiết bị kế tiếp trong chuỗi. Điều này cho phép truyền dữ liệu qua các thiết bị một cách nhanh chóng và hiệu quả.
• Frame EtherCAT: Dữ liệu trong mạng EtherCAT được gói gọn trong các frame EtherCAT. Mỗi frame chứa các trường dữ liệu như tiêu đề frame, dữ liệu I/O, dữ liệu điều khiển và kiểm soát, và kiểm tra dư. 
• EtherCAT Master: EtherCAT Master (thiết bị chủ quản) là một thiết bị có khả năng điều khiển toàn bộ mạng EtherCAT. EtherCAT Master tạo ra các frame EtherCAT và gửi chúng xuống chuỗi liên kết thiết bị. Master cũng có khả năng thu thập dữ liệu từ các thiết bị slave và điều khiển chúng theo yêu cầu.
• Thiết bị EtherCAT Slave: Các thiết bị EtherCAT Slave là các thiết bị trong mạng EtherCAT, chẳng hạn như cảm biến, bộ điều khiển, động cơ, hay bất kỳ thiết bị nào khác. Mỗi slave được gắn với một địa chỉ duy nhất và có khả năng truyền và nhận dữ liệu trong các frame EtherCAT.
• Truyền dữ liệu theo thời gian thực: Dữ liệu trong mạng EtherCAT được truyền qua các frame EtherCAT theo thời gian thực. Master gửi frame xuống chuỗi liên kết và các slave nhận và xử lý frame theo thời gian đồng bộ. Điều này đảm bảo tính đồng bộ cao và độ trễ thấp trong truyền thông và kiểm soát.
• Kiểm soát và đồng bộ: EtherCAT Master kiểm soát toàn bộ quá trình truyền thông và đồng bộ hóa dữ liệu trong mạng dựa trên việc gửi các lệnh và yêu cầu đến các EtherCAT Slave phản hồi theo yêu cầu. Điều này cho phép master kiểm soát và tương tác với các thiết bị slave theo yêu cầu của ứng dụng.

5. Sự khác biệt giữa EtherCAT và Ethernet

Bạn đọc có thể tham khảo bảng thông tin sau đã tổng hợp những điểm khác biệt giữa EtherCAT và Ethernet.

Trong mô hình Ethernet nhiều thiết bị được kết nối sẽ có cùng cấp, đồng nghĩa với việc mọi thiết bị đều có thể gửi và nhận dữ liệu qua mạng. Tốc độ truyền tải trong mô hình Ethernet khá cao tuy nhiên dễ bị quá tải dữ liệu khi có nhiều thiết bị cùng gửi hoặc yêu cầu khối lượng lớn dữ liệu cùng lúc.

Bạn đọc có thể tìm hiểu thêm thông tin về Ethernet tại đây

EtherCAT có cách hoạt động hoàn toàn khác:

• Trong mạng sẽ có duy nhất một thiết bị được phép truyền dữ liệu qua mạng chính là thiết bị EtherCAT Master. Thiết bị chủ quản này sẽ gửi một chuỗi dữ liệu qua bus, loại bỏ các xung đột dữ liệu của hệ thống Ethernet để tối ưu hóa tốc độ truyền tải.
• Frame EtherCAT được nhúng trong Frame Ethernet tiêu chuẩn và được xác định trong trường EtherType bằng giá trị 0x88A4. Thiết bị EtherCAT Master là thiết bị duy nhất trong phân đoạn EtherCAT được phép gửi tin nhắn tới các EtherCAT Slave. Các thiết bị cấp Slave có thể thêm dữ liệu và gửi Frame theo đó, tuy nhiên không thể tự tạo tin nhắn mới.
• Các thiết bị EtherCAT Slave sẽ xử lý dữ liệu và bổ sung bất cứ dữ liệu nào được cấp Master yêu cầu. Sau đó Frame dữ liệu sẽ được gửi đi tới node tiếp theo trong vòng liên kết.
• Các node tiếp theo sẽ thực hiện chính xác điều tương tự: nhận dữ liệu cần thiết, bổ sung dữ liệu được yêu cầu vào Frame EtherCAT và chuyển tiếp tới các node tiếp theo. 
• Tốc độ truyền tải của EtherCAT cao hơn so với Ethernet bởi trong mạng liên kết, chỉ có duy nhất một thiết bị chủ quản được gửi dữ liệu. Bên cạnh đó EtherCAT cũng tích hợp kỹ thuật xử lý nhanh chóng. 
• Trong mô hình Ethernet thông thường, mỗi thiết bị trong mạng sẽ cần phải đọc tiêu đề của gói dữ liệu để xác định xem đây có phải gói dữ liệu dành cho nó hay không. Sau đó thiết bị sẽ nhận dữ liệu, bắt đầu quá trình xử lý. Tuy nhiên với kỹ thuật xử lý nhanh chóng, thiết bị node sẽ đọc tiêu đề và gửi dữ liệu đồng thời. Qua đó tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả truyền tải trong mạng.
• EtherCAT cho phép dữ liệu đến và đi từ nhiều thiết bị trong mạng có thể kết hợp thành các khung đơn, giúp tối ưu hóa tốc độ truyền tải
• Nếu một node thiết bị không đủ khả năng xử lý dữ liệu, tốc độ bus có thể được điều chỉnh trực tiếp bởi thiết bị chủ quản EtherCAT Master, qua đó đảm bảo rằng không có bất kỳ dữ liệu nào bị mất.

5.1 Yếu tố đồng hồ phân tán

Một trong những yếu tố khác biệt nhất của EtherCAT khi so sánh với Ethernet chính là đồng hồ phân tán:

• Mỗi node thiết bị sẽ đánh dấu thời gian dữ liệu được nhận và thời gian dữ liệu được gửi đi khi gửi đến node tiếp theo. Vì vậy, khi thiết bị EtherCAT Master nhận lại dữ liệu được tổng hợp từ các node có thể dễ dàng xác định độ trễ của mỗi node trong quá trình truyền tải với độ chính xác cao hơn nhiều lần so với Ethernet.
• Đồng hồ phân tán tích hợp của EtherCAT cung cấp hiệu suất “jitter” chỉ một micro giây (1 µs), tương đương với tiêu chuẩn IEEE 1588 PTP (Giao thức thời gian chính xác) mà không cần triển khai thêm bất kỳ phần cứng nào.

Đọc thêm: IEEE là gì?

5.2 Khả năng chịu lỗi của EtherCAT

EtherCAT cũng có khả năng chịu lỗi tốt được thể hiện qua các yếu tố sau:

Mạng EtherCAT có thể được định cấu hình theo nhiều cách khác nhau, bao gồm cấu trúc liên kết cây, liên kết vòng, liên kết hình sao…

Nếu đầu ra của node cuối không được kết nối với thiết bị chủ quản, dữ liệu sẽ tự động được trả về theo hướng khác thông qua giao thức EtherCAT. Cấu trúc liên kết của mạng EtherCAT rất linh hoạt và chịu được lỗi ở một mức độ đặc biệt. Trong mô hình giao thức truyền thông công nghiệp này không sử dụng thiết bị chuyển mạch Switch. Ngoài ra độ dài của dây cáp kết nối có thể lên đến 100 mét (328 ft) giữa các node mạng, hỗ trợ tối đa cho việc triển khai tại các hệ thống nhà máy, xí nghiệp quy mô vừa - lớn hiện nay.

6. Ứng dụng thực tế của giao thức truyền thông EtherCAT

Hiện nay giao thức truyền thông EtherCAT đã và đang được triển khai tại nhiều quy mô, ngành hàng sản xuất công nghiệp, bao gồm:

• Hệ thống tự động hóa công nghiệp
• Giao thức mạng PLC
• Điều khiển động cơ Servo
• Hệ thống thu thập dữ liệu
• Hệ thống sản xuất tự động bằng Robot
• Hệ thống sản xuất nguyên vật liệu xây dựng
• Hệ thống máy in
• Sản xuất chất bán dẫn
• Nhà máy luyện kim, sản xuất bột giấy & giấy
• Nhà máy điện
• Tua bin gió
• Dây chuyền sản xuất nông nghiệp

7. Tổng kết

Trên đây là những thông tin mà bạn đọc cần biết về giao thức truyền thông EtherCAT. Giao thức này đã và đang được triển khai phổ biến trong nhiều hệ thống sản xuất công nghiệp tự động hóa cao. Đừng quên đón đọc những bài viết mới nhất của Việt Tuấn về các chủ đề CNTT mới nhất.