EtherCAT – el bus de campo Ethernet

2Índice3

Un sistema de bus puede que no lo sea todo …

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EtherCAT de un vistazo

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EtherCAT Technology Group

8¿Por qué utilizar EtherCAT?

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12
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18
20
21

L a tecnología al detalle

EtherCAT: Basado en la tecnología Ethernet¿Cómo funciona EtherCAT?
El protocolo EtherCAT
Topología flexible
EtherCAT P: comunicación y energía en un cable
Distributed-Clocks para una sincronización de alta precisión
Diagnóstico y localización de errores
Requisitos de alta disponibilidad

Un sistema de bus puede que no lo sea todo …

... pero la máquina no es nada sin él.
No solo es una parte central de la arquitectura del sistema, sino que su rendimiento
también determina si el sistema completoes capaz de alcanzar su máximo rendimiento. El sistema de bus es también unfactor clave para determinar los costesdel sistema, el tiempo de puesta en servicio y la solidez. Por esta razón, un buen
ingeniero selecciona la tecnología de bus
adecuada como primer paso para el diseñodel sistema.
Hemos redactado este folleto parapresentarle EtherCAT, el «bus de campo
Ethernet». No solo podrá conoce EtherCAT
más de cerca, sino que también aprenderá
qué es lo que hace que EtherCAT sea elestándar de Ethernet industrial más rápido.
Este folleto también presenta el EtherCAT
Technology Group (ETG), la organizaciónde bus de campo más grande del mundo.
Y lo que es más importante, queremos
mostrarle por qué EtherCAT es la elección
correcta para su aplicación.
Si tiene alguna pregunta, no dudeen ponerse en contacto con nosotros.
Nos apasiona EtherCAT y esperamos
tener noticias suyas.

En nombre del equipo delEtherCAT Technology Group,
Martin Rostan, Directo Ejecutivo,
EtherCAT Technology Group

22 EtherCAT – Vista general del sistema
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26
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31
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Safety over EtherCAT
Perfiles de comunicación
Comunicación a nivel de toda la planta con el protocolo de automatización EtherCAT (EAP)
Integración de otros sistemas de bus
Potenciando la transformación digital con EtherCAT, TSN, Industrie 4.0 e IoT

34 Implementando interfaces EtherCAT
36 Implementando Maestro
38 Implementando Esclavo
40 Conformidad y certificación
43 Contacto

Martin Rostan, Directo Ejecutivo,
EtherCAT Technology GroupEl equipo ETG mundial en una
reunión de estrategia global.

3

4

EtherCAT de un vistazo

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Es de bajo coste

Tecnología abierta

EtherCAT ofrece todas las ventajas delEthernet industrial a precios de bus decampo. ¿Cómo? En primer lugar, EtherCAT
no requiere ningún componente de infraestructura activo. El dispositivo maestro
no requiere una tarjeta de interfaz especial
y los dispositivos esclavos utilizan chips
altamente integrados y económicos, disponibles de una amplia variedad de proveedores. Además, no se requieren costosos
expertos en tecnología de la informaciónpara poner en servicio o mantener elsistema.

EtherCAT es una tecnología abierta estandarizada internacionalmente, lo que significa
que cualquiera es libre de usar la tecnología
en una forma compatible. Sin embargo, que
sea una tecnología abierta no significa que
cualquiera pueda modificar EtherCAT arbitrariamente para satisfacer sus necesidades.
Esto sería el fin de la interoperabilidad.
El EtherCAT Technology Group, laorganización de bus de campo más grandedel mundo, es responsable del desarrollocontinuo de EtherCAT para que siga siendo
abierto e interoperable.

Ethernet industrial

De eficacia probada

EtherCAT también soporta tecnologíasde internet comunes sin poner en peligro
la capacidad de tiempo real de la red.
Su protocolo «Ethernet sobre EtherCAT»
transporta FTP, http, TCP/IP y Co.

EtherCAT se utiliza actualmente en todo
el mundo en una inmensa gama deaplicaciones. EtherCAT se utiliza en elcontrol de máquinas, equipos de medición,
dispositivos médicos, automóviles y máquinas móviles, así como en innumerables
sistemas embebidos.

EtherCAT es una tecnología de Ethernet
industrial de alto rendimiento, bajo costey fácil de usar, que presenta una topología
flexible. Se introdujo en 2003 y desde 2007
es un estándar internacional. El EtherCAT
Technology Group promueve EtherCAT yes responsable de su desarrollo continuo.
EtherCAT es también una tecnología
abierta: cualquiera puede implementarla
o utilizarla.

o cualquier combinación de estas. El rápido
sistema físico de Ethernet permite que dos
dispositivos estén a una distancia de hasta
100 m (330 pies); mayores distancias son
posibles mediante el uso de fibra óptica.
EtherCAT también tiene características adicionales que ofrecen una mayor flexibilidad
topológica, como Hot Connect y Hot Swap
para dispositivos y una redundancia añadida a través de una topología en anillo.

Cómo funciona

Es versátil

El principio funcional clave de EtherCAT
reside en cómo sus nodos procesan las
tramas Ethernet: cada nodo lee los datos
direccionados a él y escribe sus datos denuevo en la trama, todo mientras la trama
se mueve aguas abajo. Esto conduce a una
mejor utilización del ancho de banda (unatrama por ciclo suele ser suficiente para lacomunicación), al tiempo que elimina lanecesidad de conmutadores o hubs.

EtherCAT es adecuado tanto para arquitecturas de sistema centralizadas comodescentralizadas. Soporta comunicaciones
maestro-esclavo, maestro-maestro y
esclavo-esclavo, así como incorpora busesde campo subordinados. A nivel de fábrica,
el Protocolo de Automatización EtherCAT(EAP, del inglés EtherCAT Automation
Protocol) cubre la comunicación, todo
ello con la infraestructura existente.

Rendimiento de la red

Es fácilSeguridad funcional

EtherCAT es la tecnología de Ethernet industrial más rápida gracias a la exclusiva
forma en que procesa las tramas; ninguna
otra tecnología puede superar la utilizaciónde ancho de banda o el correspondiente
rendimiento de EtherCAT.

En comparación con un sistema de bus decampo clásico, EtherCAT es la opción obvia:
las direcciones de los nodos pueden establecerse automáticamente, no hay necesidad de sintonizar la red, y los diagnósticos
integrados con localización de fallos hacen
que la localización de errores sea un juego
de niños. A pesar de estas características
avanzadas, EtherCAT también es más fácilde usar que el Ethernet Industrial: no hayque configurar conmutadores y no serequiere la manipulación completa dedirecciones MAC o IP.

Safety over EtherCAT es como el propio
EtherCAT, esbelto y rápido. La seguridad
funcional se encuentra integrada directamente en el bus con opciones tanto para
lógica de seguridad centralizada comodescentralizada. Gracias al enfoque de«Black-Channel», también está disponible
para otros sistemas de bus.

Topología flexible
Además de su velocidad, una red EtherCAT
puede soportar hasta 65.535 dispositivos
sin imponer restricciones en su topología:
lineal, en bus, en árbol, en estrella –6

En el stand de ETG se presenta
toda la tecnología y variedad
de productos EtherCAT.

ETG organiza reuniones demiembros regularmente.

EtherCAT Technology GroupEl EtherCAT Technology Group mantiene latecnología EtherCAT abierta para todos losusuarios potenciales. Reúne a fabricantes
de dispositivos, proveedores de tecnología y usuarios EtherCAT para impulsar latecnología. Proporciona múltiples Gruposde Trabajo Técnico, donde los expertos
trabajan minuciosamente en varios aspectos específicos de EtherCAT. Todas estas
actividades están enfocadas en un objetivo
común: mantener EtherCAT estable e interoperable. Por esta razón, solo existe unaúnica versión de EtherCAT y no una versión
nueva cada año.
El ETG organiza múltiples Plug Fests
en Europa, Asia y América cada año. Las
Plug Fests reúne a desarrolladores de dispositivos EtherCAT para probar y asegurarla interoperabilidad de los dispositivos.
Utilizando la Herramienta de prueba deconformidad EtherCAT (CTT) oficial, cadafabricante puede realizar pruebas de conformidad de sus dispositivos EtherCAT antes de su lanzamiento. El ETG proporcionaa los fabricantes un Certificado de conformidad tras superar con éxito una prueba
en un laboratorio de prueba acreditado. El
ETG también organiza seminarios y talleresinternacionales y representa a EtherCAT en
ferias de todo el mundo. También proporciona guías de productos, stands colectivos
en ferias y exposiciones en seminarios para
ayudar a sus miembros a comercializar sus
productos EtherCAT.

El ETG es la organización de bus de campo
con el mayor número de miembros de todo
el mundo. La lista de miembros se puede
encontrar en la página web. No obstante,
el factor decisivo no es cuántos miembros
hay, sino cuán activos son los miembrosdel ETG. Tanto el número como la variedad
de dispositivos EtherCAT es enorme y latasa de adopción de EtherCAT en Europa,
Asia y América sobrepasa la de todas lasdemás tecnologías de Ethernet industrial.

Hágase miembro
La membresía de ETG está abierta a todas
las empresas, ya sean fabricantes de dispositivos o usuarios. Los miembros de ETG:
Tienen acceso a las especificaciones
técnicas y al foro del desarrollador
Contribuyen al desarrollo de EtherCAT
mediante grupos de trabajo técnico
Reciben apoyo para la implementacióna través de su oficina ETG local
Reciben paquetes de software gratuito,
herramientas de software y acceso a
productos de desarrollo adicionales
Tienen permitido utilizar los logotiposde EtherCAT y ETG
Pueden mostrar sus productos y servicios
EtherCAT en la Guía oficial de productos
EtherCAT, en ferias y eventos ETG
Los estatutos, el formulario de registro e
información adicional están disponibles en
info@ethercat.org y www.ethercat.org

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Normalización internacional

Actividades globales

El EtherCAT Technology Group es un sociooficial de la IEC. Tanto EtherCAT como
Safety over EtherCAT son estándares IEC(IEC 61158 e IEC 61784). Estos estándares nosolo incluyen las capas de protocolo inferiores, sino también la capa de aplicacióny perfiles de dispositivo, por ejemplo, paraaccionamientos. SEMI™ (Semiconductor
Equipment and Materials International)
ha aceptado EtherCAT como estándar decomunicación (E54.20) para la industria delos semiconductores. Los Grupos de trabajo
en el Grupo de Trabajo Técnico (TWG) de
Semiconductores del ETG definen perfiles dedispositivos y guías de implementación.
Las especificaciones están disponibles
en diferentes idiomas.

El EtherCAT Technology Group está presente en todo el mundo. Los expertos de lasoficinas de ETG en Alemania, China, Japón,
Corea y EE.UU. apoyan a los miembros de
ETG antes, durante y después de la implementación.
La tecnología se mantiene en los Gruposde Trabajo Técnico (TWG, del inglés Technical
Working Groups), que definen las ampliaciones y también el comportamiento uniforme
de los dispositivos mediante perfiles dedispositivos y directrices de implementación.
Se anima a todos los miembros a contribuir
activamente en los TWG.

En muchos países, EtherCAT también
es un estándar nacional, como en
Corea y China.

Hitos de EtherCAT

2003

EtherCAT
introduced

ETG founded

2005

Safety over
EtherCAT2006

 therCAT
E
ASIC

2007

EtherCAT is
IEC Standard

2008 therCAT
E
Conformance
Test Tool

2009Member 1000

 est Centers inTGermany and Japan2011

 therCAT
E
interfacein StandardµP + µC

2012

Member 2000

 emiconductor
S
Profiles2013Member 2500

 est CenterT
in Cina2014

Member 3000

 est Center inTNorth America

EtherCAT
is ChineseStandard

2015

FSoE Test CenterI ndustrie 4.0
and IoT Initiative2016Member 4000
EtherCAT P

2017

10 Years ETG
Offices in
CN, KR, USA
TSN Profile

8¿Por qué utilizar EtherCAT?

La forma exclusiva en la que trabaja EtherCAT lo convierte en la clara «elección de losingenieros». Además, las siguientes características son particularmente ventajosas paramuchas aplicaciones.

1. Rendimiento excepcional
EtherCAT es por lejos la tecnología Ethernet
industrial más rápida, pero también sincroniza con una precisión de nanosegundos.
Esto representa una enorme ventaja para
todas las aplicaciones en las que el sistemade destino está controlado o es medido a
través del sistema de bus. Los rápidos tiempos de reacción trabajan para reducir lostiempos de espera durante las transiciones
entre los pasos de proceso, lo que mejora
significativamente la eficiencia de la aplicación. Finalmente, la arquitectura del sistema
EtherCAT reduce la carga de la CPU en un
25 - 30 % en comparación con otros sistemas
de bus (para un mismo tiempo de ciclo). Si
se aplica de forma óptima, el rendimientode EtherCAT conduce a una precisión mejorada, mayor productividad y, por lo tanto, amenores costes.

2. Topología flexible
En aplicaciones EtherCAT, la estructura dela máquina determina la topología de lared, no al revés. En sistemas Ethernet industriales convencionales, existen limitaciones
en cuanto al número de conmutadores yhubs que pueden instalarse en cascada, lo
que limita la topología general de la red.
Puesto que EtherCAT no necesita ni conmutadores ni hubs, no existen dichas limitaciones. En resumen, EtherCAT prácticamente
no tiene límites en relación a la topología
de la red. Son posibles las topologías lineales, en árbol o estrella y cualquier combinación de las mismas con un número casi
ilimitado de nodos. Gracias a la detecciónde enlace automática, los nodos y segmentos de red pueden desconectarse durante laoperación y volver a conectarse, incluso enotro sitio, si el maestro soporta esta característica. La topología lineal se extiende a
una topología en anillo por la redundancia
de cables. Todo lo que el dispositivo maestro necesita para esta redundancia es unsegundo puerto Ethernet, y los dispositivos
esclavos ya soportan la redundancia decables de todos modos. Esto hace posible
la conmutación de dispositivos durante laoperación de la máquina.

3. Es simple y robusto
La configuración, el diagnóstico y el mantenimiento son factores que contribuyen a
los costes del sistema. El bus de campo
Ethernet simplifica significativamente
todas estas tareas: EtherCAT se puede
configurar de forma que asigne direcciones
automáticamente, lo que elimina la necesidad de configuración manual. Una carga debus baja y una física peer to peer mejoran la
inmunidad al ruido electromagnético. La red
detecta de forma fiable las perturbaciones
de potencial hasta su ubicación exacta, lo
que reduce drásticamente el tiempo necesario para solucionar problemas. Durante elarranque, la red compara los diseños planificados con los reales para detectar cualquierdiscrepancia. El rendimiento de EtherCAT
también ayuda durante la configuración delsistema eliminando la necesidad de realizar
una calibración de la red. Gracias al amplio
ancho de banda, existe capacidad paratransmitir TCP/IP adicional junto con losdatos de control. Sin embargo, puesto que
EtherCAT no se basa en sí mismo en TCP/IP,
no existe necesidad de administrar direcciones MAC o direcciones IP o de que expertos
en IT configuren conmutadores y routers.

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4. Seguridad integrada¿Seguridad funcional como parte integral
de la arquitectura de red? Ningún problema con Functional Safety over EtherCAT(FSoE). El uso de FSoE está probado mediante dispositivos certificados por el TÜVque se encuentran en el mercado desde
2005. El protocolo cumple con los requisitos para sistemas SIL 3 y es adecuado
para sistemas de control centralizados
y descentralizados. Gracias al principio«Black Channel» y al «Safety Container»
particularmente esbelto, FSoE también
puede utilizarse en otros sistemas de bus.
Este principio integrado y el protocolo esbelto ayudan a mantener bajos los costesdel sistema. Además, un controlador crítico
no seguro también puede recibir y procesar
datos relevantes para la seguridad.

5. Asequible
EtherCAT ofrece las características delEthernet Industrial a un precio similar oincluso inferior que el de un sistema debus de campo clásico. El único hardware
necesario por el dispositivo maestro es unpuerto Ethernet. No se requieren costosas
tarjetas de interfaz ni coprocesadores. Los
controladores esclavos EtherCAT están disponibles de varios fabricantes en diferentes
formatos: como ASIC, basado en FPGA, otambién como opción para series de microprocesadores estándar. Puesto que estos
controladores económicos llevan la cargade todas las tareas en las que el tiempo es
un factor crítico, EtherCAT por sí mismo no
exige ningún requisito de rendimiento a la
CPU de dispositivos esclavos, lo que mantiene los costes de dispositivo bajos. Puesto
que EtherCAT no requiere conmutadores u
otros componentes de infraestructura activos, los costes en instalación, configuracióny mantenimiento tampoco existen.

Por esta razón, EtherCAT seencentra frecuentemente en:
RobóticaMáquinas herramienta
Máquinas de embalajeImprentas
Equipos de fabricación de plásticos
PrensasMáquinas de fabricación desemiconductores
Bancos de pruebasMáquinas Pick & PlaceSistemas de medición
Centrales eléctricas
Subestaciones
Aplicaciones de manipulaciónde materiales
Sistemas de manipulación de equipaje
Sistemas de control de escenarios
Sistemas de montaje automatizadosMáquinas de pulpa de celulosa y papelSistemas de control de túnelesMáquinas de soldaduraGrúas y elevadores
Maquinaria agrícola
Aplicaciones offshore
Serrerías
Equipos de fabricación de ventanas
Sistemas de automatización deedificiosa
AceríasAerogeneradores
Equipos de fabricación de muebles
Fresadoras
Vehículos de guiado automático
Automatización de entretenimiento
Dispositivos médicosMáquinas para trabajar la madera
Equipos de fabricación de vidrio planoSistemas de pesaje
Información adicional
Aplicaciones EtherCAT

10

La tecnología al detalle
EtherCAT: Basado en latecnología Ethernet
EtherCAT es Ethernet industrial y utiliza tramas estándar y la capa física tal como se define
en el estándar de Ethernet IEEE 802.3. Sin embargo, también aborda las demandas específicas a las que se enfrenta la industria de la automatización, en las que:
Hay requisitos en tiempo real duros con tiempos de respuesta determinísticos.
El sistema suele estar formado por muchos nodos, cada uno de los cuales solo tiene
una pequeña cantidad de datos de proceso cíclico.
Los costes de hardware son aún más importantes que en las aplicaciones de IT y deoficina.
Los requisitos anteriores hacen prácticamente imposible el uso de una red Ethernet estándar a nivel de campo. Si se utiliza un telegrama Ethernet individual para cada nodo, lavelocidad de datos efectiva se reduce significativamente para unos pocos bytes de datos
de proceso cíclicos: el telegrama Ethernet más corto tiene una longitud de 84 bytes (incluido el Inter Frame Gap), de los cuales 46 bytes pueden utilizarse para datos de proceso. Porejemplo, si un accionamiento envía 4 bytes de datos de proceso para la información de posición y estado reales y recibe 4 bytes de datos para la posición de destino y la informaciónde control, la velocidad de datos efectiva para ambos telegramas se reduce a 4/84 = 4,8 %.
Además, el accionamiento suele tener un tiempo de reacción que desencadena la transmisión de los valores reales después de recibir los valores objetivo. Al final, no queda mucho
de la velocidad de transferencia de 100 Mbit/s.
Las pilas de protocolos, como las que se utilizan en el mundo de la tecnología de la
información para la conexión de enrutamiento (IP, TCP), requieren un sobrecoste adicionalpara cada nodo y crean más retrasos a través de los tiempos de ejecución de las pilas.

11¿Cómo funciona EtherCAT?
EtherCAT supera las dificultades descritas en la sección anterior con su modo de funcionamiento de alto rendimiento, en el que una sola trama suele ser suficiente para enviar
y recibir datos de control desde y hacia todos los nodos.
El EtherCAT maestro envía un telegrama que pasa por cada nodo. Cada dispositivo
EtherCAT esclavo lee «sobre la marcha» los datos direccionados a él e inserta sus datos
en la trama mientras la trama se mueve aguas abajo. El retardo de la trama se debeúnicamente a los tiempos de retardo de propagación del hardware. El último nodo de unsegmento (o branch) detecta un puerto abierto y envía el mensaje al maestro utilizando
la función full duplex de la tecnología Ethernet.
La velocidad de datos efectiva máxima del telegrama aumenta a más del 90 % y,debido a la utilización de la función full duplex, la velocidad de datos efectiva teórica
es incluso superior a 100 Mbit/s (> 90 % de dos veces 100 Mbit/s).
El maestro EtherCAT es el único nodo dentro de un segmento al que se le permite
enviar activamente una trama EtherCAT; todos los demás nodos simplemente reenvían
tramas aguas abajo. Este concepto evita retrasos impredecibles y garantiza capacidades
en tiempo real.
El maestro utiliza un controlador de acceso al medio (MAC) Ethernet estándar sin unprocesador de comunicaciones adicional. Esto permite implementar un maestro en cualquier plataforma de hardware con un puerto Ethernet disponible, independientemente delsistema operativo en tiempo real o del software de aplicaciones que se utilice. Los dispositivos EtherCAT esclavo utilizan un controlador de esclavos EtherCAT (ESC, del inglés EtherCAT
Slave Controller) para procesar tramas sobre la marcha y totalmente en hardware, lo que
hace que el rendimiento de la red sea predecible e independiente de la implementación deldispositivo esclavo individual.

El protocolo EtherCAT

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EtherCAT incrusta su carga útil en una trama Ethernet estándar. La trama se identifica
con el identificador (0x88A4) en el campo EtherType. Dado que el protocolo EtherCAT
está optimizado para datos de proceso de ciclos cortos, se puede eliminar el uso de pilasde protocolos, tales como TCP/IP o UDP/IP.

Ethernet header

ECAT

EtherCAT telegram

Ethernet

DA

SA

Type

Frame HDR

Datagram 1

Datagram 2

Datagram n

Pad.

FCS

(6)

(6)

(2/4)

(2)

(10+n+2)(10+m+2)(10+k+2)(0…32)(4)

las I/Os; no se requiere una estructura de datos de proceso fija. Esto también alivia eldispositivo maestro en comparación con los sistemas de bus de campo convencionales,
en los que los datos de cada nodo debían leerse individualmente, clasificarse con la ayudadel controlador de procesos y copiarse en la memoria.
Con EtherCAT, el dispositivo maestro únicamente necesita llenar una sola trama EtherCAT
con nuevos datos de salida y enviar la trama a través del Acceso Directo a Memoria (DMA, delinglés Direct Memory Access) al controlador MAC. Cuando se recibe una trama con nuevos
datos de entrada a través del controlador MAC, el dispositivo maestro puede volver a copiar
la trama a través de DMA en la memoria del ordenador, todo ello sin que la CPU tenga que
copiar activamente ningún dato. Además de los datos cíclicos, se pueden utilizar otros datagramas para comunicaciones asíncronas o impulsadas por eventos.

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Ethertype Ox88A4

EtherCAT en una trama Ethernet estándar (conforme a IEEE 802.3)

Para garantizar la comunicación IT Ethernet entre los nodos, las conexiones TCP/IP sepueden tunelizar opcionalmente a través de un canal de buzón de correo sin afectar latransferencia de datos en tiempo real.
Durante el arranque, el equipo maestro configura y asigna los datos de proceso en losdispositivos esclavos. Se pueden intercambiar diferentes cantidades de datos con cadaesclavo, desde un bit hasta unos pocos bytes, o incluso hasta kilobytes de datos.
La trama EtherCAT contiene uno o más datagramas. La cabecera del datagrama indica
qué tipo de acceso desea ejecutar el dispositivo maestro:lectura, escritura, lectura-escritura
Acceso a un dispositivo esclavo específico mediante direccionamiento directo,o acceso a múltiples dispositivos esclavos mediante direccionamiento lógico
(direccionamiento implícito)
El direccionamiento lógico se utiliza para el intercambio cíclico de datos de proceso.
Cada datagrama direcciona una parte específica de la imagen de proceso en el segmento
EtherCAT, para la cual están disponibles 4 GBytes de espacio de direcciones. Durante elarranque de la red, a cada dispositivo esclavo se le asignan una o más direcciones en este
espacio global de direcciones. Si a varios dispositivos esclavos se les asignan direcciones
en la misma área, todos pueden ser direccionados con un único datagrama. Puesto quelos datagramas contienen completamente toda la información relacionada con el acceso
a datos, el dispositivo maestro puede decidir cuándo y a qué datos acceder. Por ejemplo,
el dispositivo maestro puede utilizar tiempos de ciclo cortos para actualizar datos en
los accionamientos, mientras que utiliza un tiempo de ciclo más largo para muestrear

Ethernet header

ECAT HDR

Datagram 1

Datagram 2

Datagram 3

Logical Process
Image Task 1

Logical Process
Image Task 2

Logical Process
Image Task 3

Inserción de datos de proceso sobre la marcha

Además del direccionamiento lógico, el equipo maestro también puede direccionar un
dispositivo esclavo a través de su posición en la red. Este método se utiliza durante elarranque de la red para determinar la topología de la red y compararla con la topología
planificada.
Después de comprobar la configuración de la red, el dispositivo maestro puede asignar a cada nodo una dirección de nodo configurada y comunicarse con el nodo a travésde esta dirección fija. Esto permite un acceso específico a los dispositivos, incluso cuando

Ethernet

14

se cambia la topología de la red durante el funcionamiento, por ejemplo, con grupos Hot
Connect. Existen dos enfoques para la comunicación esclavo-esclavo. Un dispositivo esclavo puede enviar datos directamente a otro dispositivo esclavo que esté conectado aguas
abajo en la red. Dado que las tramas EtherCAT sólo pueden procesarse hacia adelante,este tipo de comunicación directa depende de la topología de la red y es especialmente
adecuada para la comunicación esclavo-esclavo en un diseño de máquina constante (porejemplo, en máquinas de impresión o de embalaje). Por el contrario, la comunicación
esclavo-esclavo libremente configurable pasa por el equipo maestro y requiere dos ciclos
de bus (no necesariamente dos ciclos de control). Gracias al excelente rendimiento deEtherCAT, este tipo de comunicación esclavo-esclavo sigue siendo más rápido que conotras tecnologías de comunicación.

Topología flexible
Lineal, en árbol, en estrella o cadena margarita: EtherCAT es compatible con prácticamente
todas las topologías. EtherCAT hace posible una topología lineal o en bus pura con cientos denodos sin las limitaciones que normalmente surgen de los conmutadores o hubs en cascada.

Topología flexible – lineal, en árbol o en estrella

Al cablear el sistema, la combinación de líneas con branches o líneas de derivación es beneficiosa: los puertos necesarios para crear branches se integran directamente en muchos
módulos de I/O, por lo que no se necesitan conmutadores adicionales ni componentes deinfraestructura activos. También se puede utilizar naturalmente la topología clásica deEthernet en estrella.
Las máquinas modulares o los cambiadores de herramientas requieren la conexión
y desconexión de segmentos de red o nodos individuales durante el funcionamiento.
Los controladores esclavos EtherCAT ya incluyen la base para esta característica de Hot
Connect. Si se elimina una estación vecina, el puerto se cierra automáticamente para queel resto de la red pueda seguir funcionando sin interferencias. Tiempos de detección muy
cortos < 15 μs garantizan un cambio de formato fluido.
EtherCAT ofrece una gran flexibilidad en cuanto a los tipos de cable, por lo que cadasegmento puede utilizar el tipo exacto de cable que mejor se adapte a sus necesidades.
El económico cable Ethernet industrial puede utilizarse entre dos nodos con una separaciónde hasta 100 m en el modo 100BASE-TX. Además, la adición de protocolo EtherCAT P permite
la transmisión de datos y energía a través de un solo cable. Esta opción permite la conexiónde dispositivos tales como sensores con una sola línea. Fibras ópticas (como 100BASE-FX)
también pueden utilizarse, por ejemplo, para distancias entre nodos superiores a 100 m.
Toda la gama de cableados para Ethernet también está disponible para EtherCAT.
Se pueden conectar hasta 65.535 dispositivos a un segmento EtherCAT, por lo que laampliación de la red es prácticamente ilimitada. Dado el número prácticamente ilimitado
de nodos, los dispositivos modulares como las estaciones de I/O «sliced» pueden diseñarse
de tal forma que cada módulo sea propiamente un nodo EtherCAT. De esta manera seelimina el bus de extensión local; el alto rendimiento de EtherCAT llega directamente acada módulo sin retrasos, ya que no hay puerta de enlace en el acoplador de bus ni enla cabecera.

15

16

EtherCAT P: comunicación yenergía en un cable

17

RX- TX-

TXUS
TX+ RX+USUPPower: 2 x 24 V DC,
3 A (US, UP )RXUP

EtherCATPower
TX+ RX+GNDS GNDP

2-cable conexión:
EtherCAT + Potencia separada

GNDS
GNDP

EtherCAT P (P = potencia) es una adición al estándar de protocolo EtherCAT descrito
anteriormente. No permite solo la transmisión de datos de comunicación, sino también
la tensión periférica a través de un único cable Ethernet estándar de cuatro hilos.
EtherCAT y EtherCAT P son idénticos en términos de tecnología de protocolos, ya quela adición afecta exclusivamente a la capa física. No se requieren nuevos controladores deesclavos EtherCAT cuando se utiliza EtherCAT P. Se podría decir que EtherCAT P tiene lasmismas ventajas de comunicación que EtherCAT, pero también proporciona la fuente dealimentación a través del cable de comunicación, ofreciendo atractivas ventajas y mejoras
para numerosas aplicaciones.
Dos fuentes de alimentación de 24 V, aisladas eléctricamente y conmutables individualmente, alimentan los nuevos dispositivos EtherCAT P, disponibles con US para el sistema ylos sensores y UP para la periferia y los actuadores. Ambas tensiones, US y UP, se encuentran
directamente acopladas a la línea de comunicación EtherCAT de 100 Mbit/s. Gracias a esta
transmisión de energía, el usuario puede conectar en cascada varios dispositivos EtherCAT P
y para ello solo necesita un cable. Esto permite reducir el cableado y diseñarlo de forma más

EtherCAT P: datos y energía a través de un cable

compacta y rentable, ahorrar costes del sistema y espacio ocupado por los dispositivos, equipos y máquinas.
EtherCAT P es especialmente interesante para aquellas partes de una máquina que son
independientes y a menudo se encuentran un poco aisladas, ya que pueden ser suministradas con datos y energía a través de un solo cable. Todos los tipos de sensores son perfectamente adecuados para EtherCAT P: un único conector M8 compacto permite la integración
eficiente de estos dispositivos de campo en la red de alta velocidad y los conecta a la tensión de alimentación. Gracias a la codificación mecánica del conector, se evitan posibles
fuentes de error durante la conexión de los dispositivos.
EtherCAT P puede utilizarse en la misma red junto con la tecnología EtherCAT estándar.
Unidades rectificadoras adecuadas transforman el sistema físico común de EtherCAT en
EtherCAT P manteniendo de forma consistente la codificación de datos Ethernet. De la misma manera, un dispositivo puede ser suministrado con EtherCAT P pero, a su vez, también
puede transmitir el protocolo EtherCAT.
Más información sobre EtherCAT P puede encontrarse aquí: www.ethercat.org/ethercat-p

18

Distributed-Clocks para una
sincronización de alta precisión
En aplicaciones con procesos distribuidos espacialmente que requieren acciones simultáneas, la sincronización exacta es particularmente importante. Este es el caso por ejemplo
en aplicaciones en las que varios servoejes ejecutan movimientos coordinados.
A diferencia de la comunicación completamente síncrona, cuya calidad sufre inmediatamente de errores de comunicación, los Distributed-Clocks sincronizados tienen un alto
grado de tolerancia al jitter en el sistema de comunicación. Por eso, la solución EtherCAT
para sincronizar nodos se basa en estos Distributed-Clocks (DC, relojes distribuidos).

t

Sincronización completamente basada en hardware concompensación de los retardos de propagación.

La calibración de los relojes en los nodos está completamente basada en hardware. La horadel primer dispositivo esclavo DC se distribuye cíclicamente a todos los demás dispositivosdel sistema. Con este mecanismo, los relojes del dispositivo esclavo pueden ajustarse conprecisión a este reloj de referencia. El jitter resultante en el sistema es significativamente
menos de 1 μs.

Dado que la hora enviada desde el reloj de referencia llega a los dispositivos esclavos con
un ligero retardo, este retardo de propagación debe medirse y compensarse para cadadispositivo esclavo con el fin de asegurar la sincronicidad y simultaneidad. Este retardo
se mide durante el arranque de la red o, si se desea, incluso de forma continua durante el
funcionamiento, asegurando que los relojes sean simultáneos y cuenten con diferencias
muy por debajo de 1μs entre ellos.

Sincronicidad y simultaneidad - Vista
ampliada de dos dispositivos distribuidos con 300 nodos y una longitudde cable de 120 m

Si todos los nodos tienen la misma información horaria, pueden ajustar sus señales desalida simultáneamente y fijar sus señales de entrada con una marca de tiempo de alta
precisión. En las aplicaciones de Motion Control, además de la sincronicidad y la simultaneidad, también es importante la precisión del ciclo. En este tipo aplicaciones, la velocidad
se deriva típicamente de la posición medida, por lo que es crítico que las mediciones deposición se tomen de forma equidistante y precisa (es decir, en ciclos exactos). Incluso inexactitudes muy pequeñas en el tiempo de medición de la posición pueden traducirse en
inexactitudes mayores en la velocidad calculada, especialmente en relación con tiempos
de ciclo cortos. Con EtherCAT, las mediciones de posición son desencadenadas por el reloj
local preciso y no por el sistema de bus, lo que conduce a una precisión mucho mayor.
Además, el uso de Distributed-Clocks también descarga el dispositivo maestro. Puesto
que acciones como la medición de posición son desencadenadas por el reloj local y no
cuando se recibe la trama, el dispositivo maestro no tiene requisitos tan estrictos para enviar tramas. Esto permite que el master stack se implemente en software en un hardware
Ethernet estándar. Incluso un jitter en el rango de varios microsegundos no disminuye laprecisión de los Distributed-Clocks. Dado que la precisión del reloj no depende de cuándo
sea establecido, el tiempo absoluto de la transmisión de la trama se vuelve irrelevante.
El maestro EtherCAT sólo necesita asegurarse de que el telegrama EtherCAT se envía conla suficiente antelación, antes de que la señal DC en los dispositivos esclavos desencadene
la salida.

19

20

Diagnóstico ylocalización de errores
La experiencia con sistemas de bus de campo convencionales ha demostrado que las
características de diagnóstico juegan un papel importante en la determinación de ladisponibilidad de una máquina y el tiempo de puesta en servicio. Además de la detecciónde errores, la localización de errores es importante durante la resolución de problemas.
EtherCAT ofrece la posibilidad de analizar y comparar la topología real de la red con la
topología planificada durante el arranque. EtherCAT también tiene muchas capacidadesde diagnóstico adicionales inherentes a su sistema.
El controlador de esclavos EtherCAT en cada nodo comprueba si hay errores en la
trama en movimiento con una suma de comprobación. La información se proporciona ala aplicación esclava únicamente si la trama se ha recibido correctamente. Si hay un error
de bit, se incrementa el contador de errores y se informa a los nodos siguientes de quela trama contiene un error. El dispositivo maestro también detectará que la trama tiene
un fallo y descartará su información. El dispositivo maestro es capaz de detectar dónde
se produjo el fallo originalmente en el sistema analizando los contadores de errores delos nodos. Esto supone una enorme ventaja en comparación con los sistemas de bus decampo convencionales, en los que un error se propaga a lo largo de toda la línea, haciendo
imposible localizar la fuente del error. EtherCAT puede detectar y localizar perturbaciones
ocasionales antes de que el problema afecte la operación de la máquina.
Gracias al exclusivo principio de utilización del ancho de banda de EtherCAT, que esvarias veces mejor que las tecnologías Ethernet industriales que utilizan tramas individuales, la probabilidad de perturbaciones inducidas por errores de bit dentro de una trama deEtherCAT es sustancialmente menor, si se utiliza el mismo tiempo de ciclo. Y, si se utilizan
tiempos de ciclo mucho más cortos, como en el uso típico de EtherCAT, el tiempo requerido para la recuperación de errores se reduce significativamente. Por consiguiente, también
es mucho más sencillo controlar estos problemas dentro de la aplicación.
Dentro de las tramas, el Working Counter permite supervisar la coherencia de la información en cada datagrama. Cada nodo que está direccionado por el datagrama y cuyamemoria es accesible incrementa automáticamente el Working Counter. El maestro puede
entonces confirmar cíclicamente si todos los nodos están trabajando con datos coherentes. Si el Working Counter tiene un valor diferente al que debería, el maestro no envía losdatos de este datagrama a la aplicación de control. El dispositivo maestro puede entonces
detectar automáticamente la razón del comportamiento inesperado con ayuda de la información de estado y de error de los nodos, así como el estado del enlace.
Dado que EtherCAT utiliza tramas Ethernet estándar, el tráfico de red Ethernet sepuede registrar con la ayuda de herramientas de software Ethernet gratuitas. Por ejemplo,
el conocido software Wireshark viene con un intérprete de protocolo para EtherCAT, demodo que la información específica del protocolo, como el Working Counter, los comandos, etc., se muestran en texto sin formato.

Requisitos de alta disponibilidad
En el caso de máquinas o equipos con requisitos de disponibilidad muy elevados, una rotura de cable o un mal funcionamiento de un nodo no debe significar que ya no se pueda
acceder a un segmento de red o que falle toda la red.
EtherCAT permite la redundancia de cables con medidas sencillas. Conectando uncable desde el último nodo a un puerto Ethernet adicional en el dispositivo maestro, una
topología lineal se extiende a una topología en anillo. Un caso de redundancia, como una
rotura de cable o un fallo de nodo, se detecta mediante un complemento de software enel master stack. ¡Eso es todo!
Los propios nodos no necesitan ser modificados y ni siquiera «saben» que están siendo
operados en una red redundante.

Redundancia de cables económica con dispositivos esclavos EtherCAT estándar

La detección de enlaces en los dispositivos esclavos detecta y resuelve automáticamente
los casos de redundancia con un tiempo de recuperación inferior a 15 μs, por lo que, como
máximo, se interrumpe un único ciclo de comunicación. Esto significa que incluso las aplicaciones Motion con tiempos de ciclo muy cortos pueden seguir funcionando sin problemas cuando se rompe un cable.
Con EtherCAT, también es posible realizar la redundancia del dispositivo maestro con
Hot Standby. Los componentes vulnerables de la red, como los conectados a una cadena
portacables, se pueden cablear con un cable de derivación, de modo que incluso cuando
se rompe un cable, el resto de la máquina sigue funcionando.

21

EtherCAT – Vista general del sistema
Red EtherCAT de la planta

23

Red EtherCAT de control de máquinas

EtherCAT Automation Protocol (EAP)

EtherCAT Device Protocol

Interfaz
Ethernet
Estándar

Relojes distribuidos:
Reloj de referencia

100BASE-TX –hasta 100 m entre
dos dispositivos

Fibra óptica –hasta 20 km entre
dos dispositivos

MaestroSafety over EtherCAT
descentralizado

p. ej.
- IEEE 1588
- GPS
- DCF 77

EBUS – LVDS
Backplane

Hasta 65535
esclavos
Derivación

MES

ID:01

Sincronización
externa

Derivación

ID:02

Relojes distribuidos proporcionan una sincronización
extremadamente precisa.
Jitter & simultaneidad:<<1 μs

ID:03- Hot Connect- Explicit Device
Identification

Maestro a Maestro

Topología
flexible:- Lineal- En árbol
- En estrella- Branch

EtherCAT P:
Datos y energía
en la misma línea

Switchport

24 V DC

Conmutador
SensorERP

Maestro Clase A o Clase B
según Directiva de Clasesde MaestrosIntercambio ysincronización dedatos entre segmentos EtherCAT

Esclavo a
Esclavo

SensorEsclavo a Maestro

HMI

Actor

Integración deEthernet estándar:- Ethernet over
EtherCAT (EoE)
es. TCP/IP

Gateway

WiFi

Centralized
Safety over
EtherCAT Master
Maestro a Esclavo

Integración de accionamiento:- CAN application protocol over
EtherCAT (CoE)with DS402 Drive Profi le- Servo Drive Proﬁle over
EtherCAT (SoE)- Safety Drive Proﬁle- Modular Device Proﬁle (MDP)

Integración de bus
de campo:- Modular Device
Proﬁle (MDP)- ADS over
EtherCAT (AoE)

TabletaHigh availability: Cable redundancy

Other FieldbusesSafety over EtherCAT
24

Los sistemas de comunicación modernos no solo realizan la transferencia determinística dedatos de control, sino que también permiten la transferencia de datos de control críticos para laseguridad a través del mismo medio. EtherCAT utiliza el protocolo Safety over EtherCAT (FSoE =Fail Safe over EtherCAT) para este propósito, permitiendo:
Un único sistema de comunicación para los datos de control y de seguridad
La capacidad de modificar y ampliar de forma flexible la arquitectura del sistemade seguridad
Soluciones precertificadas para simplificar las aplicaciones de seguridad
Potentes funciones de diagnóstico para funciones de seguridad
Integración perfecta del diseño de seguridad en el diseño de la máquina
Capacidad de modificar y ampliar la arquitectura de seguridad

para la seguridad. Las tramas de seguridad, conocidas como Safety Containers (contenedoresde seguridad), contienen datos de proceso críticos para la seguridad e información adicional utilizada para proteger estos datos. Los contenedores de seguridad se transportan como parte delos datos de proceso de la comunicación. La seguridad de la transferencia de datos no dependede la tecnología de comunicación subyacente y no está restringida a EtherCAT; los contenedores de seguridad pueden viajar a través de sistemas de bus de campo, Ethernet o tecnologías
similares y pueden hacer uso de cables de cobre, fibra óptica e incluso conexiones inalámbricas.
Ethernet telegram
Ethernet header

ECAT HDR

Datagram 1

Datagram 2

FSC

Safety over EtherCAT frame
CMD

Safe data

CRC_0

Safe data

CRC_1

Conn ID

El contenedor de seguridad se encuentra incrustado en los datos de proceso de la comunicación cíclica

Gracias a esta flexibilidad, la conexión segura de diferentes partes de la máquina resulta más
sencilla. El contenedor de seguridad es enrutado a través de los diferentes controladores y seprocesa en las diferentes partes de la máquina. De este modo, las funciones de parada de emergencia de toda una máquina o de partes de una máquina son fáciles de realizar, incluso si estánacopladas a otros sistemas de comunicación (p. ej., Ethernet).
La implementación del protocolo FSoE en un dispositivo requiere pocos recursos y puede
conducir a un alto nivel de rendimiento y, en consecuencia, a tiempos de reacción cortos. En laindustria robótica, existen aplicaciones que utilizan SoE para aplicaciones seguras de Motion
Control en un lazo cerrado de 8 kHz.

Relais Logic

Device 1
Controller A
safetyprotocolDevice 2
Controller B
safetyprotocolController B
safetyprotocolEtherCAT Slave Controller
Safety over EtherCAT permite arquitecturas más simples y flexibles que con la lógica de relés

La tecnología de seguridad EtherCAT ha sido desarrollada según el estándar IEC 61508, cuenta
con la certificación TÜV y está estandarizada en IEC 61784-3. El protocolo es adecuado para
aplicaciones de seguridad con un nivel de integridad de seguridad de hasta SIL 3.
Con Safety over EtherCAT, el sistema de comunicación forma parte de un llamado Black
Channel (canal negro), que no se considera relevante para la seguridad. El sistema de comunicación estándar EtherCAT utiliza un único canal para transferir datos estándar y datos críticosIN

Controller A
safetyprotocolEtherCAT Slave Controller

OUT

IN
EtherCAT

Principio del Black Channel: se puede utilizar la interfaz de comunicación estándar

Más información sobre Safety over EtherCAT en la página web de ETG:
www.ethercat.org/safety

OUT

25

26

Perfiles de comunicación

Protocolo de aplicación CAN over EtherCAT (CoE)Para configurar y diagnosticar los dispositivos esclavos, es posible acceder a las variables
proporcionadas para la red con la ayuda de la comunicación acíclica. Esto se basa en un
protocolo de buzón de correo fiable con una función de recuperación automática de mensajes erróneos.
Para soportar una amplia variedad de dispositivos y capas de aplicación, se han establecido los siguientes perfiles de comunicación EtherCAT:
Protocolo de aplicación CAN over EtherCAT (CoE)Perfil de servoaccionamiento, conforme a IEC 61800-7-204 (SoE)Ethernet over EtherCAT (EoE)File Access over EtherCAT (FoE)
Automation Device Protocol over EtherCAT (ADS over EtherCAT, AoE)
File system,
bootloader

File accessSubordinatedobject dictionaries or devices

Gatewayfunction

HTTP, FTP, …

IEC 61800-7-204
application(SERCOS)TCP UDPIDN

IP

ServicechannelCANopenapplication

ObjectDictionary
SDO

Ethernet
FoE

AoE

EoE

SoE

Mailbox

Process data

CoE

PDO
mappingAT
MDT

CoE/SoE

Process data

EtherCAT Slave Controller

Con el protocolo CoE, EtherCAT proporciona los mismos mecanismos de comunicación que
en el estándar CANopen® EN 50325-4: diccionario de objetos, asignación PDO (Process Data Objects, objetos de datos de proceso) y SDO (Service Data Objects, objetos de datos deservicio). Incluso la gestión de red es similar. Esto hace posible implementar EtherCAT con
un mínimo esfuerzo en dispositivos que anteriormente estaban equipados con CANopen®.
Incluso, grandes partes del firmware de CANopen® son reutilizables. Opcionalmente, sepuede prescindir de la limitación PDO heredada de 8 bytes, y también es posible utilizar
el ancho de banda mejorado de EtherCAT para soportar la carga de todo el Diccionario deobjetos. Los perfiles de dispositivo, como el perfil de accionamiento CiA 402, también sepueden reutilizar para EtherCAT.

Perfil de servoaccionamiento, conforme a IEC 61800-7-204 (SoE)
SERCOS™ es una interfaz de comunicación en tiempo real, especialmente para aplicaciones de Motion Control. El perfil SERCOS™ para servoaccionamientos está incluido el estándar internacional IEC 61800-7. El estándar también contiene la asignación de este perfil a
EtherCAT. El canal de servicio, incluido el acceso a todos los parámetros y funciones internas del accionamiento, se asigna al buzón de correo de EtherCAT.

Ethernet over EtherCAT (EoE)
EtherCAT utiliza las capas físicas de Ethernet y la trama Ethernet. El término Ethernet también se asocia frecuentemente con la transferencia de datos en aplicaciones de IT, que sebasan en una conexión TCP/IP.

Switchport

Physical layer
Diferentes perfiles de comunicación pueden coexistir en el mismo sistema

No se requiere que un dispositivo esclavo soporte todos los perfiles de comunicación, envez de ello, puede decidir qué perfil es el más adecuado para sus necesidades. Se notifica
al dispositivo maestro qué perfiles de comunicación se han implementado mediante elarchivo de descripción del dispositivo esclavo.

Transmisión transparente de protocolos de IT estándar

Webserver

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28

Mediante el protocolo Ethernet over EtherCAT (EoE) se puede transportar cualquier tráfico dedatos Ethernet dentro de un segmento EtherCAT. Los dispositivos Ethernet se conectana un segmento EtherCAT a través de los denominados Switchports. Las tramas Ethernet se
tunelizan a través del protocolo EtherCAT, de forma similar a los protocolos de Internet (p. ej.
TCP/IP, VPN, PPPoE (DSL), etc.), lo que hace que la red EtherCAT sea completamente transparente para dispositivos Ethernet. El dispositivo con la propiedad Switchport se encarga deinsertar fragmentos TCP/IP en el tráfico EtherCAT y por lo tanto evita que las propiedades entiempo real de la red se vean afectadas.
Adicionalmente, los dispositivos EtherCAT también pueden soportar protocolos Ethernet(como HTTP) y, por lo tanto, comportarse como un nodo Ethernet estándar fuera del segmento
EtherCAT. El dispositivo maestro actúa como un conmutador de capa 2 que envía las tramas a
través de EoE a los nodos correspondientes según sus direcciones MAC. De esta manera, todas
las tecnologías de internet también se pueden implementar en un entorno EtherCAT, como unservidor web integrado, correo electrónico, transferencia FTP, etc.

File access over EtherCAT (FoE)
Este sencillo protocolo, similar al TFTP (Trivial File Transfer Protocol), permite el acceso aarchivos en un dispositivo y la carga uniforme de firmware a los dispositivos en toda la
red. El protocolo se ha especificado deliberadamente de forma simple, para que pueda sersoportado por programas del gestor de arranque – no se requiere una pila TCP/IP.

ADS over EtherCAT (AoE)
Como protocolo cliente-servidor basado en buzón de correo, ADS over EtherCAT (AoE) estádefinido por la especificación EtherCAT. Mientras que protocolos como el protocolo deaplicación CAN over EtherCAT (CoE) proporcionan un concepto semántico detallado, AoE
los complementa perfectamente a través de servicios enrutables y paralelos dondequiera
que los casos de uso lo requieran. Por ejemplo, esto podría incluir el acceso a subredes a
través de EtherCAT utilizando dispositivos de puerta de enlace de un programa de PLC
como CANopen®, IO-Link™ y otros.
AoE tiene una sobrecarga mucho menor en comparación con servicios similares proporcionados por el protocolo de internet (IP). El telegrama AoE contiene siempre tanto losparámetros de direccionamiento del emisor como del receptor, por lo que es posible una
implementación muy sencilla en ambos extremos (cliente y servidor). AoE es también elprotocolo de elección para la comunicación acíclica mediante el protocolo de automatización EtherCAT (EAP, del inglés EtherCAT Automation Protocol) y, por lo tanto, proporciona
una comunicación fluida entre un sistema MES, el maestro EtherCAT y los dispositivos debus de campo subordinados conectados a través de puertas de enlace. AoE sirve como elmedio estándar para obtener información de diagnóstico de red EtherCAT de una herramienta de diagnóstico remoto.

Comunicación a nivel de toda
la planta con el protocolo deautomatización EtherCAT (EAP)El nivel de gestión de procesos tiene requisitos de comunicación especiales que difieren
ligeramente de los requisitos tratados por el protocolo de dispositivos EtherCAT, descritos
en las secciones anteriores. Las máquinas o secciones de una máquina a menudo necesitan intercambiar información de estado e información sobre los siguientes pasos de fabricación entre sí. Además, suele haber un controlador central que supervisa todo el procesode fabricación, que proporciona al usuario información sobre el estado de la productividad
y asigna los pedidos a las distintas estaciones de la máquina. El protocolo de automatización EtherCAT (EAP) cumple todos los requisitos anteriores.

ERP
HMI(es.  OPC,
Thin Client)

SwitchEtherCAT Automation Protocol
Process
ControlConﬁgurazione

Handheld

Switchport

EtherCAT Device Protocol (processed on the fly)Comunicación en toda la fábrica con EtherCAT

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30

El protocolo define interfaces y servicios para:Intercambio de datos entre dispositivos maestros EtherCAT(comunicación maestro-maestro),
Comunicación a Interfaces Hombre-Máquina(HMI, del inglés Human Machine Interfaces),Un controlador de supervisión para acceder a los dispositivos que pertenecena los segmentos EtherCAT subyacentes (enrutamiento),
Integración de herramientas para la configuración de la máquina o planta,
así como para la configuración del dispositivo.

La comunicación EAP cíclica se puede incrustar directamente en la trama Ethernet, sinnecesidad de protocolos adicionales de transporte o enrutamiento. Nuevamente, el
EtherType Ox88A4 identifica el uso específico EtherCAT de la trama. Esto permite el intercambio de datos de alto rendimiento con EAP en un ciclo de milisegundos. Si se requiere
un enrutamiento de datos entre máquinas distribuidas, los datos de proceso también sepueden transmitir a través de UPD/IP o TCP/IP.
Adicionalmente, con la ayuda del protocolo Safety over EtherCAT, también es posible
transmitir datos críticos para la seguridad a través de EAP. Esto es común en máquinas
que necesitan intercambiar datos de seguridad para realizar una parada de emergencia
global, o para informar a las máquinas vecinas de una parada de emergencia.

PROCESSCONTROL

Integración de otros sistemas de bus

EtherCAT Automaton Protocol (EAP)
Safety over EtherCATEl amplio ancho de banda de EtherCAT permite integrar redes de bus de campo convencionales como sistema subyacente a través de una puerta de enlace EtherCAT, lo que resulta
especialmente útil a la hora de migrar de un bus de campo convencional a EtherCAT. El
cambio a EtherCAT es gradual, lo que permite seguir utilizando componentes de automatización que aún no admiten una interfaz EtherCAT.

Gateway

Machine module A

Machine module B

Gateway

Machine module C

Arquitectura de comunicaciones en toda la fábrica con el Protocolo de Automatización EtherCAT y Safety over EtherCAT

Los protocolos de comunicaciones utilizados en EAP forman parte del estándar internacional IEC 61158. EAP puede transmitirse a través de cualquier conexión Ethernet, incluyendo
un enlace inalámbrico, por ejemplo, haciendo posible incluir vehículos de guiado automático (AGV, del inglés automated guided vehicles), que son comunes en la industria de lossemiconductores y la automoción.
El intercambio cíclico de datos de proceso con EAP sigue el principio «Push» o «Poll».
En el modo «Push», cada nodo envía sus datos con su propio tiempo de ciclo o como múltiplo del propio tiempo de ciclo. Cada receptor puede configurarse para recibir datos de emisores específicos. La configuración de los datos de emisor y receptor se realiza a través delconocido Diccionario de objetos. En el modo «Poll», un nodo (a menudo el controlador central) envía un telegrama a los otros nodos, y cada nodo responde con su propio telegrama.

Interfaces de bus de campo descentralizadas

La capacidad de integrar puertas de enlace descentralizadas también reduce el tamaño
físico del PC industrial, a veces incluso a un PC industrial embebido, ya que las ranuras deextensión ya no son necesarias. En el pasado, también se necesitaban ranuras de extensión para conectar dispositivos complejos, tales como puertas de enlace maestras y esclavas de bus de campo, interfaces de serie rápidas y otros subsistemas de comunicación.
En EtherCAT, todo lo que se necesita para conectar estos dispositivos es un único puerto
Ethernet. Los datos de proceso del subsistema subyacente están disponibles directamenteen la imagen de proceso del sistema EtherCAT.

31

32

Potenciando la transformación digitalcon EtherCAT, TSN, Industrie 4.0 e IoT

Optimización de procesos, Predictive Maintenance, fabricación como servicio, sistemas
adaptativos, ahorro de recursos, fábricas inteligentes, reducción de costes – hay innumerables razones para utilizar datos de redes de control en sistemas de alto nivel. Internet ofThings (IoT), Industrie 4.0, Made in China 2025, Industrial Value Chain Initiative: existe lanecesidad común de una comunicación fluida, continua y estandarizada en todos los niveles. Datos de sensores cargados a la nube junto con fórmulas y parámetros descargados
de sistemas ERP en dispositivos distribuidos; tómese como ejemplo un sistema de alimentación compartido por dos máquinas: hay requisitos de flujo de datos tanto en dirección
vertical como en dirección horizontal. EtherCAT cumple intrínsecamente los requisitos dela transformación digital a través de su alto rendimiento, flexibilidad e interfaces abiertas:
Un rendimiento superior del sistema es el requisito previo para agregar funciones de Big
Data a las redes de control.
EtherCAT proporciona la flexibilidad para añadir conectividad en la nube a sistemas
existentes sin siquiera «tocar» el controlador o actualizar los dispositivos esclavos: Los
Edge Gateways pueden acceder a cualquier dato dentro de cualquier dispositivo esclavo
EtherCAT a través de la función Mailbox Gateway del maestro EtherCAT. El Edge Gateway
puede ser un dispositivo remoto, hablando con el maestro a través de TCP o UDP/IP, o una
entidad de software ubicada directamente en el mismo hardware que el propio maestro
EtherCAT.
Adicionalmente, las interfaces abiertas permiten integrar cualquier protocolo basado
en IT – incluyendo OPC UA, MQTT, AMQP o cualquier otro – ya sea dentro del maestro o
directamente en los dispositivos esclavos, proporcionando así un enlace directo para IoT
sin discontinuidades de protocolo desde el sensor hasta la nube.
Todas estas características siempre han formado parte del protocolo EtherCAT, lo que
demuestra lo avanzada que es su arquitectura. No obstante, funciones de red adicionales
se añaden a medida que evolucionan y adquieren relevancia. Por supuesto, también es
importante tener en cuenta el pasado a la hora de mirar hacia el futuro: esta introducciónde nuevas y valiosas características se gestiona con total continuidad de la red, ya que elpropio protocolo EtherCAT ha permanecido estable en la «Versión 1» desde su introducción
en 2003.
Otros nuevos desarrollos en el área de las funciones de redes sensibles al tiempo (TSN,
del inglés Time Sensitive Networking) mejoran aún más las capacidades en tiempo real dela comunicación controlador a controlador. Habilitados por TSN, los sistemas de control,
incluso los basados en la nube, pueden acceder a una red de esclavos EtherCAT, también
en redes de planta. Puesto que EtherCAT solo necesita una trama para toda una red, este
tipo de acceso es mucho más sencillo y, por tanto, más rápido que cualquier otro bus decampo o tecnología Ethernet industrial. De hecho, los expertos del EtherCAT Technology
Group han contribuido activamente desde el primer día en el grupo de trabajo de TSN delIEEE 802.1, en un momento en que TSN todavía era conocido como AVB.

33

EEl EtherCAT Technology Group (ETG) también fue una de las primeras organizaciones debus de campo en asociarse con la Fundación OPC. El protocolo OPC UA complementa la
gama EtherCAT porque es una tecnología de comunicación cliente/servidor escalable basada en TCP/IP con seguridad integrada, lo que permite la transferencia de datos cifrados
hasta sistemas MES/ERP. Con OPC UA Pub/Sub, se ha mejorado la usabilidad de OPC UA
en aplicaciones máquina a máquina (M2M) y para la comunicación vertical con servicios
basados en la nube. El ETG está contribuyendo activamente a todos estos desarrollos paragarantizar que se adapten perfectamente en el entorno EtherCAT.
Por lo tanto, se puede decir que EtherCAT no solo está preparado para el IoT, sino que
EtherCAT es IoT.
OPC UA, AMQP, MQTT, TSN, EAP

ERP
MES

Edge
Gateway

Edge
Gateway

IoT Protocols:
OPC UA, AMQP, MQTT

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35

Implementando
interfaces EtherCAT

La tecnología EtherCAT ha sido especialmente optimizada para permitir un diseño económico, de forma que añadir una interfaz EtherCAT a un sensor, dispositivo I/O o controlador
integrado no debería aumentar significativamente los costes del dispositivo. Además, lainterfaz EtherCAT tampoco requiere una CPU más potente. Por el contrario, los requisitos
de la CPU se basan únicamente en las necesidades de la aplicación objetivo.
Además de los requisitos de hardware y software, para el desarrollo de una interfaz
también son importantes el soporte de desarrollo y la disponibilidad de pilas de comunicación. El EtherCAT Technology Group ofrece soporte de desarrollo en todo el mundo, respondiendo rápidamente a las consultas y abordando los problemas técnicos. Finalmente,existen kits de evaluación de múltiples fabricantes, talleres para desarrolladores y códigosde muestra gratuitos para facilitar el inicio.
Para el usuario final, el factor más importante es la interoperabilidad de los dispositivos EtherCAT de varios fabricantes. Para asegurar la interoperabilidad, se solicita a losfabricantes de dispositivos que realicen una prueba de conformidad antes de lanzar losdispositivos al mercado. La prueba comprueba si la implementación es acorde a la especificación EtherCAT y se puede realizar con la Herramienta de prueba de conformidad
EtherCAT. La prueba también se puede utilizar durante el desarrollo del dispositivo para
descubrir y corregir tempranamente cualquier problema de implementación.
Además de los requisitos de hardware y software, para el desarrollo de una interfaz
también son importantes el soporte de desarrollo y la disponibilidad de pilas de comunicación. Existen kits de evaluación de múltiples fabricantes, talleres para desarrolladores ycódigos de muestra gratuitos para facilitar el inicio.

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Implementando Maestro

La interfaz para un dispositivo maestro EtherCAT tiene un único requisito de hardware, increíblemente simple: un puerto Ethernet. La implementación utiliza o bien un controlador
Ethernet integrado o una tarjeta de red estándar y económica, por lo que no requiere una
tarjeta de interfaz especial. Esto significa que, con tan solo un puerto Ethernet estándar,
un dispositivo maestro puede implementar una solución de red en tiempo real compleja.
En la mayoría de los casos, el controlador Ethernet está integrado mediante Acceso
directo a memoria (DMA; del inglés Direct Memory Access), por lo que no se requiere capacitad de la CPU para la transferencia de datos entre el dispositivo maestro y la red. En
una red EtherCAT, la asignación tiene lugar en los dispositivos esclavos. Cada dispositivo
esclavo escribe sus datos en la ubicación correcta de la imagen de proceso y lee los datos
direccionados a él mientras la trama lo atraviesa. Por lo tanto, la imagen de proceso que
llega al dispositivo maestro ya está correctamente clasificada.
Puesto que la CPU del dispositivo maestro ya no es responsable de la clasificación, sus
requisitos de rendimiento dependen únicamente de la aplicación deseada y no de la interfaz EtherCAT. Especialmente para aplicaciones pequeñas, medianas y claramente definidas, la implementación de un maestro EtherCAT es muy sencilla. Los dispositivos maestros
EtherCAT han sido implementados para una amplia variedad de sistemas operativos: Windows y Linux en varias iteraciones, QNX, RTX, VxWorks, Intime y eCos son tan solo algunos
ejemplos.
Los miembros del ETG ofrecen una variedad de opciones para soportar la implementación de un maestro EtherCAT, desde descargas gratuitas de bibliotecas maestro EtherCAT
y códigos maestros de muestra hasta paquetes completos (incluyendo servicios) paravarios sistemas operativos en tiempo real y CPU.
Para operar una red, el maestro EtherCAT requiere la estructura de datos de proceso
cíclica, así como comandos de arranque para cada dispositivo esclavo. Estos comandos sepueden exportar a un archivo de Información de red EtherCAT (ENI, del inglés EtherCAT
Network Information) con la ayuda de una herramienta de configuración EtherCAT que
utiliza archivos de Información de esclavo EtherCAT (ESI, del inglés EtherCAT Slave Information) de los dispositivos conectados.

37

La amplitud de implementaciones maestro disponibles y sus funciones soportadas varían.
Dependiendo de la aplicación objetivo, las funciones opcionales están soportadas o seomiten intencionadamente para optimizar el uso de los recursos de hardware y software.
Por esta razón, los dispositivos maestro EtherCAT se clasifican en dos clases: un maestro
Clase A es un dispositivo maestro EtherCAT estándar, mientras un maestro Clase B es undispositivo maestro con menos funciones. En principio, todas las implementaciones maestras deben tener como objetivo una clasificación Clase A. La Clase B solo se recomienda
para casos en los que los recursos disponibles son insuficientes para soportar todas las
funcionalidades, tal como en sistemas integrados.

Control task

Process image
description (XML)

Systemconfiguration
tool

EtherCAT network
information (ENI)

XML parser

XML

HW configuration
Init Commands

EtherCAT slave
information (ESI)
XML

HDR

Process data

online functions
EtherCAT master driver
EtherCAT master
Standard Ethernet MAC

Arquitectura típica de maestro EtherCAT

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Implementando Esclavo

Los dispositivos esclavos EtherCAT utilizan Controladores de esclavos EtherCAT (ESC, delinglés EtherCAT Slave Controllers) económicos en forma de un ASIC, una FPGA o integrados en un microcontrolador estándar. Los dispositivos esclavos simples ni siquiera necesitan un microcontrolador adicional porque las entradas y las salidas se pueden conectar
directamente al ESC. Para dispositivos esclavos más complejos, el rendimiento de comunicación depende solo mínimamente del rendimiento del microcontrolador y, en la mayoríade los casos, un microcontrolador de 8 bits es suficiente.
Los Controladores de esclavos EtherCAT están disponibles de múltiples fabricantes,
con tamaños de DPRAM interna y números de Unidades de gestión de memoria de bus decampo (FMMUs, del inglés Fieldbus Memory Management Units) en función del modelo.
También hay disponibles diferentes Interfaces de datos de proceso (PDI, del inglés Process
Data Interfaces) para el acceso externo desde el controlador de la aplicación a la memoriade la aplicación:
La interfaz I/O paralela de 32 bits es adecuada para conectar hasta 32 entradas y salidas
digitales, pero también para sensores o actuadores simples para los cuales es suficiente
con 32 bits de datos y no se requiere un controlador de aplicación.
La Interfaz periférica serial (SPI, del inglés Serial Peripheral Interface) está prevista
para aplicaciones con pequeñas cantidades de datos de proceso, como dispositivos
I/O analógicos, codificadores o accionamientos simples
La interfaz de microcontrolador paralela de 8/16 bits equivale a las interfaces comunes
de controladores de bus de campo con DPRAM integrada. Es particularmente adecuada
para nodos complejos con grandes cantidades de datos.
Se han implementado buses sincrónicos adecuados para varios microcontroladorespara variaciones FPGA y on-Chip.

39

Host CPU
Processdata

Service
data

HTTP,
FTP, …

RAM for TCP/IP
and complex
applications

TCP/IP(optional)

8 I/O

8 I/O

PDI (Process data interface)

8 I/O

PDI (Process data interface)

Process data
MailboxDual port memory

ESC(EtherCAT slave
controller)

SYNC-manager, FMMU

Registers

RJ 45

8 I/O

SII (e.g.
EEPROM)

Process data
Dual port memory

ESC(EtherCAT slave
controller)

SYNC-manager, FMMU

Registers

EtherCAT processing unit
and auto-forwarder with loop back

EtherCAT processing unit
and auto-forwarder with loop back

EtherCAT Port 0
MII

EtherCAT Port 0
MII

Magnetics

PHY

EtherCAT Port nMII
PHYMagnetics

Hardware esclavo:
Controlador de esclavos Ethercat con CPU host

RJ 45

RJ 45

Magnetics

PHY

EtherCAT Port nMII
PHYMagnetics

Hardware esclavo:
Controladores de esclavos Ethercat con I/O directo

La configuración de hardware está guardada en una memoria no volátil (por ejemplo,
EEPROM), la Interfaz de información de esclavo (SII, del inglés Slave Information Interface),que contiene información sobre las características básicas del dispositivo, de forma que
el maestro puede leerla durante el arranque y operar el dispositivo, incluso si no está
disponible el archivo de descripción del dispositivo. El archivo de Información de esclavo
EtherCAT (ESI) que viene con el dispositivo está basado en XML y contiene la descripción
completa de las propiedades accesibles por la red, tales como datos de proceso y sus opciones de asignación, los protocolos de buzón de correo soportados, incluyendo características opcionales, así como los modos de sincronización soportados. La Herramienta de configuración de red utiliza esta información para la configuración online y offline de la red.
Varios fabricantes ofrecen kits de evaluación para implementar dispositivos esclavos.
Estos kits incluyen software de aplicaciones de esclavo en código fuente y a veces también
un maestro de prueba. Utilizando un kit de evaluación es posible poner en marcha una red
EtherCAT maestro-esclavo completamente funcional en unos pocos pasos. La página web
del ETG contiene una Guía de Implementación de Esclavos con consejos y sugerenciasútiles sobre documentación adicional para la implementación de dispositivos esclavos:
www.ethercat.org/ETG2200

SII (e.g.
EEPROM)

RJ 45

40

Conformidad y certificación

Dos factores importantes para un estándar de comunicación exitoso son la conformidad yla interoperabilidad. Además de requerir una prueba de conformidad para cada implementación de dispositivo (con la ayuda de la Herramienta de prueba de conformidad EtherCAT
automatizada), el EtherCAT Technology Group ofrece una variedad de actividades paragarantizar la interoperabilidad entre los dispositivos maestros EtherCAT, los dispositivos
esclavos y también la Herramienta de configuración EtherCAT.

Plug Fest
Cuando se intenta probar si múltiples dispositivos son interoperables, la conexión de losdispositivos entre sí resulta un enfoque pragmático. Teniendo esto en cuenta, el ETG organiza varias de las denominadas Plug Fests cada año, que habitualmente tienen una duración de dos días. Durante las Plug Fests, los fabricantes de dispositivos maestros y esclavos
se reúnen para probar si sus dispositivos pueden funcionar juntos, lo que permite mejorar
la usabilidad de los dispositivos en el campo. El ETG realiza Plug Fests regularmente enEuropa, Norteamérica y Asia.

Herramienta de prueba de conformidad (CTT)La Herramienta de prueba de conformidad EtherCAT (CTT, del inglés Conformance Test
Tool) permite probar automáticamente el comportamiento de un dispositivo esclavo
EtherCAT. La CTT es un programa de Windows que únicamente requiere un puerto
Ethernet estándar. La herramienta envía tramas EtherCAT al Dispositivo en prueba (DuT,del inglés Device under Test) y recibe sus respuestas. Un caso de prueba se marca comosuperado si la respuesta del DuT corresponde a la respuesta definida. Los casos de prueba
están definidos como archivos XML. Esto permite modificar o expandir los casos de prueba sin tener que modificar la propia herramienta de prueba. El TWG de Conformidad es
responsable de especificar y publicar los casos de prueba válidos más actuales. Además delas pruebas de protocolo, la CTT también examine si los valores del archivo de Informaciónde esclavo EtherCAT (ESI, del inglés EtherCAT Slave Information) son válidos. Finalmente,la CTT también realiza pruebas de protocolo específicas del dispositivo, como para el perfilde accionamiento CiA402. Todos los pasos y los resultados de la prueba son guardados en
un registro de la prueba (Test Logger) y pueden ser analizados o guardados como verificación documentada de la aprobación del dispositivo.
ETG constantemente mantiene y añade nuevos casos a la CTT. Es importante que elfabricante siempre disponga de la versión más reciente para testear los productos antes
de comecializarlos. La CTT se ofrece como una subscripción y es también útil durante eldiseño para descubrir errores antes de la implementación.

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Grupo de Trabajo Técnico de Conformidad
La Política de prueba de conformidad EtherCAT exige a los fabricantes de dispositivos probar cada dispositivo con una versión válida de la Herramienta de prueba de conformidad
EtherCAT antes de lanzar el dispositivo al mercado. El fabricante debe realizar esta prueba
internamente. El Comité Técnico (TC, del inglés Technical Committee) del ETG estableció
un Grupo de Trabajo Técnico (TWG, del inglés Technical Working Group) de Conformidadque determina los procedimientos de prueba, los contenidos de la prueba y la implementación de la Herramienta de prueba de conformidad. El TWG de conformidad expande
continuamente la prueba y su alcance. El TWG de conformidad también establece el proceso de prueba de interoperabilidad, con el cual los dispositivos pueden ser probados enel contexto de una red completa.

Centro de prueba EtherCAT (ETC)
Los Centros de prueba EtherCAT (ETC, del inglés EtherCAT Test Center) oficiales en Europa,
Asia y Norteamérica están acreditados por el ETG y realizan la Prueba de conformidad
EtherCAT oficial. La Prueba de conformidad EtherCAT incluye las pruebas automatizadas
realizadas con la CTT, pruebas de interoperabilidad dentro de una red, así como un examen de los indicadores del dispositivo, marcado y pruebas de las interfaces EtherCAT.
Se recomienda a los fabricantes de dispositivos, aunque no es obligatorio, que sus dispositivos sean probados en un ETC. Tras superar la Prueba de conformidad, el fabricante
recibe un certificado de Conformidad EtherCAT probada para su dispositivo. Este certificado solo está disponible para dispositivos que han superado la Prueba de conformidad en
un ETC, no para aquellos que han sido probados internamente.
La prueba adicional en un Centro de prueba EtherCAT acreditado aumenta ademásla compatibilidad y la operación y el diagnóstico uniformes de las implementaciones
EtherCAT. Los usuarios finales deberían solicitar los Certificados de conformidad EtherCAT
probada cuando eligen dispositivos para sus aplicaciones.
Se puede encontrar más información sobre Conformidad y los Centro de prueba
EtherCAT (ETC) en la página web de ETG: www.ethercat.org/conformance

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www.ethercat.org

EtherCAT en el mundo

El sitio web de EtherCAT proporciona información detallada sobre la tecnología,
así como sobre los próximos eventos, los últimos productos EtherCAT y la lista
actual de miembros. Además, hay temas centrales como la seguridad funcional y la conformidad de los dispositivos EtherCAT. Además, el sitio web pone a
disposición presentaciones, artículos de prensa y publicaciones en la sección dedescargas.

Guía de productos
La Guía de Productos EtherCAT es un directorio que contiene los productos yservicios EtherCAT en base a la información proporcionada por los miembros de
ETG. Se encuentra disponible en www.ethercat.org/products. Si tiene alguna
consulta sobre los productos, póngase en contacto directamente con el fabricante, ya que ETG no vende ningún producto.

La sección de eventos
La sección de eventos muestra los eventos organizados por el ETG a nivel mundial y los que se organizan conjuntamente con la asociación. En el calendario,
que se encuentra en www.ethercat.org/events, se pueden consultar las fechas
importantes, incluyendo las de las reuniones de los grupos de trabajo técnico,participaciones en ferias, talleres EtherCAT y seminarios de Ethernet Industrial.

Área de miembros
Los miembros tienen acceso privilegiado al área protegida del sitio web(www.ethercat.org/memberarea), que contiene valioso material adicional, como
todas las especificaciones de EtherCAT, el foro de desarrolladores en línea y una
base de conocimientos con toda la información necesaria para la implementación, configuración y diagnóstico de dispositivos y redes EtherCAT.

Contacto
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Automation GmbH, Alemania. CANopen® es una marca registrada de CAN in Automation e.V. IO-Link™ es
una marca registrada de PROFIBUS International. SERCOS interface™ es una marca registrada de SERCOSInternational e.V. SEMI® es una marca registrada de Semiconductor Equipment and Materials International(SEMI). Otras denominaciones utilizadas en esta página web pueden ser marcas, cuyo uso por parte deterceros para sus propios fines podría violar los derechos de los propietarios.
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