EtherCAT – Le bus de terrain Ethernet

2Sommaire

Le réseau ne fait pas tout …

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Le système de bus n’est pas tout...

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EtherCAT en résumé

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EtherCAT Technology Group

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Pourquoi les utilisateurs optent-ils pour EtherCAT ?

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La technologie en détail
EtherCAT : une technologie basée sur Ethernet
Comment fonctionne EtherCAT ?
Le protocole EtherCAT
Topologie flexible
Synchronisation extrêmement précise avec les horloges distribuées
Diagnostic et localisation des erreurs
Principe de l’interface de diagnostic indépendante du MainDevice EtherCAT
Disponibilité élevée
EtherCAT G : communication au niveau gigabit... mais la machine n’est rien sans lui !
La commande travaille à pleine capacité
uniquement avec un bus performant.
Le bus constitue l’élément central del’architecture de commande. Son choix
est très important car il détermine laperformance, le coût, la difficulté ou
la facilité de la mise en service et larobustesse du système entier. C’est la
raison pour laquelle au début de son travaild’étude, tout bon ingénieur commence parsélectionner la technologie de bus adéquate.
Avec la présente brochure, nous
désirons vous présenter le bus de terrain
Ethernet EtherCAT. Vous découvrirez latechnologie et comprendrez pourquoi
EtherCAT est considéré comme le standard
Ethernet industriel le plus rapide. Vous

ferez aussi la connaissance de l’ETG(EtherCAT Technology Group), la première
association de bus de terrain au monde en
termes de nombre d’adhérents. Plus que
tout, nous désirons vous montrer pourquoi
EtherCAT est le juste choix pour votre
application. Et si cette brochure ne répond
pas à toutes vos questions, n’hésitez pas ànous contacter. Nous sommes absolument
convaincus du potentiel de cettetechnologie et souhaitons vous faire entrer
dans la grande famille EtherCAT.

Au nom de l’équipe
EtherCAT Technology Group,
Martin Rostan, Directeur général,EtherCAT Technology Group

23 Vue d’ensemble du système EtherCAT
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EtherCAT P : communication et puissance dans le même câble
Transmission des données sécurisée avec Safety-over-EtherCAT
Profils de communication
Communication à l’échelle de l’installation avec le protocole EAP(EtherCAT Automation Protocol)
35 Intégration d’autres systèmes de bus
36 Accélérez la dématérialisation avec EtherCAT, TSN, Industrie 4.0 et IoT
38 Implémentation des interfaces EtherCAT
40 Implémentation du Dispositif Principal (MainDevice)
42 Implémentation d’un Dispositif Subordonné (SubDevice)
44 Conformité et certification

47 Contact

EtherCAT utilise la méthode de contrôle d’accès au support MAC (Medium Access Control) Master/Slave (MainDevice/SubDevice). Qu’en est-il du langage inclusif ?
La méthode de contrôle d’accès au support EtherCAT suit le principe MainDevice/SubDevice : seul le dispositif principal envoie des trames, les dispositifs subordonnés
les traitent. Bien qu’il soit considéré comme éthiquement acceptable qu’un dispositif électronique impose un comportement de communication à un autre dispositifélectronique, certaines personnes et institutions s’inquiètent de l’utilisation de ces termes dans les descriptions et spécifications techniques. L’ETG n’ayant pas l’intention
de heurter les sensibilités, nous utiliserons les termes « Dispositif Principal » (MainDevice, en abrégé MDevice) et « Dispositif Subordonné » (SubordinateDevice, en abrégé
SubDevice). Dans nos (nouveaux) documents, nous remplacerons donc « Master » par « MainDevice » ou « MDevice », et « Slave » par « SubDevice », et nous ferons
apparaître les termes MainDevice et SubordinateDevice dans la liste des abréviations.
Terminologie FSoE : la technologie Safety over EtherCAT utilise une liaison MainDevice/SubDevice entre l’instance FSoE Master et l’instance FSoE Slave : les transitionsd’état sont initiées par le FSoE Master et confirmées par le FSoE Slave. Le terme « FSoE MainInstance » (en abrégé FSoE MInstance) remplace « FSoE Master » et
« FSoE SubordinateInstance » (en abrégé FSoE SubInstance) remplace « FSoE Slave ».

Martin Rostan, Directeur général,EtherCAT Technology GroupL’équipe ETG internationale lors d’une réunion
dédiée à l’élaboration d’une stratégie globale

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EtherCAT en résumé

EtherCAT est une technologie Ethernet
industriel de haute performance, de faiblecoût et facile à utiliser avec une topologie
flexible. Lancé en 2003, EtherCAT est
devenu un standard international en 2007
dont la promotion et le perfectionnement
continu sont pris en charge par l’EtherCAT
Technology Group (ETG). EtherCAT est une
technologie ouverte, c’est-à-dire que tout àchacun peut l’implémenter et l’exploiter.

Principe de fonctionnement
Le principe clé d’EtherCAT repose sur letraitement des trames Ethernet par lesnœuds. En effet, ces derniers traitent les
trames Ethernet en continu. Chaque nœudlit les données qui lui sont adressées etécrit ses données dans la même trame
durant son passage, pour ainsi dire« à la volée ». De la sorte, une seule
trame par cycle suffit en général pour lacommunication. De plus, la bande passante
Ethernet est exploitée dans toute salargeur, et il est possible de se passer decommutateurs ou de concentrateurs.

Performance
Du fait de son principe de fonctionnement
unique en son genre, EtherCAT présente
une vitesse sans pareille : aucune autretechnologie Ethernet industriel ne peutégaler l’utilisation de la bande passante ni
rivaliser de performance avec EtherCAT.

Topologie
EtherCAT supporte jusqu’à 65 535
périphériques quelle que soit la topologie
choisie : linéaire, arborescente, en branches
ou en étoile. Toutes les combinaisons sontpossibles. L’architecture Fast-Ethernet
autorise une longueur de câble de
100 mètres entre deux nœuds. Au-delà, ilfaut utiliser la fibre optique. Une flexibilité
totale est atteinte grâce au branchement
et au débranchement des périphériques etdes segments en cours de service ainsi qu’à laredondance des lignes (topologie en anneau).

Polyvalence
EtherCAT s’adapte aux architectures tantcentralisées que décentralisées, supporte
la communication MainDevice/SubDevice,
MainDevice/MainDevice et SubDevice/
SubDevice et peut intégrer des bus deterrain subordonnés. Au niveau usine,
il couvre aussi la communication avec
le protocole EAP (EtherCAT Automation
Protocol) à l’échelle de l’infrastructure
existante.

Simplicité
EtherCAT est encore plus simple à utiliser
que le bus de terrain classique : l’adressage
est automatique, plus aucun réglage
du réseau n’est requis et le dispositif dediagnostic embarqué permet la localisation
des erreurs. En dépit de ses fonctions
avancées, EtherCAT reste plus simple àmettre en œuvre que l’Ethernet industriel
car il ne nécessite aucune configuration
avec des commutateurs ni de traitement
complexe des adresses MAC ou IP.

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ÉconomieOuverture

EtherCAT présente tous les avantages
de l’Ethernet industriel au prix d’un bus
de terrain. Comment est-ce possible ?
Premièrement, il ne requiert aucun
composant d’infrastructure actif.
Deuxièmement, le MainDevice n’a besoind’aucune carte d’interface particulière,
et les SubDevices sont équipés de puces
hautement intégrées bon marché, fournies
par divers constructeurs. Enfin, aucun
expert informatique n’est nécessaire pourmettre en service et maintenir le système.

EtherCAT est une technologie ouverte,
normalisée au niveau international, quechacun est libre d’utiliser dans une forme
compatible. Ouverture ne signifie toutefois
pas que tout le monde est autorisé à
modifier EtherCAT pour ses propres
besoins sans aucune concertation carcela sonnerait la fin de l’interopérabilité.
Le développement d’EtherCAT sedéroule sous la responsabilité de l’ETG(EtherCAT Technology Group), la plus
grande organisation de bus de terrain aumonde. Elle assure qu’EtherCAT reste une
technologie ouverte et interopérable.

Ethernet industriel
Bien entendu, EtherCAT est compatible
avec les technologies Internet : le protocole
Ethernet overEtherCAT transporte FTP, http,TCP/IP, etc. sans mettre en péril la capacité
temps réel du système.

Sécurité fonctionnelle
Safety-over-EtherCAT est à l’instard’EtherCAT : résolument épuré et donc
rapide. La sécurité fonctionnelle est
intégrée dans le bus de commande avec
une logique de sécurité centralisée ou
décentralisée. Et grâce à l’application duprincipe « canal noir », cette sécurité peutêtre étendue aux autres systèmes de bus.

Diffusion
EtherCAT est utilisé dans le monde entier.
La variété des applications est sanscommune mesure. EtherCAT est employé
pour commander des machines et desinstallations, mais aussi dans la techniquede mesure, les équipements médicaux, lesvéhicules et les machines mobiles ainsi quedans d’innombrables systèmes embarqués.

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Sur ses stands de salon, l’ETG présente tant latechnologie que la grande variété des produits
EtherCAT.

Des assemblées ETG ont lieu régulièrement dans le monde entier.

EtherCAT Technology Group

Chacun doit pouvoir utiliser et implémenter
EtherCAT. Voilà la mission de l’EtherCAT
Technology Group (ETG). Cette organisation
regroupe des fabricants d’appareils
EtherCAT, des fournisseurs de technologies
et des utilisateurs qui souhaitent faire
progresser le standard EtherCAT.
De multiples groupes de travail
techniques ont été créés où des experts
travaillent avec circonspection à développer
divers aspects spécifiques d’EtherCAT. Tousœuvrent avec le même objectif : EtherCAT
doit rester interopérable et stable. C’est la
raison pour laquelle il n’existe qu’une seuleversion EtherCAT, et non pas une nouvelletous les ans.
L’ETG organise plusieurs fois par an desrencontres baptisées « Plug Fests » qui ontlieu en Europe, en Asie et en Amérique.
À cette occasion, des développeursd’appareils EtherCAT se réunissent pourtester l’interopérabilité de leurs systèmes.
Les fabricants vérifient la conformitéde leurs appareils EtherCAT avant leurcommercialisation à l’aide d’un outil officiel
dénommé « EtherCAT Conformance Test
Tool » (CTT). Ils se voient remettre un
certificat de conformité par l’ETG une fois
que leurs appareils ont passé avec succès
des examens de contrôle réalisés dans uncentre d’essai accrédité EtherCAT.
En outre, l’ETG organise dans le mondeentier des séminaires et des formations
techniques et fait connaître EtherCAT lorsde salons. Il élabore des guides de produits,
met sur pied des stands communs sur dessalons et prépare des expositions lors deséminaires afin d’aider ses adhérents àcommercialiser leurs produits EtherCAT.
L’EtherCAT Technology Group est la
première association de bus de terrain
au monde en termes de nombre demembres. La liste des sociétés adhérentes

est consultable sur le site Web EtherCAT.
L’ETG s’enorgueillit non seulement dugrand nombre de ses adhérents mais aussi
surtout de leur dynamisme. La diversité etla multitude des appareils EtherCAT sontsans égales : la vitesse à laquelle EtherCAT
se répand en Europe, en Asie et en
Amérique est inouïe. Aucune technologie
comparable ne présente un tel degréd’acceptation.

Adhérer à l’ETG
L’adhésion à l’ETG est ouverte à toutes
les sociétés. Tant les fournisseurs que
les utilisateurs sont les bienvenus. Les
membres de l’ETG
ont	 accès aux spécifications et au forum
des développeursc	 ontribuent au développementd’EtherCAT au sein des groupes detravail techniques de l’ETG
bénéficient	de l’aide prodiguée parles agences locales de l’ETG pourl’implémentation de la technologie dansleur systèmereçoivent	
gratuitement des piles et desoutils logiciels et ont accès à d’autres
produits de développementont	 le droit d’utiliser le logo EtherCAT
et ETG
présentent
	
leurs produits et prestations
de service EtherCAT dans le guide
officiel des produits EtherCAT sur le site
Web de l’ETG, sur des stands communs
lors de salons ainsi que lors d’autresévénements organisés par l’ETG.
Vous pouvez demander des informations,l’envoi des statuts et d’un formulaired’adhésion en adressant un courriel à
info@ethercat.org et en consultant le sitewww.ethercat.org

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Normalisation internationale

Activités globales

L’EtherCAT Technology Group est un
partenaire de normalisation officiel de la
CEI. EtherCAT et Safety-over-EtherCAT sontdes normes CEI internationales (CEI 61158
et CEI 61784). Ces normes comprennent
les couches de protocole inférieures, ainsi
que la couche d’application et les profilsde périphérique, p. ex. pour la techniqued’entraînement. SEMI™ (Semiconductor
Equipment and Materials International)
a accepté EtherCAT comme standard decommunication (E54.20) pour l’industriedes semi-conducteurs. Les différentsgroupes de travail de l’ETG Semiconductor
Technical Working Group définissent
des directives d’implémentation et desprofils de périphérique correspondants etadaptés aux spécifications de ce secteur. Les
spécifications EtherCAT sont disponibles enanglais, en japonais, en coréen et en chinois.

L’EtherCAT Technology Group est une
association active dans le monde entier.
Elle possède des agences en Europe, en
Amérique du nord, au Japon, en Chine eten Corée qui aident les adhérents sur placeà utiliser et à implémenter EtherCAT.
La technologie connaît une progression
permanente grâce aux groupes de travail
techniques (TWG – Technical Working
Groups). Les experts qui les composent
définissent des améliorations et descomportements uniformes qui sontpubliés dans les profils spécifiques
aux périphériques et les guides
d’implémentation. Tous les adhérents sontinvités à participer activement au travail
des TWG.

EtherCAT est aussi devenu une
norme nationale dans de nombreux
pays, comme en Corée et en Chine.

Chronologie EtherCAT

2003

2007

2009

2012

2014

	
Lancementd’EtherCAT	EtherCAT devient
une norme CEI	
1 000e adhésion

	
2 000e adhésion

	
3 000e adhésion

	4 000e adhésion

5 000e adhésion

	6 000e adhésion

Création de l’ETG	EtherCAT devient
un standard SEMI

Centre d’essai en
Allemagne et au
Japon

	
Profils pour lesecteur des semiconducteurs	Centre d’essaiaux États-Unis	
EtherCAT P

	50ème Plug Fest

10 ans d’ETG 		
Bureau Japon

	
FSoE devient
une normechinoise	3000ème
Vendor IDs

2017

2019

2005
	Safety over
EtherCAT	1er Plug Fest

2006
	EtherCAT
ASIC

2008
	EtherCAT
Conformance
Test Tool	1er Asian
Plug Fest2011
I nterface
EtherCAT dansle standard µP
et µC

	 therCAT devientE
un standard coréen

EtherCAT devient
une norme 		chinoise

2013

2015

	2500e adhésion
	Centre d’essai en
Chine
10 ans 		d’EtherCAT 		
et d’ETG	Centre d’essai
FSoE	
Initiative
Industrie 4.0
et IoT2016	10e anniversairedes agences ETG
en CN, COR, USA	Profil TSN

2018	EtherCAT G

2020

2022
1 ère
International
Testing Week
 ynamic Process
D
Data Channel

2021	1ère
Interoperability
Testing Week

2023
7 000e adhésion
	20 ansd’EtherCAT 		
et d’ETG

8

Pourquoi les utilisateurs optent-ils
pour EtherCAT ?

9

EtherCAT est « le choix privilégié des ingénieurs », tant son principe de fonctionnement
unique en son genre est convaincant. Par ailleurs, les caractéristiques suivantes sontparticulièrement déterminantes pour certaines applications :1. Performance
exceptionnelle
EtherCAT est de loin la technologie
Ethernet industriel la plus rapide. De plus,
elle présente une excellente précisionde synchronisation de l’ordre de lananoseconde, ce qui profite naturellement
à toutes les applications dont le systèmecible est commandé ou mesuré via le bus.
Le temps de réponse très bref contribueà réduire les délais d’attente pendant lestransitions entre les étapes de processus, ce
qui améliore considérablement l’efficacitéde l’application. De plus, l’architecture dusystème EtherCAT déleste la commande :en effet, la charge de la CPU est réduite
typiquement de 25 à 30 % par rapport aux
autres systèmes de bus, et ce à temps decycle égal. Mis en œuvre correctement,
EtherCAT déploie toutes ses performances,ce qui entraîne un accroissement de la
précision, une augmentation du débit tanten maintenant les coûts à un faible niveau.

2. Topologie flexible
Dans les applications EtherCAT, c’est la
structure de l’installation qui détermine
la topologie du réseau, et non l’inverse.
En effet, les systèmes Ethernet industriel
conventionnels sont limités par lenombre maximum de commutateurs etde concentrateurs pouvant être reliésen cascade. Or, EtherCAT se passe decommutateurs et de concentrateurs, ce qui
fait quasiment disparaître les restrictions
imposées à la topologie du réseau ; desarchitectures linéaires, arborescentes eten étoile sont possibles dans toutes les
combinaisons, avec un nombre pratiquement
illimité de nœuds. Grâce à la détection
automatique des liaisons inactives,

des nœuds et des segments de réseau
peuvent être débranchés et rebranchésen cours de service, voire à un autre
endroit quand le MainDevice supportecette fonctionnalité. La topologie linéaire
est étendue à une topologie en anneau
pour assurer la redondance des lignes.
Côté MainDevice, un second port Ethernet
est seulement requis en plus du logiciel,les SubDevices contribuant toujours à laredondance du système. De la sorte, il est
possible d’échanger un périphérique sansinterrompre le service.

3. Simplicité et robustesse
La configuration, le diagnostic et lamaintenance sont des facteurs de coûts
significatifs. Le « bus de terrain Ethernet »EtherCAT simplifie grandement ces trois
tâches : si désiré, EtherCAT attribue
automatiquement les adresses de nœud.
Plus aucun réglage manuel n’est alorsnécessaire. La charge réduite du bus etl’architecture pair à pair maximisent lacompatibilité électromagnétique. Tous
dérangements éventuels sont détectés demanière fiable et localisés avec exactitude,
ce qui raccourcit la durée de dépannage. Au
démarrage de l’installation, le MainDevicecompare la topologie prévue et réelle etdécèle immédiatement toute dissimilitude.
EtherCAT aide aussi à configurer le système,ce qui rend superflue toute opération deréglage du réseau. Et grâce à la large bande
passante, le trafic TCP/IP peut être adjoint
simplement à l’échange des données dans lebus. Néanmoins, EtherCAT n’étant pas basé
sur TCP/IP, il n’est pas besoin de gérer
d’adresses MAC ou IP ni de recourir à desexperts informatiques pour configurer descommutateurs ou des routeurs.

4. Sécurité intégrée
La sécurité fonctionnelle en tant que
composant intégré de l’architecture deréseau ne constitue aucun problème
avec Safety-over-EtherCAT (FSoE). Cette
technologie a fait ses preuves : des appareils
homologués par le contrôle techniqueallemand TÜV sont sur le marché depuis
2005. Satisfaisant les exigences SIL 3, leprotocole FSoE est adapté aux systèmesde commande tant centralisés quedécentralisés. Grâce à l’approche « canalnoir » et à une trame de sécurité (Safety
Container) particulièrement mince, FSoE
peut être aussi utilisé dans d’autres bus.
L’approche intégrée et le protocole de taillemenue réduisent davantage encore lescoûts système. De plus, une commande nonsécurisée peut aussi recevoir et analyser lesdonnées pertinentes pour la sécurité.

5. Économie
EtherCAT fournit les fonctionnalités
Ethernet industriel au même prix que lesbus de terrain classique, voire en-deçà. Le
seul matériel exigé pour le MainDevice
est un port Ethernet. Ni cartes d’interface
onéreuses ni coprocesseurs ne sontnécessaires. Les contrôleurs SubDevices
EtherCAT (ESC) peuvent être acquis auprès
de divers fabricants. Différents formats
sont possibles : ASIC, basé FPGA ou bien, en
option, pour une série de microprocesseurs
standards. Ces contrôleurs bon marché
prenant en charge toutes les tâches
critiques au niveau du temps, EtherCATn’exige des SubDevices aucune performance
CPU particulière, ce qui maintient lescoûts matériels à un niveau bas. Et comme
EtherCAT ne requiert ni commutateurs ni
autres appareils d’infrastructure actifs, lafacture générale s’en trouve encore plus

réduite car aucune dépense n’est à prévoir
pour leur achat, leur installation, leurconfiguration et leur maintenance.

Pour toutes ces raisons,on trouve EtherCAT dans :	Robots	Machines-outils
	Emballeuses	Imprimantes	Machines de fabrication plastique	Presses et poinçonneuses
	Installations de fabrication desemi-conducteurs	Bancs d’essai	Installations d’équipement
	Systèmes de mesure	Centrales électriques
	Installations de distribution électrique	Installations logistiques	Convoyeurs à bagages
	Commandes de scènes
	Installations de montage à la chaîne
	Machines à papier	Commandes de tunnel	Installations de soudage
	Grues et ascenseurs	Machines agricoles
	Installations d’exploitation pétrolière
et gazière
	Machines de fabrication de fenêtres
	Immotique/Domotique	Installations sidérurgiques et delaminage	Éoliennes
	Fraiseuses
	Systèmes de transport automatisés	Équipements automatisés de spectacles
	Appareils médicaux
	Machines à bois
	Installations de verre laminé	Systèmes de pesage
	etc.

10

La technologie
en détail
EtherCAT : une technologie basée
sur Ethernet
EtherCAT est un Ethernet industriel qui utilise les trames standards et les couches
physiques définies dans la norme Ethernet IEEE 802.3. Toutefois, contrairement à
l’environnement informatique et bureautique, l’industrie de l’automatisation définit desexigences spécifiques à l’utilisation d’un système de communication basé sur Ethernet :	Un fonctionnement en temps réel strict avec des temps de réponse déterministes
est requis.
	En règle générale, les installations comportent de nombreux nœuds qui possèdent
chacun quelques données seulement de processus cycliques.
	Les coûts matériels sont plus élevés que dans les applications informatiques
et bureautiques.
Ces exigences rendent pratiquement impossible l’emploi d’un réseau Ethernet standard
au niveau du terrain. Si une trame Ethernet individuel est utilisé pour chaque nœud, letaux de transfert effectif baisse massivement pour juste quelques octets de données deprocessus cycliques : en effet, la trame Ethernet le plus court a une longueur de 84 octets(espace intertrame compris) dont 46 peuvent être employés pour des données utiles.
Quand, par exemple, un entraînement envoie 4 octets de données de processus pour laposition actuelle et une information d’état et reçoit également 4 octets de données pourla position cible et une information de commande, le taux de données utiles pour lesdeux trames tombe à 4/84 = 4,8 %. Il faut généralement y ajouter un temps de réponsede l’entraînement qui déclenche l’envoi des valeurs réelles après avoir reçu les valeurs deconsigne. Il ne reste plus grand-chose des 100 Mbit/s du taux de transfert.
Les piles de protocoles, telles qu’utilisées en informatique pour le routage (IP) etl’établissement de liaison (TCP), signifient un surdébit additionnel pour les nœuds, et les
temps d’exécution des piles entraînent de nouveaux retards.

11

Comment fonctionne EtherCAT ?
EtherCAT contourne ces inconvénients avec un mode de fonctionnement ultraperformant :en règle générale, une trame suffit pour actualiser les informations de sortie et lire les
informations d’entrée pour la commande dans tous les nœuds !
Le MainDevice EtherCAT émet une trame qui traverse tous les nœuds. Chaque
SubDevice EtherCAT lit « à la volée » les données de sortie qui lui sont adressées et écrit
ses données d’entrée dans la trame en transit. La trame est retardé uniquement par letemps de propagation dans le matériel. Le dernier nœud d’un segment (ou d’une branche)
détecte un port ouvert et renvoie la trame au MainDevice. EtherCAT exploite ici le mode detransmission bidirectionnel simultané qui caractérise la technologie Ethernet.
Dans ce cas, le taux de données utiles maximal d’une trame s’élève à plus de 90 %,et le taux de transfert effectif théorique atteint même plus de 100 Mbit/s (> 90 % dedeux fois 100 Mbit/s) grâce à l’exploitation du mode bidirectionnel simultané.
Le MainDevice EtherCAT est le seul nœud dans le segment qui soit autorisé à émettre
activement une trame EtherCAT ; tous les autres nœuds se contentent de faire suivre
la trame. Ce concept évite des retards imprévisibles et garantit la capacité temps réel.
Le MainDevice emploie un contrôleur d’accès au support Ethernet standard (MAC)
sans recourir à aucun processeur de communication supplémentaire, de sorte qu’un
MainDevice peut être installé sur n’importe quelle plateforme matérielle dotée d’un port
Ethernet, quel que soit le système d’exploitation en temps réel ou le logiciel d’application
utilisé.
Les SubDevices EtherCAT utilisent un contrôleur SubDevice EtherCAT (ESC) pour letraitement « à la volée ». Celui-ci est donc effectué entièrement dans le matériel, ce qui
permet de prévoir la performance du réseau, indépendamment de l’implémentation desdifférents SubDevices.

Le protocole EtherCAT

12

EtherCAT utilise des trames Ethernet standards. Les données utiles EtherCAT sontencapsulées dans les trames. Chaque trame EtherCAT est identifiée par le code (Ox88A4)
dans le champ EtherType. Le protocole EtherCAT étant optimisé pour des données deprocessus de cycle court, le recours à des piles de protocoles encombrantes telles TCP/IP ou
UDP/IP est inutile.

Ethernet header

ECAT

EtherCAT frame

terrain conventionnels où les données doivent être lues séparément par chaque nœud,triées par le contrôleur de processus, puis copiées dans la mémoire vive. Avec EtherCAT,
le MainDevice doit uniquement remplir une trame EtherCAT avec de nouvelles donnéesde sortie et l’envoyer au contrôleur MAC par un accès direct à la mémoire (DMA)
automatique. Quand il reçoit du contrôleur MAC une trame avec de nouvelles donnéesd’entrée, il peut aussi la copier par DMA dans la mémoire vive de l’ordinateur ; la CPU n’apas besoin de réaliser une opération de copie active.
Outre les données cycliques, d’autres datagrammes peuvent être insérés pourpermettre une communication asynchrone ou orientée sur les besoins.

13

MAIN
DEVICE

Ethernet

Preamble

SFD

DA

SA

EtherType

Frame HDR

Datagram 1

Datagram 2

Datagram n

PAD

FCS

(7)

(1)

(6)

(6)

(2)

(2)

(10+n+2)(10+m+2)(10+k+2)(0…32)(4)

EtherType Ox88A4
EtherCAT : trame Ethernet standard conforme à IEEE 802.3

Pour maintenir la communication Ethernet entre les nœuds, il est possible, en option,d’encapsuler en parallèle les liaisons TCP/IP dans un tunnel via un canal de messageriesans préjudicier au trafic de données en temps réel.
Le MainDevice configure et met en correspondance les données de processus dansles SubDevices pendant le démarrage. Différentes quantités de données peuvent êtreéchangées avec chaque SubDevice, de 1 bit à quelques octets, voire des kilooctets dedonnées.
La trame EtherCAT contient un ou plusieurs datagrammes. L’en-tête du datagramme
indique le type d’accès que le MainDevice aimerait exécuter dans le réseau :	Lecture, écriture, lecture et écriture	Accès à un SubDevice déterminé par un adressage direct ou accès à de nombreux
SubDevices par un adressage logique (adressage implicite)
L’adressage logique est utilisé pour l’échange cyclique des données de processus. Chaquedatagramme adresse une certaine partie de l’image de processus dans le segment
EtherCAT pour lequel un espace d’adressage de 4 Go est disponible. Au démarrage duréseau, une ou plusieurs adresses de cet espace sont affectées à chaque SubDevice.
Quand plusieurs/de multiples SubDevices reçoivent une adresse située dans la mêmeplage, il est possible de leur adresser un seul et même datagramme. Les datagrammes
contenant toutes les informations sur l’accès de données souhaité, le MainDevice décide
du type de données auquel il accède et quand. Il peut, par exemple, tirer profit de temps
de cycle courts pour actualiser les entraînements dans le système et, simultanément,utiliser un temps de cycle plus long pour interroger les E/S. Aucune structure de trame
fixe n’est définie, ce qui déleste le MainDevice par rapport aux systèmes de bus de

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

Les données de processus sont ajoutées dans la trame en transit

Outre l’adressage logique, le MainDevice a la possibilité d’adresser un SubDevice à l’aide
de sa position dans le réseau. Cette méthode est employée pour déterminer la topologie
du réseau à son démarrage et la comparer à la topologie prévue.
Une fois la configuration contrôlée, le MainDevice peut assigner à chaque nœud une
adresse de nœud configurée et communiquer avec ce nœud via cette adresse fixe. Cemécanisme permet un accès ciblé à un périphérique même si la topologie change en coursde service, par exemple quand des groupes Hot Connect sont raccordés au réseau. Il existe
deux approches pour la communication SubDevice/SubDevice : un SubDevice peut envoyer
directement des données à un autre nœud qui est connecté plus en aval dans le réseau. La
trame EtherCAT n’étant traitée que vers l’avant, cette communication directe est tributairede la topologie. Elle se prête particulièrement aux liaisons SubDevice/SubDevice dans une

Ethernet

14

construction de machine fixe, par exemple dans des machines d’emballage ou d’impression.
En revanche, la communication SubDevice/SubDevice librement configurable est réalisée
via le MainDevice et requiert deux cycles de bus (mais pas nécessairement deux cycles
de commande). Néanmoins, grâce à l’excellente performance d’EtherCAT, ce type decommunication SubDevice/SubDevice est plus rapide que les autres technologies decommunication.

Topologie flexible
En ligne, en arbre, en étoile, en guirlande : EtherCAT supporte quasiment toutes
les topologies.
La technologie EtherCAT permet une topologie de bus ou purement linéaire incluant
plusieurs centaines de nœuds, et sans les habituelles restrictions imposées aux systèmes

MAIN
DEVICE

Topologie flexible : en ligne, en arbre ou en étoile

comprenant des commutateurs ou des concentrateurs connectés en cascade.
La combinaison d’une structure linéaire et de branches s’avère particulièrement avantageuse
en termes de câblage du système. En effet, les ports nécessaires pour raccorder les branches
sont intégrés directement sur de nombreux modules E/S ; des commutateurs ou d’autrescomposants d’infrastructure actifs ne sont pas requis. Naturellement, il est aussi possible derecourir à la topologie en étoile classique pour Ethernet.
Les machines modulaires ou les changeurs d’outils ont besoin de segments de réseau
ou de nœuds isolés afin de pouvoir être branchés et débranchés en cours de service. Lescontrôleurs SubDevices EtherCAT contiennent par principe cette fonction de connexion à
chaud : quand une station voisine est enlevée du réseau, le port est automatiquement
fermé de sorte que le reste du réseau peut continuer à fonctionner sans interférence.
Des temps de détection ultra-courts < 15 µs garantissent une commutation en douceur.
EtherCAT est aussi extrêmement flexible à l’égard du câblage utilisé. Il accepte tant lescâbles Ethernet industriel peu onéreux employés pour couvrir une distance de 100 m entre
deux nœuds en mode 100BASE-TX que les fibres optiques pour relier par exemple deuxnœuds distants de plus de 100 m. Par ailleurs, le protocole étendu EtherCAT P permet latransmission de données et de courant via un seul et même câble. Avec cette option, il est
possible de raccorder des périphériques, par exemple des capteurs, avec une seule ligne.
La gamme complète du câblage Ethernet peut donc être exploitée avec EtherCAT.
De plus, avec EtherCAT, le réseau est déployable quasiment à l’infini puisque jusqu’à
65 535 périphériques peuvent être raccordés dans un seul segment. Grâce à ce nombre denœuds pratiquement illimité, il est possible de concevoir des appareils modulaires commedes stations E/S « saucissonnées », chaque module étant un nœud EtherCAT propre.
Ce concept évite l’emploi d’un bus d’extension local. Du fait de sa grande performance,
EtherCAT atteint directement chaque module, sans retard, car il se passe de passerelle dansle coupleur de bus ou dans la station de tête.

15

16

Synchronisation extrêmement
précise avec les horloges
distribuées

L’information temporelle de l’horloge de référence étant reçue chez les horloges SubDevices
avec un léger retard dû au temps de propagation le long du câble et dans les nœuds, il est
nécessaire de mesurer et de compenser ce retard pour chaque SubDevice afin d’assurer lasimultanéité et le synchronisme physique. Cette simultanéité est elle aussi bien inférieureà 1 µs.

La synchronisation exacte revêt toujours une importance particulière quand des processus
dispersés dans l’espace exigent des actions simultanées. Cela peut être le cas par exemple,
dans des applications où plusieurs axes assistés exécutent des mouvements coordonnés.
Contrairement à la communication entièrement synchrone dont la qualité peut souffrir dès
que des interférences surviennent, les horloges distribuées synchronisées font preuve d’une
grande tolérance face aux éventuelles fluctuations dans le système de communication. C’est
la raison pour laquelle la solution EtherCAT est basée pour la synchronisation des nœuds sur lemécanisme des horloges distribuées (Distributed Clocks – DC).

t

MAIN
DEVICELa synchronisation des nœuds est entièrement basée sur le matériel ; les temps
de propagation sont calculés et compensés.

L’étalonnage des horloges dans les nœuds est complètement réalisé au niveau matériel.
À cette fin, l’heure du premier SubDevice avec DC est distribuée cycliquement à toutes lesautres horloges dans le système. Avec ce mécanisme, les horloges SubDevices peuvent
s’aligner exactement sur cette horloge de référence. La fluctuation en résultant dansle système est insignifiante, à savoir de l’ordre de 1 µs.

Synchronisme et simultanéité :données acquises par oscilloscopede deux appareils distants, reliéspar un câble de 120 m et séparéspar 300 nœuds.

Quand tous les nœuds possèdent la même information temporelle, ils peuvent définir
leurs signaux de sortie simultanément et affecter à leurs signaux d’entrée une estampilletemporelle extrêmement précise. Dans les applications de commande de mouvements,
la précision des cycles est aussi importante que le synchronisme et la simultanéité. Dans
ces applications, la vitesse est généralement dérivée de la position mesurée cycliquement,
c’est pourquoi il est essentiel que les mesures de position soient réalisées de manière
précise et équidistante (p. ex. des cycles exacts). Des fluctuations aussi légères soient-elles
dans la détection de la position ont des répercussions sur la vitesse déterminée et peuvent
se traduire par des grands sauts de vitesse, en particulier avec des temps de cycle courts.
Avec EtherCAT, les mesures de position sont déclenchées par l’horloge locale précise, et
non par le système, ce qui permet d’atteindre une exactitude bien plus élevée.
L’emploi des horloges distribuées déleste aussi le MainDevice car des actions commela mesure de la position sont déclenchées par l’horloge locale et non par la réceptiond’une trame. L’envoi d’une trame EtherCAT induit une fluctuation de l’ordre de > 1 µs car le
MainDevice exécute la pile de logiciels et utilise une interface Ethernet standard. Puisqu’il
est recouru à l’heure lue sur l’horloge de référence au moment de l’envoi de la trame
pour régler les horloges SubDevices, l’heure d’émission absolue est négligeable et peutprésenter un léger décalage. Le MainDevice EtherCAT doit uniquement veiller à envoyer latrame EtherCAT suffisamment tôt avant que le signal DC dans les SubDevices déclenchela définition des sorties.

17

18

Diagnostic et localisation
des erreurs
Les expériences recueillies avec les systèmes de bus de terrain classiques montrent que ladisponibilité et la durée de mise en service d’une installation découlent essentiellement despropriétés de diagnostic du système. La détection des erreurs mais aussi leur localisation
sont importantes pour assurer un dépannage rapide. Outre la possibilité de scanner et decomparer la topologie du réseau avec la topologie prévue pendant le démarrage, EtherCAT
supporte de manière inhérente de nombreuses autres fonctions de diagnostic.
Le contrôleur SubDevice EtherCAT (ESC) dans chaque nœud vérifie la trame en transit
à l’aide d’une somme de contrôle pour y détecter d’éventuelles erreurs. En effet, lesinformations sont mises à la disposition de l’application SubDevice uniquement si la trame
reçue est dépourvue d’erreur. Quand une erreur de bit est reconnue, un compteur est
incrémenté et les nœuds en aval sont informés que la trame est erronée. Le MainDevice
reconnaît également la trame erronée et la rejette. Le MainDevice est capable de localiser
avec exactitude la source de l’erreur dans le système en analysant les compteurs d’erreur
des nœuds, ce qui constitue un avantage considérable par rapport aux systèmes de bus
de terrain classiques où une erreur se propage tout au long de la ligne de bus commune
dans le système rendant impossible la localisation de la source du dérangement. EtherCAT
peut détecter et localiser des perturbations aléatoires avant qu’elles n’impactent lafonctionnalité de la machine.
Grâce à une exploitation bien meilleure de la bande passante, la probabilité qu’une
trame EtherCAT soit falsifiée par un bit d’erreur est bien plus faible qu’avec les technologies
utilisant des trames isolées, à condition que le même temps de cycle soit utilisé.
Et lorsque des temps de cycle plus courts sont appliqués (c’est habituellement le cas avec
EtherCAT), le temps requis pour détecter une perturbation éventuelle est substantiellement
réduit, ce qui simplifie considérablement le dépannage au sein de l’application.
Chaque trame contient un compteur de traitement (Working Counter) qui surveillela consistance des données dans les datagrammes. Chaque nœud auquel est adressé
un datagramme et dont la mémoire est disponible incrémente le Working Counter
automatiquement. Le MainDevice peut alors vérifier à chaque cycle si tous les nœuds
configurés ont bien traité les données. Si le compteur a une valeur différente de cellerequise, le MainDevice ne transmet pas les données de datagramme à l’applicationde commande. À l’aide des informations d’état et d’erreur fournies par les nœuds
et, éventuellement, d’état de liaison, il est en mesure de déterminer la cause ducomportement inattendu.
Le trafic du réseau Ethernet peut être enregistré au moyen d’outils logiciels gratuits
qui sont adaptés à la technologie EtherCAT car elle utilise des trames Ethernet standards.
À titre d’exemple, « Wireshark » est un outil très répandu qui contient un interpréteur
de protocole pour EtherCAT de sorte qu’il est en mesure d’afficher les informations
spécifiques au protocole (comme le Working Counter, les ordres, etc.) en texte clair.

Plus d’informations sur le diagnostic peuvent être trouvées ici : www.ethercat.org/diag19
Diagnostic synchrone cyclique
Cyclique

Acyclique- Working Counter

Diagnostic matériel

Diagnostic logiciel- Lost Link Counters- RX Error Counters- State Machine Errors- Diagnosis History Object

Matériel

Logiciel

Résumé des fonctionnalités de diagnostic EtherCAT

Principe de l’interface de diagnostic indépendante
du MainDevice EtherCAT
Grâce aux fonctionnalités expliquées précédemment, toutes les informations de diagnostic
nécessaires pour surveiller l’état du réseau ainsi que pour détecter et localiser les erreurssont disponibles pour le MainDevice dans tous les réseaux EtherCAT.
Cependant, ces informations brutes doivent être fournies aux outils de diagnostic et
aux utilisateurs finaux pour être interprétées et utilisées. Avec la spécification ETG.1510
Profile for Master Diagnosis Interface, l’ETG a défini une solution permettant aux outils
externes d’accéder aux informations de diagnostic fournies par les réseaux EtherCAT d’unemanière indépendante du fournisseur du MainDevice et de l’implémentation du logiciel.
L’ETG.1510 améliore la spécification ETG.1500 EtherCAT Master Classes. Les informations dediagnostic sont mises en correspondance avec le dictionnaire d’objets du MainDevice EtherCAT
défini dans l’ETG.5001, qui est étendu à cette fin. La structure du réseau telle qu’elle est
attendue par le MainDevice sur la base de la configuration hors ligne et la topologie actuelle
du réseau telle qu’elle est détectée par un balayage en ligne sont toutes deux fournies.
Les informations de diagnostic elles-mêmes sont présentées sous la forme de compteurs
cumulatifs cohérents résumant l’état du réseau depuis son démarrage jusqu’à aujourd’hui. Par
conséquent, l’interface de diagnostic peut être consultée à une fréquence indépendante dutemps de cycle du réseau EtherCAT, et les outils externes n’ont pas besoin d’être performants
en temps réel.

20

L’accès aux informations de diagnostic s’effectue via le protocole d’application CAN over
EtherCAT (CoE) bien établi. Basée sur des protocoles et des fonctionnalités existants etentièrement standard, l’interface de diagnostic peut être facilement mise en œuvre en tantqu’extension logicielle allégée au-dessus de n’importe quelle implémentation de MainDevice
standard. Le nombre de ressources requises par une telle extension logicielle est très faible,
ce qui rend la mise en œuvre de l’interface de diagnostic possible pour toutes les solutions
MainDevices, y compris les systèmes embarqués simples et compacts.
Grâce à l’interface de diagnostic EtherCAT, les fournisseurs d’outils de diagnostic
de machines et de réseaux peuvent utiliser une interface universelle à usage général
pour collecter des données de diagnostic à partir des réseaux EtherCAT. Ils peuvent
communiquer ces informations aux techniciens et aux ingénieurs d’une manière conviviale
et graphiquement intuitive. Les réseaux n’ont pas non plus besoin de modifier leurcomportement en fonction du fabricant du MainDevice spécifique, ni d’utiliser le protocoled’accès propriétaire d’un fournisseur pour chaque implémentation différente du MainDevice.

Diagnostic
Interface

HMI orDiagnostic
Tool

Diagnostic
Interface

Diagnostic
Interface

MAIN
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICE

MAIN
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICE

MAIN
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICE

Vendor 1

Vendor 2

Vendor n

Principe de l’interface de diagnostic indépendante du MainDevice EtherCAT

Disponibilité élevéeDe nombreuses installations exigent une disponibilité élevée afin qu’aucune rupture decâble ni aucune panne de nœud n’entraîne une indisponibilité du réseau ou la perte deliaisons avec des segments du réseau.
Avec EtherCAT, de simples mesures permettent d’assurer la redondance des lignes :ainsi, la topologie linéaire peut être transformée en une topologie en anneau en ajoutant
un port Ethernet dans le MainDevice et un câble reliant le dernier nœud à ce port.
La détection d’un cas de redondance est prise en charge par une extension logicielle
implémentéedans la pile de logiciels du MainDevice. C’est tout ! Les nœuds ne subissent aucune
modification et « ignorent » même qu’ils sont exploités dans un réseau redondant.
Un cas de redondance, comme la rupture d’un câble ou le dysfonctionnement d’un

MAIN
DEVICE

Redondance des lignes à un prix imbattable avec des SubDevices EtherCAT standards

nœud, est automatiquement reconnu par la détection des liaisons inactives des nœuds.
La durée de reprise est inférieure à 15 µs, ce qui signifie qu’au pire, un cycle decommunication est perturbé. En d’autres termes, les applications de commandedu mouvement
à cycles courts continuent de fonctionner sans faille même quand un câble est rompu.
EtherCAT permet même de réaliser la redondance de MainDevice avec des fonctions dereprise immédiate (Hot Standby). Par ailleurs, des composants de réseaux vulnérables,
par exemple des nœuds, qui sont reliés via une chaîne de traînage peuvent être raccordés
par un tronçon de ligne pour ne pas préjudicier au bon fonctionnement d’autres parties
de l’installation en cas de panne.

21

22

EtherCAT G : communication
au niveau gigabit
En tant qu’extension du protocole EtherCAT standard, EtherCAT G permet la communication
de données à des débits de 1 Gb/s et 10 Gb/s. Ceci est particulièrement utile pour latransmission de grandes quantités de données de processus par participant au réseau,comme pour la vision industrielle, la technologie de mesure haut de gamme ou lesapplications de mouvement complexes.
Le protocole EtherCAT lui-même ainsi que toutes ses caractéristiques positives sontentièrement conservés avec EtherCAT G/G10. EtherCAT G/G10 est entièrement compatible
avec la norme IEEE 802.3 et la flexibilité de la topologie reste la même : il est possible deréaliser des lignes descendantes, des lignes, des guirlandes ou des structures arborescentes.
L’extension gigabit introduit également le concept de branche, qui est mis en œuvre
avec les contrôleurs de branche EtherCAT (EBC). Les EBC servent de nœuds pour l’intégrationde segments indépendants avec des dispositifs à 100 Mb/s d’une part, et d’autre part, ilspermettent le traitement parallèle des segments EtherCAT connectés au sein d’un réseau
EtherCAT G. La combinaison de segments Gb/s avec des segments 100 Mb/s est également
possible.
L’acheminement des données dans les segments individuels est contrôlé par la priorité
et/ou le temps, chaque branche étant traitée comme un segment EtherCAT indépendant :une trame ne passe pas par tous les segments en série, mais les segments sont traitésen parallèle. Cela permet de réduire considérablement les temps de propagation dans lesgrands réseaux et d’augmenter considérablement les performances du système.
Dans la tradition EtherCAT, la configuration des contrôleurs de branche EtherCAT est
gérée par le MainDevice, de sorte qu’aucun outil de configuration supplémentaire n’est
nécessaire. La seule chose que le MainDevice doit offrir est un port Gb/s. Des fonctions
importantes telles que le diagnostic ou la synchronisation du réseau via des horloges
distribuées sont prises en charge par les contrôleurs de branche EtherCAT et sont transmises
de manière transparente aux segments connectés.
EtherCAT G/G10 offre donc les avantages d’une largeur de bande considérablement
accrue et de temps de propagation réduits sans que les appareils de terrain eux-mêmes
ne doivent tous être équipés d’interfaces gigabit : les appareils 100 Mb/s qui ont fait leurs
preuves sont conservés et, grâce au concept de contrôleur de branche EtherCAT, profitent
toujours de l’expansion technologique. Cela signifie que l’EtherCAT est prêt à répondre aux
exigences futures accrues.

Segment 1

MAIN
DEVICEEBC

23
1 Gb/sSegment 2

EBC

100 Mb/s

100 Mb/s

10 Gb/sSUB
DEVICE

Segment 3
EBC

1 Gb/s100 Mb/s

SUB
DEVICE
Segment 4

EBC

1 Gb/sSegment 5

10 Gb/s

EBC

100 Mb/s

100 Mb/s

Exemple de configuration d‘un réseau EtherCAT G/G10

Pour plus d’informations sur l’EtherCAT G, voir : www.ethercat.org/ethercat-g

Vue d’ensemble du système EtherCAT
EtherCAT pour la mise en réseau des usines

MAIN
DEVICE

Decentralized
Safety over EtherCAT
MainInstanceDistributed Clock:
Reference Clock

SUB
DEVICESAFETY

LVDS
backplane

SafetySubInstance

PORT 3ESC

PORT 1

Standard
Ethernet
interface

EPU

EtherCAT Device Protocol (EDP)
PORT 0EtherCAT Automation Protocol (EAP)

EtherCAT pour la commande de machines et d’installations

PORT 2

SAFETY

MainInstance

SubInstanceFlexible topology:- line- tree- star- branch

MES
High process data:
e.g. machine vision

EtherCAT BranchController

MAIN
DEVICE

Externalsynchronization:- GPS- IEEE 1588
- DCF77

Distributed Clocks (DC):providing extremely
accurate synchronization;jitter << 1 µs

Optical fibre:
up to 20 km between
two devices

High-end
measurement

EtherCAT P:
data and power on
the same cable

Up to 65,535
nodes

EtherCAT P
power
sourceEBC
24 V DC
Segment 1

ID 01
Hot Connect
ERP

Junction

Segment 2

EBC

SwitchSensor

Actor

ID 02
Explicit device
identification
Junction

Actor

Segment m
ID 03

Controller toController
communication

Class A or Class B
MainDevice according to
MainDevice Class Directive

HMI

Copper cable:
up to 100 m between
two devices

TabletGatewayHigh availability:
cable redundancy

WiFi

SAFETY

MainInstance

SUB DEVICE
Switchport

SUB DEVICESUB DEVICE

Centralized
Safety over EtherCAT
MainInstance

MAIN
DEVICE

SubDevice to
MainDevice

Fieldbus integration
via gateways

MAIN
DEVICE

MAIN
DEVICE

Data exchange &synchronization
between EtherCAT
segments

SAFETYSubInstance
Other fieldbuses

Standard Ethernet
integration:- Ethernet over
EtherCAT (EoE)
e.g. TCP/IP

Drive integration:- CAN application protocol over EtherCAT (CoE)with DS402 Drive Profile- Servo Drive Profile over EtherCAT (SoE)- Safety Drive Profile- Modular Device Profile (MDP)26

EtherCAT P : communication etpuissance dans le même câble

27

RX-

TX-

TXUS

TX+

SUB
DEVICERX+

EtherCATPower

SUB
DEVICEUSSUB
DEVICE

TX+
GNDS

GNDS
GNDP

EtherCAT P (P = Power) est une extension du protocole EtherCAT décrit ci-dessus. Il permet
non seulement de transmettre des données de communication, mais aussi d’alimenter encourant les appareils via un câble Ethernet standard à quatre fils.
EtherCAT et EtherCAT P sont identiques sur le plan de la technologie de protocole ;l’extension touche uniquement la couche physique, ce qui signifie qu’EtherCAT P n’exige
l’emploi d’aucun nouveau contrôleur SubDevice EtherCAT. EtherCAT P offre donc les mêmes
avantages qu’EtherCAT et, en complément, il fournit l’alimentation électrique via le câblede communication - une propriété très intéressante pour de nombreuses applications.
Deux tensions de 24 V isolées galvaniquement, commutables individuellement,fournissent la puissance aux appareils EtherCAT P spéciaux, US servant à alimenter lesystème et les capteurs, et UP les périphériques et les actionneurs. Les deux tensions US et
UP sont intégrées directement dans la ligne de communication EtherCAT 100Mbit/s. Grâceà la propriété d’EtherCAT P, l’utilisateur peut relier en cascade plusieurs périphériques
EtherCAT avec un seul et même câble, ce qui réduit l’encombrement et les coûts. La
diminution du nombre de fils a une répercussion directe sur les coûts du système, etl’espace requis pour les appareils, les accessoires et les machines s’amenuisent également.

SUB
DEVICEUP

Power: 2 x 24 V DC,
3 A (US , UP)

Raccordement à deux câbles :EtherCAT + alimentation séparée

RXUP

RX+
GNDP

EtherCAT P : les données et l’alimentation en couranttransitent par le même câble

EtherCAT P s’avère particulièrement intéressant pour les parties de machine qui sontcoupées du reste du système et fonctionnent en vase clos car elles peuvent êtrealimentées en données et en puissance par une seule ligne de raccordement. EtherCAT
P est aussi parfaitement adapté pour tous les types de capteurs : un simple connecteur
M8 compact suffit désormais pour les intégrer au réseau haute vitesse et les raccorderà l’alimentation en tension. De plus, le connecteur est doté d’un codage mécanique qui
permet d’écarter toute source d’erreur lors du branchement.
EtherCAT P peut être utilisé parallèlement à la technologie EtherCAT standard, et cedans le même réseau. Des redresseurs appropriés transforment la physique requise pour
EtherCAT conventionnel en EtherCAT P tout en maintenant dans son intégralité le codage
des données Ethernet. De même, un appareil peut être alimenté par EtherCAT P et, en
retour, transférer des données par le protocole EtherCAT.
Vous trouverez de plus amples informations sur EtherCAT P à l’adresse :www.ethercat.org/ethercat-p.

Transmission des données sécuriséeavec Safety-over-EtherCAT

28

Les systèmes de communication modernes ne servent pas seulement au transport
déterministe d’informations de commande, mais ils sont aussi capables de transmettredes données pertinentes pour la sécurité à travers le même support. Pour ce faire, EtherCAT
recourt au protocole sécurisé Safety-over-EtherCAT (FSoE = Fail Safe over EtherCAT) qui
présente les avantages suivants :	Système de communication permettant de transmettre à la fois des informations
importantes pour la commande et la sécurité	Possibilités de modification et d’extension souples de la structure de l’installation
dédiée à la sécurité
	Solutions de sécurité prêtes à l’emploi, certifiées, pour un degré élevé de sécurité
	Bonnes possibilités de diagnostic aussi pour les fonctions de sécurité
	Intégration parfaite du concept de sécurité dans le concept machine	Utilisation des mêmes outils de développement pour les applications standards etde sécurité
MAIN
DEVICE

MAIN
DEVICESAFETY
Relais Logic

SAFETY

MainInstance

SAFETYSubInstanceSUB
DEVICE

en parallèle des données standards et de sécurité. Les trames de sécurité contiennent lesdonnées de processus critiques pour la sécurité ainsi que des informations complémentaires
pour la sécurisation de ces données ; ces trames dénommées « Safety Container » sonttransportées avec les données de processus de communication. Le transfert de données peutêtre effectué avec n’importe quelle technologie de communication sous-jacente et n’est
donc pas limité à EtherCAT : il est possible de transmettre les « Safety Containers » à travers
des systèmes de bus de terrain, Ethernet ou des technologies similaires et d’utiliser deslignes électriques, des fibres optiques ou des liaisons hertziennes.

Ethernet telegram
ECAT HDR

Ethernet header

Datagram 1

Datagram 2

Safety over EtherCAT frame
CMD

Safe data

CRC_0

Safe data

CRC_1

Cette souplesse simplifie également la mise en réseau sécurisée de parties del’installation. Le Container Safety-over-EtherCAT est acheminé via les commandes
et traité dans les différentes parties de l’installation. Cette communication permetd’exécuter sans problème des fonctions d’arrêt d’urgence touchant toute la machine ou
des immobilisations ciblées de modules même s’ils sont raccordés les uns aux autres via
d’autres systèmes de communication, p. ex. Ethernet.
L’implémentation du protocole dans un appareil demande peu de ressources etpermet d’atteindre une performance élevée et donc un temps de réponse court. Dans lesecteur robotique, il existe des installations qui exploitent Safety-over-EtherCAT pour desapplications d’entraînement sécurisées dans une boucle de 8 kHz.

Device 2
Controller B
safetyprotocolController A
safetyprotocolEtherCAT SubDevice Controller

Homologuée par le contrôle technique allemand TÜV Süd, la technologie a été développée
selon les prescriptions de la norme CEI 61508 et a fait l’objet d’une normalisationinternationale (CEI 61784-3). Le protocole se prête à un emploi dans des applications jusqu’à
un niveau d’intégrité de sécurité SIL3. Dans Safety-over-EtherCAT, le support de transport
fait partie dudit canal noir qui n’est pas considéré comme étant pertinent pour la sécurité.
Le système de communication standard EtherCAT utilise un seul canal pour transférer

Conn ID

Le Safety Container est incorporé dans la communication cyclique des données de processus.

Device 1

Par rapport au câblage E/S sécurisé conventionnel, Safety-over-EtherCAT permet de réaliser des architecturesbeaucoup plus simples et plus souples.

FSC

IN

OUT

Controller B
safetyprotocolController A
safetyprotocolEtherCAT SubDevice Controller
IN

OUT

Principe du « canal noir » : il est possible d’utiliser le circuit de communication standard.

Vous trouverez d’autres informations sur la technologie Safety-over-EtherCAT
sur le site Web EtherCAT : www.ethercat.org/safety.

29

30

Profils de communication

CAN application protocol over EtherCAT (CoE)Pour configurer et établir le diagnostic des nœuds, il est possible d’accéder aux variables
disponibles pour le réseau à l’aide d’une communication acyclique qui se fonde sur unprotocole de messagerie fiable, avec une fonction de récupération automatique destrames erronés.
Divers profils de communication pour EtherCAT ont été déterminés en se basant sur cecanal de messagerie afin de supporter une grande variété de périphériques et de couches
d’application, à savoir :	CAN application protocol over EtherCAT (CoE)	Servo drive profile according to IEC 61800-7-204 (SoE)	Ethernet over EtherCAT (EoE)	File access over EtherCAT (FoE)	ADS over EtherCAT (AoE)

File system,
bootloader

File accessSubordinatedobject dictionaries or devices

Gatewayfunction

HTTP, FTP, …

IEC 61800-7-204
application(SERCOS)CANopenapplication

TCP UDPIDN

ObjectDictionary

IP

ServicechannelSDO

PDO
mapping

Ethernet
FoE

AoE

EoE

SoE

Mailbox

Process data

CoE

AT
MDT

CoE/SoE

31

Avec le protocole CoE, EtherCAT fournit les mêmes mécanismes de communication que
ceux connus du standard CANopen® EN 50325-4 : dictionnaire d’objets, mappage PDO(Process Data Objects) et SDO (Service Data Objects) – même la gestion du réseau est
similaire. De la sorte, EtherCAT peut être aisément implémenté sur des périphériques
jusqu’alors dotés de CANopen car de grandes parts du firmware CANopen sontréutilisables. En option, il est possible d’étendre les objets afin, d’une part, de leverla restriction à 8 octets des PDO et, d’autre part, d’exploiter la pleine bande passanted’EtherCAT pour télécharger le dictionnaire d’objets dans son intégralité. Cette dernière
fonction permet à EtherCAT de réutiliser les profils de périphérique, par exemple le profild’entraînement CiA 402.

Servo drive profile according to IEC 61800-7-204 (SoE)
SERCOS™ est connu comme interface de communication en temps réel, en particulier
pour des applications de contrôle du mouvement. Le profil SERCOS™ pour entraînements
assistés est inclus dans la norme internationale CEI 61800-7. Cette norme contientégalement le mappage du profil sur EtherCAT. Le canal de service, c’est-à-dire l’accès à tous
les paramètres et les fonctions internes d’entraînement, est représenté sur la messagerie
de EtherCAT.

Ethernet over EtherCAT (EoE)
EtherCAT utilise les couches physiques Ethernet ainsi que la trame Ethernet. Le terme
Ethernet est aussi fréquemment associé avec le transfert de données dans des applications
TI qui reposent sur une liaison TCP/IP.

Process data

EtherCAT SubDevice Controller

MAIN
DEVICE

Switchport

Physical layer
Divers profils de communication peuvent coexister dans le même système

Un SubDevice n’est pas obligé de supporter tous les profils. Par contre, il peut choisir leprofil le mieux adapté à ses propres besoins. Les profils implémentés sont notifiés au
MainDevice dans le fichier de description de l’SubDevice.

Transmission transparente de protocoles TI standards

Webserver

32

Le protocole Ethernet over EtherCAT (EoE) permet de transporter n’importe quel trafic dedonnées Ethernet au sein d’un segment EtherCAT où les périphériques Ethernet standards
sont raccordés via un port dit Switch. Les trames Ethernet sont encapsulées dans un tunnel
via EoE (une procédure similaire à celle des protocoles Internet dans d’autres secteurs, p.
ex. TCP/IP, VPN, PPPoE (DSL) etc.), ce qui rend le réseau EtherCAT entièrement transparent
pour les périphériques Ethernet. L’appareil doté des propriétés du port Switch veille àl’insertion des fragments TCP/IP dans le trafic EtherCAT et préserve la capacité temps réel
du réseau.
De plus, les périphériques EtherCAT peuvent supporter des protocoles Ethernet telsque HTTP et ainsi se comporter comme un nœud Ethernet standard à l’extérieur dusegment EtherCAT. Le MainDevice fait office de commutateur à deux couches qui faitsuivre les trames vers les nœuds correspondants via EoE en se fondant sur les adresses
MAC. De la sorte, il est possible d’implémenter l’ensemble des technologies Internet dansl’environnement EtherCAT : serveur Web intégré, e-mail, transfert FTP, etc.

File access over EtherCAT (FoE)
Ce protocole simple, semblable à TFTP (Trivial File Transfer Protocol), permet d’accéderaux fichiers dans un périphérique. Il est employé avant tout pour télécharger de manière
uniforme un firmware sur les appareils via le réseau. Afin qu’il puisse être supporté pardes programmes d’amorçage, le protocole FoE bénéficie d’une structure réduite à l’extrême
– il ne nécessite aucune pile TCP/IP.

Communication à l’échelle
de l’installation avec leprotocole EAP (EtherCAT
Automation Protocol)
Pour exploiter une installation ou une usine, le niveau de commande de processus exige
d’autres possibilités de communication (voire différentes) que celles jusqu’alors requises
par le protocole EtherCAT décrit ci-dessus. Des parties de la machine doivent fréquemmentéchanger des informations sur leur propre état et les étapes de production suivantes
avec des commandes des parties voisines de l’installation. De plus, il existe souvent un
ordinateur contrôleur central qui surveille le système entier, fournit à l’opérateur desdonnées d’état sur la productivité et donne de nouveaux ordres à différentes parties de lamachine.
ERP

HMI(e.g. OPC,
Thin Client)

SwitchEtherCAT Automation Protocol
Process
Control

Configuration
Handheld

ADS over EtherCAT (AoE)
La spécification EtherCAT décrit ADS over EtherCAT (AoE) comme un protocole client/serveur basé sur une boîte de messagerie. Tandis que des protocoles tels que CoE
offrent un concept sémantique détaillé, AoE le complète avec des services parallèleset compatibles avec le routage où ils sont requis : par exemple, pour accéder à unprogramme AP sur des sous-réseaux derrière des passerelles EtherCAT/bus de terrain,comme CANopen®, IO-Link™, etc. L’implémentation d’AoE exige bien moins de mémoireque des services similaires fournis par le protocole Internet IP. Les paramètres d’adressage
de l’expéditeur et du destinataire sont inclus dans la trame AoE, ce qui permet une
implémentation économe en ressources tant du côté client que serveur.
Par ailleurs, AoE constitue le protocole idéal pour la communication acyclique duprotocole EAP (EtherCAT Automation Protocol) et assure une communication continue
entre un système MES supérieur, le MainDevice EtherCAT et des périphériques de bus
de terrain subordonnés, raccordés via une passerelle. AoE sert aussi à obtenir du réseau
EtherCAT des informations de diagnostic à partir d’un outil de diagnostic à distance.

33

MAIN
DEVICE

MAIN
DEVICESUB
DEVICE

MAIN
DEVICE

MAIN
DEVICE

MAIN
DEVICE

Switchport

EtherCAT Device Protocol
Communication à l’échelle de l’installation avec EtherCAT

Le protocole EtherCAT Automation (EAP) remplit toutes les exigences mentionnées.
Il définit des interfaces et des services pour :L’échange de données entre les appareils MainDevices EtherCAT(communication MainDevice/MainDevice)
L’échange de données pour les appareils de visualisation (HMI)
La supervision des commandes pour accéder aux SubDevices dans des segments
EtherCAT sous-jacents (routage)
L’intégration d’outils pour la configuration de la machine, de l’installation ou
des périphériques

34l’EtherType Ox88A4 identifie l’utilisation spécifique à EtherCAT de la trame, ce qui permet
un échange de données ultra-performant avec l’EAP, de l’ordre de la milliseconde. Si
jamais des données doivent être acheminées entre des machines dispersées au sein d’une
installation, les données de processus peuvent aussi être transmises par UDP/IP ou TCP/IP.
Il est également possible de communiquer des données critiques pour la sécurité
avec l’EAP en utilisant le protocole Safety-over-EtherCAT. Cette fonction est généralement
employée dans de grandes installations où l’échange d’informations de sécurité est
nécessaire entre des modules de machine afin, par exemple, de déclencher un arrêt
d’urgence immobilisant toutes les parties de l’installation ou d’informer des modules enamont ou en aval d’un arrêt d’urgence touchant une partie donnée.

PROCESSCONTROL

Intégration d’autres systèmesde busEtherCAT Automaton Protocol (EAP)
Safety over EtherCAT

MAIN
DEVICESAFETY
MainInstance

MAIN
DEVICESAFETYSAFETYSAFETY

MainInstance

MainInstance
MDEVICE

MainInstance

SAFETYSAFETY

MainInstanceMAIN
MDEVICEDEVICESAFETYSUB
DEVICESUB
DEVICESAFETYSubInstance

Machine module A

Machine module B

SubInstanceLa large bande passante d’EtherCAT permet d’incorporer des réseaux de bus de terrain
classiques comme un système sous-jacent via une passerelle EtherCAT. Ce procédé s’avère
particulièrement utile lors de la migration d’un bus de terrain classique vers EtherCAT. La
conversion d’une installation à EtherCAT s’effectue alors progressivement. En parallèle, il
est possible de continuer à exploiter des composants d’automatisation qui ne supportentpas (encore) d’interface EtherCAT.
MAIN
DEVICE

Gateway

Gateway

Machine module C

Architecture de communication avec EtherCAT Automation Protocol et Safety-over-EtherCAT couvrant l’ensemble de l’installation

Les protocoles de communication utilisés dans l’EAP font partie intégrante de la norme CEI
1158. L’EAP peut être transmis via n’importe quelle liaison Ethernet, voire par connexion
hertzienne, ce qui permet, par exemple, d’intégrer dans le réseau, par radio, des véhiculesà guidage automatique (VGA) comme on en trouve couramment dans l’industrie des semiconducteurs ou dans l’automobile.
L’échange cyclique des données de processus dans l’EAP s’effectue selon le principedu « flux poussé » ou du « flux tiré ». En mode de flux poussé, le nœud de communication
envoie ses données avec son temps de cycle ou dans un multiple de son temps de cycle.
Le destinataire peut être configuré pour recevoir des données d’expéditeurs spécifiques.
La configuration entre les données de l’expéditeur et du destinataire est réalisée, selon
la procédure connue, via le dictionnaire d’objets. En mode de flux tiré, un nœud (souventle contrôleur central) envoie une trame aux autres nœuds, et chaque nœud répond avec sa
propre trame.
La communication EAP cyclique peut être intégrée directement dans la trame Ethernet
sans recourir à un protocole de transport ou de sécurité supplémentaire. Ici aussi,

EtherCAT permet l’intégration d’une interface de bus de terrain décentralisée.

En outre, la faculté d’intégrer des passerelles décentralisées réduit la taille physique desPC industriels, voire permet de mettre sur pied des solutions de petite taille ou de PC
embarqué, étant donné que le système se passe désormais de carte d’extension : par lepassé, il fallait en effet recourir à des cartes d’extension pour connecter des appareils
comme des passerelles de bus de terrain MainDevice/SubDevices, des interfaces desérie rapides ainsi que d’autres sous-systèmes de communication. Avec EtherCAT, on n’adésormais besoin que d’un simple port Ethernet pour assurer la connexion de tous ces
appareils. Les données du bus de terrain intégré sont directement mises à la disposition du
MainDevice dans la représentation des données de processus.

35

36

Accélérez la dématérialisation
avec EtherCAT, TSN, Industrie 4.0
et IoT

Optimisation des processus, maintenance prévisionnelle, fabrication comme service,
systèmes adaptatifs, préservation des ressources, l’usine intelligente ou baisse des coûts :il existe de nombreuses bonnes raisons d’exploiter les données de processus dans dessystèmes supérieurs.
Que ce soit l’Internet des objets (IoT), l’Industrie 4.0 en Allemagne, le plan chinois« Made in China 2025 » ou l’initiative japonaise Industrial Value Chain Initiative (IVI),
toutes ces approches visent à valoriser la communication continue, normalisée et sansobstacle, à travers tous les niveaux. Des données de capteur téléchargées vers le cloud, desdonnées d’ordre et des paramètres chargés par les systèmes PGI dans des appareils
répartis dans l’espace, un système d’approvisionnement en produits que se partagent
deux machines : les données doivent circuler dans les deux sens, horizontal et vertical.
Or, du fait de ses propriétés « naturelles » (performance, flexibilité et interfaces ouvertes),
EtherCAT est armé pour faciliter le passage au numérique :	Une excellente performance est la condition sine qua non pour intégrer desapplications de mégadonnées dans les réseaux de commande.
	“La grande flexibilité d’EtherCAT permet d’ajouter la connectivité au cloud auxsystèmes existants sans devoir toucher à la commande ni actualiser les SubDevices :grâce à la propriété Passerelle de messagerie du MainDevice EtherCAT, les passerelles
Edge Gateways accèdent à l’ensemble des données sur tous les SubDevices EtherCAT. La
passerelle Edge peut être un appareil distant qui communique avec le MainDevice via
TCP ou UDP/IP ou bien une fonction logicielle qui se trouve sur le même équipement
que le MainDevice EtherCAT.”	Et les interfaces ouvertes permettent d’intégrer n’importe quel protocole basé IP ausein du MainDevice ou directement dans les SubDevices, qu’il s’agisse d’OPC UA, MQTT,
AMQP ou d’un autre protocole. Elles rendent ainsi possible une liaison directe ducapteur vers le cloud sans discontinuité technologique.
Le fait que toutes ces caractéristiques soient inhérentes au protocole EtherCAT prouve
combien cette architecture est apte à relever les défis technologiques futurs. Néanmoins,ce standard fait l’objet de perfectionnements constants et toutes les nouvelles propriétés
viennent s’ajouter à celles existantes, et ce sans modifier le protocole en profondeur :EtherCAT est stable depuis son lancement en 2003.
Les nouvelles propriétés TSN (Time-Sensitive-Networking) améliorent les capacitéstemps réel de la communication contrôleur/contrôleur. Supportés par TSN, les systèmes decommande (même basés sur cloud) peuvent accéder à un réseau de SubDevices EtherCAT
à travers l’infrastructure Ethernet existante. Et comme EtherCAT a besoin de seulement
une trame pour un réseau entier, cet accès s’effectue de manière plus aisée et donc plus
rapide qu’avec une technologie de bus de terrain ou Ethernet industriel. Effectivement,l’EtherCAT Technology Group (ETG) a contribué au développement du TSN dès lepremier jour ; alors que TSN était encore connu sous le nom d’AVB, les experts EtherCAT
participaient déjà au groupe de travail TSN au sein de l’IEEE 802.1.

37

De plus, l’ETG a fait partie des premières organisations d’utilisateurs de bus de terrain
à convenir d’un partenariat avec la fondation OPC. Le protocole OPC UA complète leportefeuille EtherCAT avec une technologie de communication client/serveur basée TCP/IPévolutive à sécurité intégrée et permet de transférer de manière cryptée des données dansles systèmes MES/PGI. OPC UA Pub/Sub a amélioré la facilité d’utilisation d’OPC UA dansdes applications de machine à machine ainsi que pour la communication verticale avec
des services basés cloud. L’ETG contribue activement à ces évolutions et veille à ce qu’elles
s’intègrent sans obstacle dans l’environnement EtherCAT.
EtherCAT n’est pas seulement prêt pour l’IoT, mais EtherCAT incarne l’IoT !

OPC UA, AMQP, MQTT, TSN, EAP

ERP
MES
SUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICE

MAIN
DEVICE

MAIN
DEVICE

Edge
GatewaySUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICE

MAIN
DEVICE

Edge
GatewaySUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICEIoT Protocols:
OPC UA, AMQP, MQTT

SUB
DEVICE

MAIN
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICESUB
DEVICE38

39

Implémentation desinterfaces EtherCAT

La technologie EtherCAT a été spécialement optimisée pour réduire au maximum les coûts.
Chaque capteur, chaque appareil E/S et chaque contrôleur embarqué doit pouvoir êtreraccordé à une interface EtherCAT sans augmenter considérablement les frais.
Ce n’est pas l’interface EtherCAT qui dicte le cahier des charges pour la CPU requise,mais l’application cible.
Outre les pures exigences matérielles et logicielles, l’assistance et les piles decommunication disponibles revêtent une grande importance pour le développement d’uneinterface. L’ETG offre ici une équipe d’assistance active au niveau mondial qui apporte uneaide rapide pour résoudre des problèmes techniques et répond aux questions ouvertes.
Par ailleurs, les kits d’évaluation mis à la disposition par divers fabricants, les ateliers dedéveloppeurs et les exemples de codes gratuits aident à faire les premiers pas.
Néanmoins, pour l’utilisateur final, le facteur essentiel est l’interopérabilité des appareils
EtherCAT, même de marque différente. En effet, chaque fabricant est tenu de soumettre
ses appareils à un test de conformité avant de les commercialiser. Cet essai automatique
vérifie que l’implémentation est réalisée selon les spécifications EtherCAT et peut êtreexécutée avec l’outil EtherCAT Conformance Test Tool (CTT). Un test peut aussi êtreeffectué pendant la phase de développement afin de détecter des erreurs et les prévenir.

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Implémentation du Dispositif
Principal (MainDevice)

Les exigences matérielles dictées à un MainDevice EtherCAT ne tiennent à rien : un port
Ethernet standard. C’est tout ! EtherCAT est donc LA solution Ethernet pour lesapplications en temps réel dur puisqu’elle n’a besoin d’aucun équipement MainDevice
spécial ; le contrôleur Ethernet embarqué ou une carte réseau standard bon marché suffit.
Ce contrôleur Ethernet s’intègre dans la plupart des cas à cette interface par accès
direct à la mémoire (DMA). Le transfert de données entre le MainDevice et le réseau nemobilise donc aucune capacité de la CPU. De plus, l’image de processus est d’ores et déjàprête car le mappage n’a pas lieu dans le MainDevice chez EtherCAT, mais dans les
SubDevices. Les périphériques écrivent leurs données à l’endroit spécifié dans la trame entransit et lisent les données qui leur sont adressées au passage.
Cela signifie que la puissance demandée à la CPU MainDevice n’est pas déterminée parl’interface EtherCAT, mais par l’application MainDevice souhaitée. L’implémentation d’un
MainDevice EtherCAT est particulièrement simple pour les technologies de commandede petite et de moyenne taille ainsi que pour des applications aux contours clairs.
Les MainDevices EtherCAT ont déjà été mis en œuvre sur une multitude de systèmesd’exploitation : diverses exécutions de Windows et Linux, QNX, RTX, VxWorks, Intime eteCos pour ne citer que quelques exemples.
Les membres de l’ETG offrent une large palette d’options pour soutenirl’implémentation du MainDevice : des bibliothèques de MainDevices à télécharger
gratuitement aux exemples de code MainDevice en passant par des packs completscomprenant des prestations de service pour différents systèmes d’exploitation en temps
réel et processeurs.
Pour exploiter le réseau, le MainDevice EtherCAT a besoin de la structure de trame
cyclique ainsi que des ordres de démarrage pour chaque SubDevice. Ces ordres peuventêtre exportés dans un fichier dit EtherCAT Network Information (ENI) à l’aide d’un outilde configura­-tion EtherCAT qui utilise les fichiers ESI (EtherCAT Slave Information) despériphériques raccordés.

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L’étendue de l’implémentation MainDevice disponible et des fonctions supportéesvarie suivant l’application cible. Des fonctions optionnelles sont activées ou sciemment
désactivées pour optimiser les ressources matérielles et logicielles. C’est la raison
pour laquelle les appareils MainDevices sont rangés dans deux classes spécifiques :un MainDevice de classe A est un MainDevice EtherCAT standard, un MainDevice declasse B possède une fonctionnalité réduite. La classe B est uniquement recommandéelorsque les ressources disponibles ne permettent pas la classe A, par exemple dans unsystème embarqué. Les fonctions requises et recommandées pour les deux classes sontcatégorisées en fonction des besoins de l’utilisateur final.

Control task

Process image
description (XML)

Systemconfiguration
tool

EtherCAT Network
Information (ENI)

XML parser

XML

HW configuration
Init Commands

EtherCAT SubDevice
Information (ESI)

HDR

Process data

online functions

XML

EtherCAT MainDevice driver
EtherCAT MainDevice

Standard Ethernet MAC
Architecture MainDevice EtherCAT typique42

Implémentation d’un Dispositif
Subordonné (SubDevice)

Les SubDevices EtherCAT utilisent un contrôleur SubDevice EtherCAT dit ESC (EtherCAT Slave
Controller) bon marché, comme ASIC et FPGA, ou bien sont intégrés dans un microcontrôleur
standard. L’emploi d’un microcontrôleur supplémentaire n’est même pas requis pour despériphériques simples. Dans ce cas, en effet, les entrées et sorties de processeur peuventêtre raccordées directement à l’ESC. Pour des appareils plus complexes, la performance decommunication EtherCAT dépend de manière minimale de celle du microcontrôleur utilisé
et, dans la plupart des cas, un microcontrôleur de 8 bits suffit.
Plusieurs constructeurs fournissent les contrôleurs SubDevices EtherCAT adéquats.
Leur exécution varie en fonction de la taille de la mémoire vive dynamique interne(DPRAM) ainsi que du nombre d’unités de gestion de mémoire du bus de terrain (FMMU)
et des gestionnaires de synchronisation (SyncManager). Il existe différentes interfaces
de données de processus (PDI) qui permettent au contrôleur d’application d’accéder par
l’extérieur à la mémoire d’application :	L’interface E/S parallèle de 32 bits est adaptée pour raccorder jusqu’à 32 entrées etsorties numériques, ainsi que des capteurs ou actionneurs simples pouvant fonctionner
avec 32 bits de données et ne requérant aucun contrôleur d’application.
	La SPI (Serial Peripheral Interface) a été spécialement conçue pour des applications
brassant un faible volume de données de processus, comme des modules E/Sanalogiques, des codeurs ou des entraînements simples.
	L’interface parallèle microcontrôleur 8/16 bits correspond aux interfaces
conventionnelles utilisées avec les contrôleurs de bus de terrain à DPRAM intégrée. Ellese prête particulièrement aux nœuds plus complexes gérant un volume de données
plus importants.
	Des bus synchrones adaptés pour les différents microcontrôleurs ont été implémentés
pour les variantes FPGA et intégrées.

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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 SubDevice
Controller)

SYNC-manager, FMMU

Registers

RJ 45

8 I/O

SII (e.g.
EEPROM)

Process data
Dual port memory

ESC(EtherCAT SubDevice
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

Matériel SubDevice :contrôleur SubDevice EtherCAT avec CPU hôte

RJ 45

RJ 45

Magnetics

PHY

EtherCAT Port nMII
PHYMagnetics

Matériel SubDevice :contrôleur SubDevice EtherCAT avec module E/S direct

Les informations sur la configuration matérielle de l’interface PDI sont stockées dans une
mémoire non volatile (p. ex. une EEPROM), dénommée SII (Slave Information Interface).
Celle-ci contient, en outre, les caractéristiques centrales de l’appareil de sorte qu’un
MainDevice EtherCAT auquel il manque le fichier de description du SubDevice est malgré
tout en mesure d’exploiter l’appareil. La description complète des propriétés réseau dupériphérique est fournie dans le fichier ESI (EtherCAT Slave Information). De format XML,ce fichier contient, entre autres, des données de processus et leurs options de mappage,les protocoles de messagerie supportés (fonctions optionnelles incluses) ainsi que lesmodes de synchronisation supportés. Ces informations sont exploitées par l’outil Network
Configuration Tool pour configurer le réseau en ligne et hors ligne.
Différents fabricants proposent des kits d’évaluation pour supporter l’implémentationd’un SubDevice. Ces kits comprennent le logiciel d’application SubDevice dans le codesource et, parfois, un MainDevice test. De la sorte, quelques menues opérations suffisentpour mettre en service un réseau EtherCAT MainDevice/SubDevice pleinement opérationnel.
Par ailleurs, l’ETG publie sur son site Web un Guide d’implémentation SubDevice qui
fournit des astuces précieuses et des renvois à des documents complémentaires.

SII (e.g.
EEPROM)

RJ 45

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Conformité et certification

La conformité et l’interopérabilité sont des facteurs décisifs pour la réussite d’une
technologie de communication. C’est la raison pour laquelle l’ETG a été créé. Il a ainsi
imposé la réalisation d’un contrôle de conformité pour tous les appareils à implémenterà l’aide d’un outil automatisé (EtherCAT Conformance Test Tool). De plus, il organise
de nombreuses autres activités pour assurer et améliorer l’interopérabilité entre les
MainDevices EtherCAT, les SubDevices EtherCAT et l’outil de configuration EtherCAT.

Plug FestIl existe une approche très pragmatique pour savoir si des appareils sont interopérables :les raccorder les uns aux autres. Voilà à quoi servent les rencontres baptisées « Plug Fest »,organisées plusieurs fois par an par l’ETG. Ces fêtes durent généralement deux jours
pendant lesquels les fournisseurs d’appareils MainDevices et SubDevices se réunissent
pour tester leurs appareils, observer leur réaction et améliorer leur utilisation sur leterrain. Elles font office de plateforme d’échange où les participants partagent des astuces,prodiguent des conseils sur la technologie EtherCAT et éclaircissent des questions ouvertes
avec les experts de l’ETG. Ces rencontres de développeurs se tiennent régulièrement en
Europe, en Amérique du nord et en Asie.

EtherCAT Conformance Test Tool
L’outil EtherCAT Conformance Test Tool (CTT) permet de contrôler automatiquement lecomportement d’un SubDevice EtherCAT.
Le CTT est une application Windows qui nécessite uniquement un port Ethernet
standard comme interface matérielle. Ce port sert à envoyer des trames EtherCAT à
l’appareil testé (DuT – Device under Test) et à recevoir ses réponses. Le test est considéré
comme positif quand la réponse du DuT concorde avec une réponse escomptée. Les
différents cas de test (réponse attendue incluse) sont décrits dans des fichiers XML, ce
qui permet de modifier les descriptions et d’étendre le nombre de cas de test sans devoir
adapter l’outil lui-même. La spécification et la validation des cas de test les plus courants
sont accomplies par le groupe de travail TWG Conformance (voir ci-dessous).
Outre les tests de protocole purs, le CTT vérifie également si les valeurs contenues dansle fichier ESI (EtherCAT Slave Information) sont valides. De plus, il permet aussi deréaliser des essais de protocole spécifiques aux appareils, par exemple pour le profild’entraînement CiA 402.
Toutes les opérations d’essai et les résultats sont mémorisés dans un journal(Test Logger) et peuvent être analysés ultérieurement ou sont simplement archivés commepreuve de conformité de l’appareil.
Le CTT est constamment mis à jour et enrichi avec de nouveaux cas de test. Pour unfabricant d’appareils, il est essentiel de toujours utiliser la version la plus actuelle del’outil afin de certifier ses périphériques. C’est pourquoi le CTT est offert sous la forme d’unabonnement. Il est judicieux d’employer le CTT dès la phase de développement afin dedétecter à un stade précoce des erreurs dans l’implémentation de l’interface.

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Technical Working Group Conformance
La politique de test de conformité EtherCAT exige que chaque fabricant teste l’appareil
avec la version actuelle du CTT avant sa commercialisation. Cet essai peut être réalisé parle fabricant lui-même dans ses propres locaux.
Le comité technique de l’ETG a mis en place un groupe de travail technique baptisé
TWG Conformance qui est chargé de déterminer la procédure d’essai, de définir lescontenus du test et de les implémenter dans le CTT. Le TWG Conformance augmente sansrelâche le nombre des tests et les approfondit.
Par ailleurs, il spécifie aussi le test d’interopérabilité qui contrôle le comportement
des appareils dans le contexte d’un réseau complet.

EtherCAT Test Center
L’ETG a officiellement accrédité des centres d’essai en Europe, en Asie et en Amérique dunord comme l’EtherCAT Test Center (ETC). Ils sont les seuls à avoir le droit d’exécuter destests de conformité EtherCAT. Cet EtherCAT Conformance Test comprend la réalisation decontrôles automatiques à l’aide du CTT, des essais d’interopérabilité dans un réseau, desvérifications supplémentaires portant sur les affichages et les inscriptions dont sont dotésles appareils, ainsi que des contrôles des interfaces EtherCAT.
Les fabricants sont invités à faire tester leurs appareils dans un ETC, mais ils n’y sont
pas tenus. Quand les essais réalisés dans un ETC sont concluants, le fabricant reçoit uncertificat de conformité EtherCAT (EtherCAT Conformance Tested Certificate). Ce certificat
n’est pas remis aux fabricants qui testent eux-mêmes leurs appareils chez eux.
Le test complémentaire effectué dans un centre d’essai EtherCAT indépendant
permet de vérifier plus en profondeur la compatibilité, le fonctionnement uniforme et les
fonctions de diagnostic des implémentations EtherCAT. C’est pourquoi, avant de jeter leurdévolu sur un appareil pour leur application, les utilisateurs finaux devraient demander à
consulter les certificats de conformité EtherCAT.
Vous trouverez d’autres informations sur la conformité et les centres d’essai EtherCAT ETC
sur le site Web EtherCAT : www.ethercat.org/conformance.

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www.ethercat.org
Vous trouverez sur le site Web de l’ETG de nombreuses informations sur latechnologie EtherCAT, les événements à venir, les produits les plus récents, uneliste de toutes les entreprises adhérentes ainsi que des informations sur desthèmes majeurs, comme la sécurité fonctionnelle ou la conformité des appareils
EtherCAT. Vous pouvez vous renseigner sur les bénéfices apportés par uneadhésion gratuite et télécharger des présentations, des articles de presse et despublications dans la zone non réservée aux adhérents :www.ethercat.org/downloads.

L’ETG – Un groupe présent à
travers le monde entier

ETG Headquarters
GermanyETG Office
North America47

ETG Office
Korea
ETG Office
China

EtherCAT Product Guide
Le guide des produits EtherCAT est disponible en ligne à l’adressewww.ethercat.org/products. Il répertorie les produits et prestations de service
EtherCAT sur la base des informations fournies par les membres de l’ETG.
Si vous avez des questions, veuillez vous adresser directement au fabricant.
L’ETG ne commercialise aucun produit.

Rubrique EventsContact

La rubrique Events présente l’ensemble des événements organisés dans le mondeentier soit directement par l’ETG soit en collaboration avec l’association. L’agenda
accessible sur la page www.ethercat.org/events contient, entre autres, les dates
des rencontres des groupes de travail techniques, des salons auxquels participent
des adhérents, des ateliers EtherCAT et des séminaires consacrés à l’Ethernet
industriel.

Siège de l’ETG
Ostendstraße 196
90482 Nuremberg
Allemagne+ 49 (911) 5 40 56 20
info@ethercat.org

Zone réservée aux adhérents – Member Area

Agence ETG en Amérique du nord
Port Orchard, WA, USA+1 (877) 384-3722
info.na@ethercat.org
Agence ETG en Chine
Pékin, P. R. Chine+ 86 (10) 8220 0090
info@ethercat.org.cn
Agence ETG au Japon
Yokohama, Japon+ 81 (45) 650 1610
info.jp@ethercat.org

En tant qu’adhérent, vous avez accès à la zone réservée du site Web(www.ethercat.org/memberarea) qui contient, entre autres, toutes lesspécifications EtherCAT, un forum de développeurs et une base de connaissancesqui renferme toutes les informations requises pour développer, configurer etdiagnostiquer des appareils et des réseaux EtherCAT.

Agence ETG en Corée du Sud
Séoul, Corée du Sud+82 70 4849 0300
info.kr@ethercat.org

Support technique
Siège de l’ETG
Nuremberg, Allemagne+ 49 (911) 5 40 56 222
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ETG OfficeJapanEtherCAT®, EtherCAT G®, EtherCAT P®, Safety over EtherCAT® sont des marquesde commerce ou des marques déposées, licenciées par la société Beckhoff
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10/2023