EtherCAT: العمود الفقري للذكاء الاصطناعي في الوقت الفعلي في المصانع الذكية والروبوتات والصناعات عالية الإنتاجية

في عصر المصانع الذكية والروبوتات الذكية، يجب على شبكات الاتصالات أن تواكب متطلبات الوقت الحقيقي المتزايدة. 

يعتبر EtherCAT - وهو اختصار لـ "Ethernet for Control Automation Technology" - بمثابة بروتوكول Ethernet صناعي عالي الأداء يلبي هذه الاحتياجات. 

طُوِّر نظام EtherCAT في الأصل بواسطة Beckhoff Automation، وتُديره حاليًا مجموعة EtherCAT Technology Group، وأصبح معيارًا مفتوحًا ومعتمدًا على نطاق واسع للأتمتة. يعتمد على أجهزة Ethernet القياسية IEEE 802.3 (بما في ذلك كابلات Cat5/Cat6 العادية وبطاقات NIC المألوفة)، مما يُخفِّض التكاليف ويضمن سهولة التشغيل البيني. 

يمكن تنفيذ وحدة التحكم الرئيسية في شبكة EtherCAT على أي جهاز كمبيوتر مزود بمنفذ Ethernet، كما أن أجهزة EtherCAT التابعة الجاهزة متوفرة بكثرة من العديد من الشركات المصنعة. 

ويعني هذا الاستخدام للمكونات الأساسية أنه حتى الأنظمة الضخمة للغاية ــ ربما عشرات الآلاف من العقد على جزء واحد من الشبكة ــ يمكن دعمها بتكلفة زهيدة.

في جوهره، يضمن EtherCAT اتصالاً حتميًا من خلال السماح للجهاز الرئيسي فقط بإرسال الإطارات وجعل كل جهاز تابع يقوم بمعالجة الإطار وإرساله "أثناء التنقل" أثناء مروره. 

عمليًا، يُجمّع الجهاز الرئيسي إطار إيثرنت واحدًا أو أكثر في كل دورة، ويُدخلها إلى الشبكة، وتتدفق هذه الإطارات عبر جميع الأجهزة بدورها. يقرأ كل جهاز تابع البيانات المُخصّصة له، ثم يُعيد كتابة استجابته فورًا في الإطار نفسه، كل ذلك قبل توجيه الحزمة إلى المصب. 

وبما أن هذا يحدث بسرعة السلك - دون الحاجة إلى أن يستقبل كل جهاز ثم يعيد إرسال رسائل منفصلة - فإن تكلفة الاتصال منخفضة للغاية. 

لا توجد تصادمات أو فترات انتظار غير متوقعة كما هو الحال في إيثرنت القياسي، لذا فإن أزمنة الدورات قصيرة جدًا والتذبذبات ضئيلة. في الواقع، يمكن لـ EtherCAT تحقيق دورات لا تتجاوز الألف من الثانية حتى مع مئات الأجهزة، مما يُلبي متطلبات الوقت الفعلي الصارمة.

لا تُعزز بنية المعالجة الفورية لـ EtherCAT السرعة فحسب، بل تُبسط أيضًا تصميم الشبكة. عادةً ما تحتوي الأجهزة التابعة على منفذين، ويمكن توصيلها سلكيًا، أو نجميًا، أو حلقيًا.شجرة أو تكوينات مختلطة، كل ذلك دون الحاجة إلى مفاتيح شبكة مخصصة. 

نظرًا لأن كل جهاز تابع يقوم بتوجيه الإطارات في كلا الاتجاهين (الاستفادة من أزواج الكابل الكاملة)، فإن الشبكة تشكل فعليًا حلقة منطقية تعود دائمًا إلى الجهاز الرئيسي. 

تتيح هذه البنية المرنة للمُثبِّتين تصميم شبكات مُعقَّدة - على سبيل المثال، ربط آلاف أجهزة الاستشعار ووحدات الإدخال/الإخراج ومحركات الأقراص عبر منشأة كاملة - مع الحفاظ على دورة تشغيل واحدة. والجدير بالذكر أن EtherCAT يدعم ميزات مُتقدِّمة مثل التبديل السريع (إضافة أو استبدال الأجهزة دون إيقاف النظام) ومسارات احتياطية لتجاوز الأعطال، مما يُقلِّل من وقت تعطل الصيانة.

من الميزات الرئيسية الأخرى لـ EtherCAT مزامنته عالية الدقة. تتشارك جميع الأجهزة التابعة في الشبكة قاعدة زمنية مشتركة بفضل تقنية الساعة الموزعة. يرسل الجهاز الرئيسي (أو جهاز تابع مرجعي مُحدد) إشارة ساعة، حيث يُقفل كل جهاز مؤقته المحلي. تُعاير هذه الساعات في الأجهزة بحيث لا يتجاوز انحراف الساعة عبر الشبكة ميكروثانية. بضغطة زر واحدة، تُحدّث جميع الأجهزة مخرجاتها وتلتقط المدخلات في آنٍ واحد. بالنسبة للمهام المُنسّقة، مثل التحكم في الحركة متعدد المحاور أو أخذ عينات المستشعرات المتزامنة، يعني هذا أن كل مُشغّل أو نقطة قياس تعمل في نفس اللحظة تمامًا. غالبًا ما تُقاس دقة مزامنة EtherCAT في نطاق أقل من ميكروثانية، وهو نطاق دقيق بما يكفي للتحكم في عشرات المحركات التي تتحرك بتناغم دون أي تأخير.

EtherCAT: قيادة أتمتة صناعية عالية الدقة وجاهزة للذكاء الاصطناعي مع أداء محدد وتحكم قابل للتطوير

كل هذه السمات - التوقيت الحتمي، ومعالجة البيانات أثناء التنقل، والأسلاك المرنة، والساعات الدقيقة - تجعل EtherCAT مناسبًا بشكل خاص للأتمتة التي تعتمد على الذكاء الاصطناعي.

في مجال التحكم في الحركة والروبوتات، يُمكّن هذا البروتوكول دورات تحديث في أجزاء من الملي ثانية، وتشغيلًا متعدد المحاور متزامنًا بدقة، مما يجعله مثاليًا لمفاصل الروبوتات، وآلات التحكم الرقمي بالكمبيوتر (CNC)، والأنظمة التي تعمل بمحركات السيرفو. تضمن قدرته على تحديث عشرات المحركات في دورة واحدة، مع مزامنة دقيقة للغاية، حركة منسقة عبر الآلات المعقدة.

إلى جانب الروبوتات، يُستخدم EtherCAT على نطاق واسع في أتمتة الآلات بشكل عام، حيث يربط محركات السيرفو، وأجهزة الاستشعار، والمشغلات، وأنظمة الرؤية في مختلف الصناعات، مثل التعبئة والتغليف، والطباعة، وتصنيع أشباه الموصلات، وخطوط التجميع. يُسهّل اتصاله منخفض الكمون وتوصيلاته المباشرة دمج الأجهزة، بما في ذلك وحدات الإدخال/الإخراج، والصمامات، ووحدات التحكم، والكاميرات. كما تستفيد معدات الإنتاج عالية السرعة من EtherCAT، لا سيما في القطاعات التي تتطلب دقة في التوقيت وعرض النطاق الترددي، مثل تصنيع أشباه الموصلات، وخطوط طلاء السيارات، وأنظمة التعبئة والتغليف، ومكابس الطباعة، والتحكم في توربينات الرياح. في تطبيقات أشباه الموصلات، غالبًا ما تُستخدم ملفات تعريف أجهزة EtherCAT المتخصصة لمزامنة الحركة والقياس بدقة.

تستفيد أنظمة القياس والاستحواذ الموزعة من تقنية EtherCAT لبث البيانات المتزامنة من وحدات الإدخال/الإخراج التناظرية والرقمية، ومقاييس الانفعال، وأجهزة التشفير، إلى وحدات التحكم المركزية. تدعم هذه الإمكانية تطبيقات مثل التقاط الحركة، والاختبار الهيكلي، ومراقبة أجهزة الاستشعار المتعددة، حيث يُعدّ الإنتاج العالي والتوقيت الدقيق أمرًا بالغ الأهمية. كما تتضمن تقنية EtherCAT بروتوكول أمان وظيفيًا، وهو Fail Safe over EtherCAT (FSoE)، والذي يسمح بنقل بيانات الأمان المصنفة بـ SIL3 على الشبكة نفسها، مما يُمكّن محركات الأقراص ووحدات الإدخال/الإخراج المصنفة بـ SIL3 من الأمان دون الحاجة إلى ناقل أمان منفصل.

يمتد البروتوكول ليشمل مجالات أخرى، بما في ذلك أتمتة المباني، وأنظمة الطاقة كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح، والتحكم في البنية التحتية في الأنفاق والسكك الحديدية. في جميع هذه التطبيقات، توفر اتصالات EtherCAT الحتمية، وانخفاض اهتزازها، وتزامنها القوي، الأداء الموثوق اللازم للأنظمة الصناعية المتقدمة والأنظمة المعتمدة على الذكاء الاصطناعي.

علاوة على ذلك، يوفر EtherCAT مجموعة من المزايا التي تجعله الخيار الأمثل في مجال الأتمتة الصناعية. يدعم أداؤه الحتمي أزمنة دورات أقل من 100 ميكروثانية مع تذبذب أقل من ميكروثانية واحدة، حتى عند التعامل مع آلاف نقاط الإدخال/الإخراج. كما أن معالجة الإطارات الفورية، إلى جانب وصلات إيثرنت ثنائية الاتجاه، تُلغي التصادمات والتأخيرات، مما يُتيح توقيتًا دقيقًا للغاية لحلقات التحكم المعقدة. ويمكن أن يصل استخدام القنوات في التطبيقات العملية إلى حوالي 90%، متجاوزًا بذلك كفاءة شبكات إيثرنت أو شبكات ناقل المجال التقليدية بشكل كبير.

يتوافق البروتوكول مع أجهزة إيثرنت القياسية، مما يسمح للوحدات الرئيسية بالعمل عبر منافذ إيثرنت تقليدية بسرعة 100 ميجابت/ثانية أو 1 جيجابايت دون الحاجة إلى بطاقات اتصال متخصصة. بينما تتطلب الأجهزة الفرعية شرائح تحكم EtherCAT مخصصة، فإن هذه المكونات غير مكلفة ومتوفرة على نطاق واسع كـ ASICs أو FPGAs. يدعم تصميم المنفذ المزدوج تخطيطات شبكات مرنة، بما في ذلك طوبولوجيات السلسلة المتسلسلة أو الشجرة أو الحلقة، دون الحاجة إلى مفاتيح خارجية. يمكن للشبكات معالجة ما يصل إلى 65,535 جهازًا، ويمكن إضافة العقد أو إزالتها تلقائيًا، مع وجود تشخيصات مدمجة تساعد على تحديد أخطاء الروابط أو الأجزاء المعطوبة بسرعة.

تُعزَّز الموثوقية من خلال تكوينات الحلقات التي تُوفِّر تكرارًا للمسار، مما يضمن استمرار الاتصال حتى في حال تعطل الكابل. تُسهم الكابلات الصناعية المُدمجة مع التشخيصات المُدمجة في ارتفاع زمن تشغيل النظام. كما يُدمج بروتوكول EtherCAT ميزات مُتقدمة مثل ساعات الأجهزة المُوزَّعة للمزامنة على مستوى النانو ثانية، وقابلية التوصيل السريع للإدخال/الإخراج، والتشخيصات الشاملة، كل ذلك دون أي تكلفة إضافية. يتضمن البروتوكول تقنية Safety over EtherCAT (FSoE)، المُعتمدة وفقًا لمعيار SIL3، مما يسمح باتصالات آمنة عبر الشبكة نفسها.

باعتباره معيارًا مفتوحًا بموجب المعيار IEC 61158، وبدعم من مجموعة EtherCAT Technology Group، يحظى البروتوكول باعتماد واسع في القطاع، مع عشرات الآلاف من المنتجات المتوافقة من مئات الموردين. يضمن هذا النظام البيئي الشامل توافقًا وتوافرًا طويل الأمد. تتميز أجهزة EtherCAT بفعاليتها من حيث التكلفة، كما أن تكلفة البروتوكول المنخفضة تُتيح إنتاجية عالية حتى على وصلات 100 ميجابت/ثانية. كما أن حلولًا مثل EtherCAT P، التي تجمع الطاقة والبيانات على كابل واحد، تُقلل من تعقيد النظام وتكلفة التركيب.

معتمد من قبل الخبراء لأتمتة عالية الأداء وموثوقة وبديهية

يحظى بروتوكول EtherCAT بتقدير واسع من خبراء الصناعة لأدائه العالي وسهولة تشغيله. كفاءته في البروتوكول، التي تتيح تبادل البيانات فورًا دون الحاجة إلى أجهزة رئيسية متخصصة، تُمكّن من تحقيق مستويات عرض نطاق ترددي أعلى بكثير من تلك التي توفرها حافلات الحقل القديمة. وقد حافظ بروتوكول EtherCAT الأساسي على استقراره لأكثر من عقدين، مع إضافة ميزات جديدة تحافظ على التوافق مع الإصدارات السابقة، مما يضمن موثوقية طويلة الأمد للأنظمة الصناعية. وكثيرًا ما تُوصف هذه التقنية بأنها بديهية ومباشرة، مما يجعلها جذابة بشكل خاص للمهندسين المسؤولين عن التحكم والأتمتة عالية السرعة.

يُسلّط خبراء الأتمتة الضوء على إمكانيات EtherCAT في الوقت الفعلي، بما في ذلك الحد الأدنى من التذبذب، والساعات الموزعة المتزامنة مع الأجهزة، ودعم أعداد كبيرة من العقد. يُعدّ اتصالها الدقيق، منخفض الكمون، مناسبًا بشكل خاص للتحكم في الحركة والروبوتات، حيث يتيح استبدال حافلات الحقل القديمة أو شبكات الإيثرنت غير الحتمية أنماط حركة أدق، وأوقات دورات أسرع، وأداءً عامًا مُحسّنًا للنظام. كما يُسهّل EtherCAT التحكم المركزي عبر الحاسوب، حيث تتلقى وحدات التحكم صورة عملية موحدة في كل دورة، مما يُلغي الحاجة إلى معالجة البتات يدويًا على وحدة المعالجة المركزية المُضيفة.

يلاحظ بعض الممارسين أن بروتوكول EtherCAT يتطلب فترة تعلم للنشر السليم. يتطلب الاستخدام الفعال فهمًا لتكوين الساعة الموزعة، وتخطيط طوبولوجيا الشبكة، وبنية بيانات البروتوكول، بينما يتطلب التشخيص واستكشاف الأخطاء وإصلاحها معرفة متخصصة. على الرغم من هذه الاعتبارات، يُجمع خبراء الصناعة على أن أداء EtherCAT وقابليته للتوسع ودقته تجعله الخيار الأمثل لمشاريع الأتمتة واسعة النطاق وعالية الأداء.

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

تواصل EtherCAT توسيع حضورها في مجال الأتمتة الصناعية، مدعومةً بمنظومة سريعة النمو. تم تركيب أكثر من 77 مليون عقدة EtherCAT حول العالم، مع إضافة أكثر من 18 مليون عقدة في عام 2023 وحده. تضم مجموعة EtherCAT Technology Group الآن أكثر من 7,600 شركة عضو في 74 دولة، مما يجعلها أكبر مجتمع لحافلات المجال الصناعي. يتوقع المحللون معدل نمو سنوي يقارب 10% لعمليات نشر EtherCAT حتى عام 2030، مدفوعًا بشكل خاص بقطاعات السيارات والإلكترونيات والفضاء والطاقة. تمثل أمريكا الشمالية حاليًا أكبر حصة إقليمية، بينما يشهد سوق آسيا والمحيط الهادئ أسرع نمو.

تُعزز التطورات الحديثة قدرات EtherCAT للتطبيقات المتطلبة. تُغطي امتدادات جيجابت، EtherCAT G وG10، البروتوكول على وصلات إيثرنت بسرعة 1 جيجابت/ثانية و10 جيجابت/ثانية، مما يوفر نطاقًا تردديًا متزايدًا بشكل كبير مع الحفاظ على التوافق الكامل مع الأجهزة الحالية. من المتوقع أن تصبح هذه المتغيرات عالية السرعة شائعة في الآلات المتقدمة، بما في ذلك الروبوتات متعددة المحاور، وأجهزة التصوير المقطعي بالأشعة السينية، وخطوط التصنيع عالية الإنتاجية. يُدمج EtherCAT P، الذي طُرح عام 2019، مصدري طاقة مستقلين بجهد 24 فولت مع وصلة البيانات عبر كابل واحد بأربعة أسلاك، مما يُبسط التركيب ويُقلل تكاليف الأسلاك. من المتوقع أن تُوسّع الإصدارات المستقبلية من EtherCAT P نطاق دعم التكوينات المشابهة لتقنية الطاقة عبر الإيثرنت، وتوافقًا أوسع مع الأجهزة.

يتقدم التكامل مع معايير الصناعة 4.0 بشكل ملحوظ. تهدف المبادرات مع OPC UA إلى ربط بيانات أجهزة EtherCAT بنماذج موحدة، مما يتيح وصولاً آمنًا إلى معلومات الإدخال/الإخراج والتشخيص عبر شبكات عالية المستوى، وأنظمة سحابية، ومنصات MES. يجري حاليًا تكييف بروتوكول EAP المرن من EtherCAT ليتوافق مع اتصالات OPC UA للنشر/الاشتراك في الوقت الفعلي، مما يسمح لوحدات التحكم بعرض بيانات الإدخال/الإخراج دون الحاجة إلى أجهزة بوابة إضافية. يواصل مصنعو الأجهزة دمج EtherCAT في مكونات جديدة، بما في ذلك وحدات التحكم الدقيقة المزودة بوحدات تحكم تابعة أصلية، ومحركات سيرفو ومحرك متدرج عالي الأداء، مما يعزز دور EtherCAT في أنظمة الحركة والتحكم الصناعية الحديثة. وبينما يستكشف المنافسون الشبكات الحساسة للوقت، توفر معالجة EtherCAT الفورية زمن وصول منخفضًا للغاية وأداءً حتميًا، مما يضمن استمرار أهميتها كعمود فقري أساسي في الوقت الفعلي للآلات الآلية.