Opdatering på EtherCAT til 2021

Grundlaget for Ethernet til Control Automation Technology (EtherCAT) blev etableret for næsten 40 år siden. I dag er det Ethernet-baserede feltbussystem standardiseret i IEC 61158 og uundværligt i en bred vifte af avancerede industrielle automatiseringsapplikationer.

Figur 1: Dette er EtherCAT-standardlogoet. (Billedkilde: EtherCAT Technology Group)

I midten af 1980'erne så flere automatiseringsproducenter stigningen i Ethernet og spekulerede på, om det var muligt at udnytte fordelene på fabriksgulvet. De der havde erfaring med pc-baserede kontrolsystemer vidste, at Ethernet's fysiske hardware ikke var hærdet til industrielle applikationer. Mere problematisk var, hvordan TCP/IP-protokollen og datakraften i den tid var for langsom til den mest avancerede automatisering. Plusdata på Ethernet var ikke deterministisk. På den anden side var der en eksponentiel stigning i antallet af installerede noder, og tilslutning af Ethernet var så simpelt, at (hvis dets begrænsninger blev overvundet), ville en Ethernet-tilgang være en praktisk arkitektur langt billigere end eksisterende feltbusser.

Figur 2: Dette LAN9252 DIGIO-kort er en ren hardware EtherCAT-sekundær enhed, der kan fungere uden en tilsluttet MCU. Kortet giver mulighed for dobbelte netværksforbindelser til RJ45-stik eller fiberoptiske interface til kommunikation via et SFP-modul. Dette kort leveres forudkonfigureret, og ved opstart signaleres til en host som et EtherCAT-sekundært. (Billedkilde: Microchip Technology)

Tidlig oprindelse og kerneelementer i EtherCAT

En tidlig forbedring af Ethernet var robust RJ45-stik til et blåt kabel. Til brug i industrielle omgivelser skulle dette stik være en hård og vandtæt forbindelse, der er i stand til at modstå slid, stød og flere flexcyklusser. Kabelfabrikanter, der så Ethernet som en mulig teknologi, begyndte at introducere sådanne stik. Først til Industrial Ethernet (IE) -kontrol baseret på standard TCP/IP-protokollen og Open Systems Interconnection (OSI) syv-lags standard, der allerede var i brug.

Figur 3: Industrielle Ethernet-kabler sikrer kompromisløs datatransmission og har en robust slidbestandig konstruktion for at forhindre kostbar nedetid og opretholde en sikker og sikker drift. (Billedkilde: Getty Images)

Sådanne fysiske forbindelser supplerede nye former for industriel kontrol med dataindsamlingskort på deres bundkort, og i stand til at håndtere data og levere styresignaler til enkle processer. Det var et logisk første skridt i retning af mere brug af Ethernet i automatisering og for begivenheder, der ikke var tidskritiske (eller procesvariabler som temperatur, flow og fugtighed, der ændrede sig langsomt), fungerede sådanne arrangementer fint.

Imidlertid var automatiseringskontrol baseret på pc'er stadig uden for rækkevidde: Pakkekollisioner gjorde timing inkonsekvent, og opgaver kunne ikke synkroniseres med den timing, der var nødvendig for mere avancerede operationer, som ved højhastigheds produktionslinje flaskeinspektion eller højhastigheds operationer inde i en emballeringsmaskine. En sådan automatisering krævede en ny tilgang, og flere producenter kom igennem med forskellige løsninger. Den mest anvendte af disse var EtherCAT.

EtherCAT blev først udgivet i 2003 og havde (og har stadig) nogle af de hurtigste cyklustider med Ethernet-baserede kommunikationsmuligheder, så det blev hurtigt en foretrukken netværks- og kontrolarkitektur til fabriksautomatisering. Én advarsel: At få mest muligt ud af EtherCAT (for at opfylde industrielle automatiserings krav til hastighed og determinisme) krævede, at bussen blev suppleret med hurtig kontrolhardware; som i mange tilfælde er afhængig af applikationsspecifikke integrerede kredsløb eller ASIC'er inden for kontrollerne, der håndterer EtherCAT-funktionalitet.

Grundlæggende struktur for EtherCAT til determinisme

EtherCAT bruger telegramstrukturen af Ethernet-data til at etablere en primær (master-kontrol) og dens forhold til sekundære (node) sensorer og aktuatorer på fabriksgulvet. Disse små billige ASIC'er findes i hver node for at øge ydeevnen for denne konfiguration.

Figur 4: TMC8462 EtherCAT sekundære controllere med 100 Mb fysiske lag (PHY'er) er i stand til realtidskommunikation. Deres dual-switch-regulator strømforsyning og 24 V I/O supplerer hastighederne i industrielle miljøer. De sekundære MC8462-controllere parres normalt med en watchdog, PWM og SPI/I²C primære enheder til avancerede funktioner i enten enhedsemuleringstilstand eller med en ekstern CPU. (Billedkilde: TRINAMIC Motion Control)

Sådan fungerer det: Et telegram, der kører langs EtherCATs ringtopologi, starter ved den primære controller og bevæger sig gennem alle noder. Ved hver node er der instruktioner, der er klar til at blive aflæst, samt datapakker, der er klar til at tilføje deres information til telegrammet. Uden at gå ned i hastighed, når telegrammet passerer gennem noden, orkestrerer hver nodes ASIC en hurtig udveksling af information, og derefter skifter telegrammet til den næste node. Når det er lavet en komplet runde, opdateres alt inden i controlleren, og en anden datapakke sendes ned ad sporet. Denne ordning er forbundet med EtherCAT-strukturen og forhindrer pakkekollisioner, samtidig med at data straks er tilgængelige for controlleren i slutningen af hver cyklus. Kun den primære (controller) har tilladelse til at frigive et telegram.

Dette eksempel bruger en ringtopologi, men det er et full-duplex-system, så hvis den sidste node i et segment er åben, sender den node pakken tilbage op ad linjen til den primære controller.

For at sikre deterministiske data bruger EtherCAT en distribueret clock. Her sender den primære controller en pakke til alle noder, som som svar låser deres interne clock to gange. Først når pakken modtages og derefter igen, når den vender tilbage til den primære controller. En sådan rutine (som faktisk kan gentages flere gange) tilvejebringer en direkte måling af udbredelsesforsinkelse forbundet med hver knude. Derefter indlæses de resulterende beregnede forsinkelser i en forskudt clock. Endelig indstiller primær comtrolleren den første node i sekvensen som et referenceur for alle de andre noder på bussen.

EtherCAT kan konfigureres til at opdatere denne forsinkelse med jævne mellemrum eller endda med hver cyklus. Kombinationen af hurtige datacyklustider og den distribuerede clock gør det muligt for hele systemet at køre med mindre end 0,1 msek jitter med en datahastighed på 100 Mbit/sek, der er nok til de fleste industrielle opgaver.

Figur 5: Nøglen til højtydende kontrol af automatiserede maskiner er minimums responstid sammen med deterministisk dataopsamling og output. Det gør ingen forskel, hvornår kommunikation og beregninger sker nøjagtigt, så længe der foreligger resultater i outputkomponenten inden den næste nødvendige output. EtherCAT leverer denne funktionalitet, således at ved en eller anden input (dataopsamling) i en diskret EtherCAT-styresløjfe, bevæger disse data (kommunikerer) til controlleren, som derefter beregner et svar. (Billedkilde: EtherCAT Technology Group)

EtherCAT har også en anden indbygget tidsstyringsfunktion. Visse sensorer, aktuatorer og systemer er kritisk afhængige af realtidsstyring; servomotorer, sikkerhedsudstyr og elevatorer er blot nogle få eksempler. EtherCAT-systemer kan konfigureres til at understøtte disse komponenter og systemer, ved at lade programmeringen af systemets primære controller prioriterer kritiske data. Mindre kritiske komponenter får derefter færre dataanmodninger og opdateringer, mens kritiske komponenter får hyppigere dataanmodninger og opdateringer.

Tidslinje for de nyeste EtherCAT-funktioner

Kernen i EtherCAT har sine rødder i Beckhoff Automation Lightbus (udgivet i 1989) og Fast Lightbus (med Ethernet-kabler) i 2003. I 2005 blev EtherCAT-specifikationen offentliggjort og i 2007 kodificeret i IEC 61158 som en feltbusstandard. Med en legitimeret international standard var Beckhoff og andre producenter hurtige til at udvikle fysisk hardware og software til at udnytte EtherCAT-funktionerne, samtidig med at de opretholdte bagudkompatibilitet.

Styring af EtherCAT-standarden er EtherCAT Technology Group (ETG) der er en branchegruppe af OEM'er og slutbrugere, der deler udviklingen og sikrer interoperabiliteten af EtherCAT-kompatible enheder. Blandt mange andre ting har denne gruppe udviklet en kompatibilitetstester kaldet Conformance Test Tool (CTT) til verificering af, at nye enheder overholder interoperabilitetsstandarderne.

Stærk accept af EtherCAT fra en række industrier har understøttet den kontinuerlige innovation.

2008: Distribuerede ure med XFC. Den distribuerede timingkarakteristik, der er kernen i driften af EtherCAT-kommunikation, blev dækket i det foregående afsnit af denne artikel. Det er dog værd at tilføje, at det distribuerede EtherCAT-clock er en del af Beckhoffs eXtreme Fast Control (XFC) -teknologi, der kræver, at alle EtherCAT-enheder har deres egen clock, der kontinuerligt synkroniseres med alle andre clocks på EtherCAT-systemet. EtherCAT kompenserer for forskellige komponenters forskellige kommunikationstider for afvigelse mellem clock, der holdes under 100 nsec. Tidsstemplede data bruges til at forfine timingen af en bestemt kontrolparameter inden for et enkelt telegram. Den distribuerede system-clock sikrer, at alle system-clocks synkroniseres inden for mindre end 100 nsek, og timingen af en kontrolhændelse er normalt begrænset af cyklustiden. Med XFC giver tidsstemplede data mulighed for aktivering (og hændelser) mellem datacyklusser for hurtig og meget nøjagtig kontrol - og ved en 200 kHz datasamplingshastighed for minimal datastøj.

Figur 6: Denne gateway tillader forbindelse af serielle RS-232/422/485-komponenter til EtherCAT-styresystemer. Kaldte Anybus Communicator, det udfører intelligent protokolkonvertering for at sende serielle data til den primære PLC eller controller som enkle I/O-data. (Billedkilde: HMS Connecting Devices)

2010'erne: Forskellige EtherCAT-softwareudviklingsmiljøer indledte introduktion af EtherCAT ansporede frigivelse af software for at lette integrationen med et bredere udvalg af software, der tilbydes med moduler for at forenkle integrationen af applikationsspecifikke automatiseringsfunktioner. Det første af disse moduler var rettet mod værktøjsindustrien og PLC-, NC-, CNC- og robotteknologi, det kræver. I dag er software, der letter brugen af EtherCAT, i stigende grad kompatibel med IEC 61131-3-kode samt programmering fra C/C ++, Visual Studio, MATLAB og Simulink-miljøer. Sidstnævnte udvikling muliggør opbygning, simulering og optimering af kontrolsystemer inden implementering.

2011: EtherCAT-kabler for at forenkle strøm og data til servoakser. I årevis klagede integratorer af bevægelsessystemer (så allestedsnærværende i automatisering) over, hvordan servoakser krævede flere kabler til elmotorstyring, strøm og feedback. Brug af et enkelt kabel til at bære strøm og blandede signaltyper ved forskellige spændingsniveauer kan skabe signalstøj, niveauskift og krydstale. Men for omkring 10 år siden begyndte leverandører af bevægelseskomponenter (med omhyggelig opmærksomhed på kabel, afskærmning, kapacitansreduktion og lederstørrelser samt arrangementer) at bringe EtherCAT-kabelløsninger med enkelt kabel (strøm og data) på markedet. I dag er disse tilbud (som EtherCAT P-kabel) betjener akser på servomotorer såvel som andre kompatible feltindretninger.

2014 til 2017: Mere støtte til multi-akse- og maskinvision-systemer. I disse år så EtherCAT-software, der muliggør stabling af hardware til udvidelse af multi-aksede installationer med en række indbyggede sikkerhedsfunktioner (såsom STO, SOS, SS1, SS2), mest nyttige i robot- og pick-and-place-drift, der har brug for fleksible og modulære implementeringer. Disse år oplevede også mere støtte til EtherCAT-baseret vision, en naturlig pasform med EtherCATs iboende hurtige behandlingsmetode, der let understøtter maskinvisions realtidsdatakrav. Noget software tillader endda direkte integration af maskinvisions-opgaver i en maskiners programmering til EtherCAT-baseret kontrol til forenklet inspektions-, robotik- og kvalitetskontrolopgaver.

2018: Hurtigere versioner af EtherCAT med bagudkompatibilitet. EtherCAT G (med hastigheder på 1 Gb/sek) og EtherCAT G10 (med hastigheder på 10 Gb/sek) supplerer stadig mere kraftfulde automatiseringscontrollere på markedet, samtidig med at de tillader brug af originale EtherCAT-strukturer. Med disse netværk er alle processer identiske med originale iterationer af EtherCAT (inklusive det distribuerede ursystem), men ulæmpen her er, at nogle feltenheder kæmper med de hurtigere cyklustider. Løsningen på dette problem er EtherCAT-filialcontrollere (forbindelsesnoder) til at rumme 1 Gb/sek-sløjfer såvel som en matrix på 100 Mb/sek-sløjfer.

Siden 2018: Flere EtherCAT-hardware- og softwaremuligheder og IoT-support. De seneste år har skyndt på introduktionen af EtherCAT-netværkede industrielle komponenter og integrerede systemer. De har også set software med maskinlæringsmoduler, der udnytter EtherCAT sammen med cloud-baseret teknik og adgang via EtherCAT-kompatible gateways. Det betyder, at slutbrugere, der ejer eller bruger EtherCAT-netværksmaskiner, nu kan bytte kildekode, udføre systemsimuleringer og endda udnytte maskinoplysninger til IoT-analyser, hvilket er især nyttigt for slutbrugere, der betjener maskiner i geografisk adskilte produktionssteder. Fra midten af august 2020 var der udstedt mere end 3.000 medlems-virksomheds-id'er til ETG.

Konklusion

For næsten 40 år siden begyndte den industrielle automatiseringsindustri at forfølge måder at udnytte PoE til industriel kommunikation. I dag er Ethernet-baseret kommunikation og kontrol alt andet end eksotisk og fungerer i mange indstillinger som industriguldstandard. EtherCATs kombination af funktioner giver det en af de bedste forhold mellem ydelse og pris for nogen af de Ethernet-aktiverede busser på markedet i dag. Med sin support af Industry 4.0 og IIoT-installationskoncepter vil EtherCAT forblive uundværlig for fremtidige stransformatione af automatisering.