Chyba każdy automatyk projektujący systemy sterowania zgodzi się, że rozproszenia i komunikacja sieciowa to najlepsze rozwiązanie do przesyłania sygnałów z wielu stron linii produkcyjnej czy maszyny. Takie protokoły komunikacyjne jak Profibus, Profinet, EtherNet/Ip, DeviceNet i wiele innych pochodnych zna praktycznie każdy automatyk. W obecnych czasach rozwiązania oparte o strukturę przemysłowego Ethernetu posiadają większość pod względem popularności.
Sieci polowe popularne głównie w starych zakładach nadal posiadają 42% rynku, jednak tempo wzrostu wskazuje na ich powolne wygaszanie. Na korzyść sieci polowych przemawia natomiast mniejsza podatność na zagrożenia cybernetyczne. Sam Profibus, znany w przemyśle od 1986 roku, nadal posiada 12% całego rynku sieci przemysłowych.
EtherCAT
Pośród wymienionych na wykresie sieci znaczącą rolę odgrywa sieć EtherCAT, nawet nie tyle wynikiem (7% rynku), lecz ciekawymi rozwiązaniami i jak się okazuje bardzo dużymi możliwościami. Wszystko to pozwala mi twierdzić, że to sieć o dużym potencjale, żeby stać się liderem!
EtherCAT opiera się na warstwie fizycznej sieci Ethernet, czerpiąc z niej wszystkie zalety tej sieci:
- prostota okablowania i łatwość połączenia bez zbędnych terminatorów,
- możliwie długie odcinki między stacjami do 100 m co pozwala na budowę rozbudowanych i rozproszonych systemów,
- wysoka prędkość transmisji,
- niski koszt,
- skalowalność.
Jednak z Ethernetem łączy tylko mocne strony. To, co odróżnia go, to sposób przekazywania ramki danych. EtherCAT to sieć Master-Slave jednak pojedyncza ramka nie jest wysyłana do konkretnego węzła sieci a do wielu jednocześnie. Ramka informacji przelatuje kolejno przez wszystkie modułu slave, które przetwarzają ją w locie z wykorzystanie technologii FMMU. Kolejno moduł slave odczytuje czy informacja adresowana jest dla niego i jeśli tak to odczytuje dane i przekazuje do obiegu swoją informację zwrotną. Ramka krąży między modułami, aż powróci do mastera.
Żeby jeszcze bardziej zobrazować zasadę działania, można porównać ramkę informacji do pociągu przejeżdżającego bez zatrzymania przez stacje (moduły slave) i podróżnych (dane) wsiadających i wysiadających z pociągu w biegu na odpowiednich stacjach. Zresztą nie jestem autorem tego porównania, wprowadziła go grupa technologiczna EtherCAT i zaprezentowała na poniższym filmie.
Dzięki takiemu sposobowi dystrybucji danych został rozwiązany poważny problem Ethernetu – niska efektywność. Poprzez zastosowanie technologii FMMU dane przesyłane do mastera to 90% dane procesowe a pozostałe 10% dane kontrolne. Opóźnienie czasowe między kolejnymi modułami slave to jedynie kilka nano sekund. W celu synchronizacji elementów w sieci moduły mierzą czas pomiędzy wyjściem i powrotem ramki i na tej podstawie synchronizuje wystawianie wejść/wyjść. Dzięki tej funkcjonalności oraz wysokiej efektywności EtherCAT zyskał dużą popularność w serwo napędach gdzie szybka transmisja i synchronizacja jest niezbędna. Wymiana danych stanu 100 osi serwo trwa zaledwie 100 μs gdzie dane potrzebne do poprawnej pracy 1 serwa to około 256 bajtów. Dodatkowo dzięki technice rozproszonych zegarów możliwa jest synchronizację osi z różnicą czasową rzędu 1 μs! Przykładem synchronizacji osi z wykorzystaniem sieci EtherCAT niech będzie artystyczna instalacja „Kinetic Rain” zainstalowana na lotnisku w Singapurze, wykorzystano aż 1216 osi serwo.
Topologia sieci
EtherCAT umożliwia łączenie sieci w najpopularniejsze topologie takie jak:
- Liniowa;
- Gwiazdy;
- Drzewa;
- Pierścień;
Najpopularniejsza i najkorzystniejsza ze względu na okablowanie jest hybryda topologii liniowej i drzewa, gdyż zazwyczaj moduły EtherCATowe posiadają 2 porty. Oczywiście dla większego bezpieczeństwa można zastosować topologię pierścienia.
Co bardzo ważne protokół posiada certyfikat TÜV, jest ustandaryzowany według IEC 61784-3 i nadaje się do aplikacji bezpieczeństwa do poziomu SIL3, więc bez problemu połączysz dzięki EtherCATowi moduły SAFETY!
EtherCAT G? P?
Nie można zapomnieć o dwóch bardzo interesujących odmianach protokołu EtherCAT, pierwszy z nich z literką G na końcu jest specjalną odmianą przeznaczoną do super szybkich transferów danych pomocny przy aplikacjach z analizą obrazu, zaawansowanych technologii pomiarowych czy złożonych aplikacjach ruchowych. Standardowy EtherCAT pracuje z prędkością 100 Mb/s a G z prędkością 1 i 10 Gb/s! Dodatkowo sieć gigabitowa jest kompatybilna z modułami klasycznego EtherCAT’a i można je swobodnie łączyć, pamiętając jednak, iż w kolejnych węzłach można jedynie obniżać prędkość. Co jest logiczne. Przykładową topologię prezentuje zdjęcie:
(ethercat.org)
Również nie mniej interesującą odmianą omawianego protokołu jest EtherCAT P rozwijany jako EtherCAT + Power.
Podczas gdy standardowe wyspy zdalnych IO łączymy dwoma 4-żyłowymi przewodami gdzie jeden to nasz protokół a drugi to przewód zasilający 24 VDC, EtherCAT P łączy kolejne moduły sieciowe tylko jednym przewodem 4-żyłowym zawierającym zasilanie i komunikację!
Takie rozwiązanie ogranicza liczbę przewodów, co redukuje koszty i czas montażu. Jednak aby wprowadzić standard P w standardową sieć EtherCAT’ową należy zamontować bramkę konwertującą na standard jednoprzewodowy. Producent deklaruje maksymalną obciążalność 3A przy 24V zasilania.
Podsumowanie
Chociaż EtherCAT może najbardziej kojarzyć się Wam z firmą Beckhoff, która to jest autorem tego standardu sieciowego, to komunikacją oparta na nim implementowana jest przez wielu czołowych producentów automatyki. Wsparciem i promocja zajmuje się powołana w 2003 roku grupa „EtherCAT Technology Group” w skrócie ETG zrzeszająca użytkowników, producentów i dostawców urządzeń opartych na komunikacji EtherCAT. Na poniższej grafice przedstawiony jest skład grupy na rok 2008. Niestety nie odnalazłem aktualniejszej grafiki.
Mam nadzieję, że po przeczytaniu tego wpisu zyskałeś chociaż trochę przydatnej wiedzy o EtherCAT, bo moim zdaniem to bardzo ciekawy i rozwojowy standard komunikacji przemysłowej.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o EtherCAT, to odsyłam do oficjalnej strony standardu:
http://www.ethercat.org/default.htm
 Artykuł został nagrodzony w Konkursie iAutomatyka – edycja Kwiecień 2020.Nagrodę Zestaw wkrętaków + powerbank + zestaw gadżetów dostarcza ambasador konkursu, firma RELPOL. |
