Aktuální vydání

celé číslo

08

2018

MSV 2018 v Brně

celé číslo

Integrace průmyslových sítí v řídicích systémech Beckhoff

Článek popisuje, jak lze do řídicích systémů od firmy Beckhoff integrovat různé komunikační sběrnice, sítě průmyslového Ethernetu a komunikační standardy. Ačkoliv firma Beckhoff vyvinula vlastní komunikační systém EtherCAT, vychází vstříc zákazníkům, kteří potřebují k řídicímu systému připojit zařízení, která toto komunikační rozhraní nepoužívají. 

Průmyslová sběrnice EtherCAT, představená firmou Beckhoff Automation v roce 2003, přináší několik zásadních funkčních principů. Jednak způsob zpracování framu EtherCAT způsobem on the fly, kdy jsou data v jednotkách EtherCAT slave zpracovávána „za chodu“, čímž se minimalizuje zpoždění ve zpracování procesních dat řádově na desítky nanosekund. To je jeden z hlavních důvodů, proč je EtherCAT považován za mimořádně rychlou sběrnici, kterou liniové zapojení principiálně neomezuje ani nezpomaluje. Druhou důležitou vlastností sběrnice EtherCAT je přesná synchronizace. Ta je realizována mechanismem distribuovaných hodin s výslednou přesností do 100 ns. Přestože je EtherCAT velmi pozitivně vnímanou průmyslovou komunikační sběrnicí, zůstává řídicí systém Beckhoff otevřeným automatizačním systémem i z hlediska komunikace a umožňuje integrovat všechny běžně používané průmyslové sběrnice. Celkový počet sběrnic a standardů, které lze integrovat, přesahuje dvacet; jmenujme ty nejznámější: sběrnice CAN s protokolem CANopen, Profibus, Modbus RTU, sítě průmyslového Ethernetu Profinet, EtherNet/IP nebo Modbus TCP, ale i sériová komunikace, klasický Ethernet TCP/IP, komunikace se snímači a akčními členy IO-Link atd. 

Komunikační model master/slave

Integrace průmyslových sběrnic je možná ve všech komunikačních modelech. Je na zákazníkovi, který model pro kterou sběrnici nakonfiguruje jako master a který jako slave. Uveďme příklad: Beckhoff IPC s řídicím systémem TwinCAT primárně ovládá distribuovaná zařízení prostřednictvím sítě EtherCAT. Zákazník však potřebuje pro řízení skupiny asynchronních motorů zařízení master pro síť CANopen a pro komunikaci s inteligentním snímačem rozhraní IO-Link. Takový komplexní řídicí systém potom může své stavy sdílet s okolními komunikačními systémy, kde se vyskytují PLC jiných výrobců. Může se tedy v roli master připojit např. na Profinet Device (slave) a současně EtherNet/IP slave.

Jiný příklad z opačného úhlu pohledu. Zákazník je zvyklý na komunikaci Profinet a frekvenční měniče, které používá, komunikují po síti Profinet. Řízení nového stroje s řídicím systémem Beckhoff může vyřešit tak, že použije Beckhoff Profinet Controller a stejné měniče se stejným komunikačním rozhraním jako obvykle (nejsou-li dostupné i s rozhraním EtherCAT). 

Způsob realizace

Uvedené možnosti jsou realizovány několika způsoby, které jsou na první pohled odlišné, ale z pohledu realizace ve vývojovém prostředí TwinCAT Engineering (TwinCAT XAE) zcela identické. Použít lze např.:

  • terminály EtherCAT: EL terminály IP20 (obr. 1), EP boxy IP65/67 (obr. 2) nebo EPP boxy IP65/67 s rozhraním pro EtherCAT P,
  • rozšiřující opce pro IPC (obr. 3),
  • karty PCI, PCI express, mini PCI (obr. 4),
  • supplement – softwarové řešení komunikace za použití dostupných portů.

Šíři technických možností zpřehlední tabulka na příkladu nejpoužívanějších sběrnic (tab. 1). 

CANopen

Poměrně často nastává situace, kdy k řídicímu systému Beckhoff uživatel připojí několik zařízení na sběrnici CAN s protokolem CANopen. Mohou to být nejen zmíněné motory, ale i různé speciální snímače či měřicí zařízení, která nemají jinou komunikační alternativu. Lze se setkat i s požadavky na možnost komunikace pomocí sítě CAN 2.0 B namísto protokolu CAN 2.0 A (pozn. red.: rozdíl je v tom, že CAN 2.0 A má jedenáctibitový frame ID, kdežto CAN 2.0 B 29bitový, což ovšem CANopen využije jen vzácně). I pro tak specifický případ komunikace nabízí Beckhoff možnost průmyslového řešení. Vznikají pak nečekaná řešení, kdy IPC značky Beckhoff komunikuje např. s řídicí jednotkou dieselového motoru, kde může číst teplotu chladicí kapaliny nebo hladinu činidla AdBlue v nádrži, popř. ovládat otáčky motoru. 

IO-Link

Dalším komunikačním rozhraním může být IO-Link. V tomto případě nejde o sběrnici, ale o spojení peer-to-peer. Pro identifikaci a správné nastavení komunikace se zařízením IO-Link je určen konfigurační soubor IODD (Input Output Device Description). Tento soubor lze založit ručně, vybrat z katalogu nebo automatickou cestou z prostředí TwinCAT stáhnout z domovské stránky výrobce daného zařízení s rozhraním IO-Link. Technickou novinkou, kterou se firma Beckhoff odlišuje od běžného způsobu konfigurace, je možnost nechat připojená IO-Link zařízení tzv. oskenovat. Konfigurátor i veškerá nastavení jsou součástí vývojového prostředí TwinCAT. Jednoduchý přenos parametrů zařízení mezi porty i stroji je zajištěn pomocí funkcí export a import, což využívají především sérioví výrobci strojů. 

Protokol HART

Beckhoff má připravené řešení i pro komunikaci s protokolem HART, což je standard užívaný zejména v procesní automatizaci. Konfigurace přenosu dat i zařízení je plně integrována do vývojového prostředí TwinCAT 3. Výjimečnou možností prostředí TwinCAT je zpřístupnění veškerých provozních dat protokolu HART, což je vlastnost, kterou pokročilí uživatelé oceňují. 

Sériová komunikace

V případě sériové komunikace není třeba uvádět žádný podrobnější popis, protože nabídka firmy Beckhoff pokrývá veškeré komunikační možnosti spadající do této oblasti. Zajímavá je však možnost využití terminálu EtherCAT pro sériovou komunikaci také jako virtuální COM port, kde se PC použije nejen pro účely řízení, ale i pro konfiguraci. Na IPC se nainstaluje konfigurační program k danému zařízení, které s řídicím systémem Beckhoff komunikuje pomocí sériové komunikace. 

Řízení technického vybavení budov

Samostatnou skupinou komunikací jsou sběrnice určené pro automatizaci a řízení budov, jejichž funkce se opírá o ucelené programové knihovny. Na ethernetové síti se v automatizaci budov používá protokol BACNet/IP, ale k dispozici je i bezdrátová komunikace EnOcean, která umožňuje flexibilnější ovládání světel, žaluzií atd. Pro automatizaci budov Beckhoff nabízí běžně používané sběrnice DALI, KNX, M-Bus, MP-Bus a další. Jednou z největších referencí společnosti Beckhoff v oblasti budov je čtvrtá nejvyšší budova v Německu nazvaná Tower 185. Veškerá zařízení v této budově jsou řízena sto­sedmdesáti Embedded PC a osmdesáti výkonnými IPC typu C6925. 

Závěr

Přestože je EtherCAT pro firmu Beckhoff stěžejní sběrnicí, zůstávají řídicí systémy Beckhoff otevřené i ostatním průmyslovým sběrnicím. Nabídka komunikačních možností je široká a při hlubším pohledu na detaily je vidět několik unikátních technických řešení. Vedle možnosti integrovat do řídicích systémů Beckhoff další průmyslové sběrnice oceňují uživatelé i možnost použít téměř jakékoliv další průmyslové komponenty. 

David Smělík, Beckhoff Automation

Obr. 1. Terminál EL6652 EtherNet/IP Master

Obr. 2. Box EtherCAT – IO-Link master

Obr. 3. Rozšiřující opce pro EPC

Obr. 4. Komunikační karta PCI pro CANopen

Obr. 5. Příklad kombinace komunikace EtherCAT a Profibus na vestavném počítači Embedded PC od firmy Beckhoff

Obr. 6. Konfigurace komunikace IO-Link

Obr. 7. Konfigurace protokolu HART

Obr. 8. Schéma použití ovladače Virtual Serial COM Driver

 

Tab. 1. Technický způsob realizace komunikace

Komunikační sběrnice (protokol)

Terminál

EPC/

/opce pro CX

Opce pro IPC

(PCI/mini PCI)

Supplement

(software)

CANopen

EL6751 (M)

EL6751-0010 (S)

CX8050 (M)

CX8051 (S)

…-M510 (M)

…-B510 (S)

FC5101/2

FC5121/2

 

Ethernet TCP/IP

EL6601/14

CX8090

CX8190

síťové karty

TF/S6310

 

Profibus

EL6731 (M)

EL6731-0010 (S)

CX8030 (M)

CX8031 (S)

…-M310 (M)

…-B310 (S)

FC3101/2

FC3151

 

Profinet RT

EL6631 (M)

EL6631-0010 (S)

CX8093 (S)

…-M930 (M)

…-B930 (S)

síťové karty

TF/S6270 (S)

TF/S6271 (M)

Profinet IRT

EL6632 (M)

…-B931 (S)

FC9321

FC9361

 

EtherNet IP

EL6652 (M)

EL6652-0010 (S)

CX8095 (S)

…-B950 (S)

síťové karty

TF6281 (M)

TF/S6280 (S)

Modbus RTU

EL60xx

CX8080

…-N030/1

port COM

TF/S6255

Modbus TCP

EL6601/14

CX8090

síťové karty

TF/S6250