Aktuální vydání

celé číslo

10

2017

Systémy pro řízení výroby, PLM, SCADA

celé číslo

Jak se ve skutečnosti vybírají průmyslové sběrnice

Ať už si to uvědomujeme, nebo ne, komunikační síť je nejdůležitější technickou součástí řídicího systému stroje. Síť v zásadě určuje architekturu řídicího systému: poměrně pomalá síť vyžaduje uzavřené řídicí smyčky na straně decentralizovaných zařízení, zatímco velmi výkonná komunikační síť dává projektantům možnost volby využít buď centralizovanou, nebo decentralizovanou architekturu. Navíc u sítě, která je široce rozšířená, je možné vybírat komponenty od mnoha výrobců, zatímco u sítě zaměřené na jedinou automatizační platformu jsou produkty třetích stran buď úplně nedostupné, nebo nejsou podporované konfiguračními nástroji.

Jak tedy integrátoři systémů a výrobci strojů vybírají sběrnice?

Předpokládám, že většina uživatelů sběrnici vlastně aktivně nevybírá – volí konkrétní řídicí systém a komunikační sběrnice vnímají jako druhořadou záležitost. Dodavatel řídicího systému je vybírán na základě rozličných důvodů a komunikační sběrnice je pouze jedním z mnoha.

Obvyklé jsou tyto názory:

–   historie: „vždycky jsme používali tento systém“ nebo „náš program je napsaný v jazyce našeho systému a nemůžeme ho jednoduše převést na jinou formu zápisu odpovídající jinému řídicímu systému“,

–   zákaznické preference: „naši klienti chtějí nadále používat platformu, na kterou jsou zvyklí, s níž umí pracovat jejich údržba“,

–   zvyky aplikačních inženýrů a obchodníků (dlouholeté a funkční vazby nechtějí měnit, nakupují za ceny, které jsou pro ně akceptovatelné): „jsem spokojený s technickou podporou dodavatele; oni jsou zdvořilí, zodpovědní a vědí, o čem mluví“,

–   dlouholeté dobré jméno výrobce: „náš dodavatel je technologický lídr a poskytuje nám inovativní řešení, čímž nás udržuje na špici mezi výrobci“ nebo „jsou tak velcí, že musí být dobří už z principu“.

Mezi ostatní důvody, které jsou brány v úvahu, patří: základní kupní cena (mnohdy důležitější než celková cena celé zakázky), kvalita, jednoduchost, výkonnost a také vzhled. 

Nechápejte mě špatně, jde o pádné důvody. A tyto důvody vedou ke sběrnici EtherCAT jakožto sběrnici, kterou si vybrali za svoji „domovskou“ výrobci řídicích systémů a techniky Beckhoff, Omron, ABB, Samsung, LSIS, Hitachi, Sanyo Denki, Kollmorgen, National Instruments a další.

Vysoký výkon zaručuje širokou podporu

Ale co uživatelé, kteří hodnotí řídicí systém podle technických parametrů a sběrnice je pro ně klíčovou součástí? Na tento typ uživatelů se organizace zaštiťující jednotlivé průmyslové sběrnice zaměřují především. Zjistil jsem, že mnoho těchto uživatelů porovnává komunikační sběrnice velmi detailně a potom se EtherCAT velmi rychle stává favoritem: unikátní funkční principy z ní dělají sběrnici, kterou inženýři preferují. U sběrnice EtherCAT platí, že ethernetové rámce nejsou po jejich přijetí a zpracování každým zařízením znovu kopírovány a odesílány do sítě, ale zařízení sítě EtherCAT čtou ta data, která jsou jim určena, za chodu. Stejně tak jsou za chodu do telegramu vkládána i výstupní data. Tato technika nazvaná zpracování za chodu – processing on the fly – umožňuje minimalizovat zpoždění při průchodu komunikačním uzlem. Výsledkem je, že EtherCAT obslouží vstupní i výstupná data mnoha zařízení jedním průchodem datového rámce a využití dostupného toku dat přesahuje 90 %. Uvedený princip je zobrazen na obr. 1.

Velký datový výkon sběrnice vede k efektivnějším strojům. EtherCAT lépe zpřístupňuje výpočetní výkon průmyslového počítače řídicí aplikaci a rychlejší řídicí technika poskytuje přesnější výsledky řídicích úloh.

Například firma Husky, jeden z předních výrobců vstřikovacích lisů, dokázala díky sběrnici EtherCAT zmenšit odchylky v hmotnostech jednotlivých plastových šálků vyráběných jejím lisem a tím i odchylky v tloušťkách jejich stěn. Zákazníci firmy Husky vyčíslili roční úsporu nákladů na nákup vstupního materiálu přesahující 180 000 amerických dolarů pro každý stroj.

Ale z rychlejší komunikace neprofitují jen úlohy využívající uzavřenou regulační smyčku: v mnoha manipulačních úlohách typu pick and place, kde jeden pohyblivý člen musí čekat, až jiný pohyblivý člen (např. pneumatický válec) dosáhne své koncové polohy, lze díky rychlé sběrnici snadno zkrátit dobu manipulace a tím zvýšit výkonnost stroje, potažmo výrobního závodu jako celku až o několik procent.

Ti uživatelé, kteří hodnotí řídicí systém podle technických parametrů, chápou, že EtherCAT není jen rychlá, ale je i velice přesná sběrnice. Díky metodě distribuovaného času je možné měřené hodnoty vzorkovat a výstupní hodnoty mohou být nastavovány synchronně v celé síti s odchylkou podstatně menší než 1 µs. Tato přesnost je ideální pro úlohy se synchronizovaným pohybem pohonů nebo pro integraci měřicích úloh.

EtherCAT je univerzální: dovoluje realizovat rozličné struktury komunikace typu master-slave, slave-slavemaster-master, a to při zachování minimálních nákladů: na jedné straně je softwarově implementovaný master běžící na standardních ethernetových portech a na straně druhé jsou mikroprocesorové čipy EtherCAT Slave Controller, které jsou malé a zároveň levné. Další úsporu představují náklady na kabeláž, protože EtherCAT nevyžaduje žádné switche nebo jiné aktivní síťové prvky a používá běžné ethernetové kabely a konektory. Dokonce i náklady na vývoj jsou nižší, protože není nutné síť ladit a také proto, že diagnostické nástroje pro EtherCAT umožňují přesnou lokalizaci chyby, čímž zkracují dobu potřebnou k odstranění problému.

Mimo nízké náklady na čipy a hardware je důležité zdůraznit i další stěžejní faktor ovlivňující cenu komponent, a to ten, že jde o techniku uznávanou a celosvětově rozšířenou. To znamená široký výběr produktů a z toho plynoucí konkurenční prostředí pro jejich výrobce. EtherCAT jako sběrnici podporuje organizace EtherCAT Technology Group (ETG), čítající více než 4 000 členských společností z celkem 58 zemí celého světa – jde tedy o největší světovou organizaci zaměřenou na průmyslový Ethernet. Mezi členy ETG je téměř 200 výrobců jednotek EtherCAT master, přes 150 výrobců pohonů s rozhraním EtherCAT a více než 100 výrobců vstupně-výstupních modulů.

Integrátoři systémů a výrobci strojů stále častěji místo tradičního řešení úloh bezpečnosti prostřednictvím standardních hardwarových bezpečnostních relé, popř. safety PLC, která jsou připojitelná k jimi používané průmyslové sběrnici, chtějí do svých řídicích systémů integrovat bezpečnostní funkce přímo. Safety over EtherCAT umožňuje sloučit bezpečnostní komunikaci a komunikaci související s řízením na jednu společnou sběrnici. Tato vlastnost přináší těm, kdo využívají EtherCAT, zajímavé možnosti v oblasti vývoje a využití bezpečnostních funkcí v průmyslu.

Flexibilita a otevřenost zvyšují funkčnost

Uživatelé sběrnice EtherCAT mohou využívat flexibilní topologii, která zjednodušuje plánování a instalaci. V sítích EtherCAT nejsou žádná praktická omezení ohledně použité topologie, běžně je možné používat linio­vou topologii, hvězdu, strom, redundantní zapojení a jejich kombinace s počtem uzlů na segmentu sítě v podstatě neomezeným (obr. 2). Do sítě je možné integrovat dokonce i bezdrátové spoje a díky funkci hot connect lze za běhu odpojovat jak uzly, tak celé části sítí.

Mnoho uživatelů vnímá přechod z dříve používané zavedené sběrnice na novou jako komplikovaný. Nicméně v sítích EtherCAT je již nyní možné používat komunikační brány pro více než dvacet průmyslových sběrnic. Díky těmto komponentám lze integrovat současné zařízení používající původní sběrnici do sítě EtherCAT nebo navázat spojení s jinými systémy. Migrace z předešlého systému je bezproblémová a zároveň již není nutné brát v úvahu komplexní požadavky na rozhraní předešlého systému: ostatní systémy jsou jednoduše integrovány pomocí sítě EtherCAT, a ne pomocí PCI, cPCI, PCIe a dalších.

Síť EtherCAT nevyžaduje u každého zařízení ruční adresaci hardwaru pomocí otočných přepínačů nebo přepínačů DIP: při načtení hardwarové konfigurace jsou jednotlivým zařízením adresy přiřazeny automaticky. Při přidání dalšího zařízení do sítě zůstávají původní adresy zachovány. EtherCAT master zpravidla podporuje funkci automatického rozpoznání topologie, díky níž lze porovnat aktuální topologii s tou, kterou očekává aplikační program. V případě nutnosti výměny zařízení mohou být všechny jeho parametry automaticky načteny bez dodatečné parametrizace.

Při výběru průmyslové sběrnice hraje rozhodující roli otevřenost, která v reálném významu znamená široké uplatnění i v budoucnosti. Avšak o téměř všech průmyslových sběrnicích se tvrdí, že jsou otevřené. Otevřenost sběrnice EtherCAT ale neznamená jen soulad s mezinárodními standardy (IEC, ISO) či obchodní dostupnost softwarových a hardwarových jednotek masterslave od různých dodavatelů. Otevřenost sběrnice EtherCAT také znamená volně dostupnou podporu při vývoji zařízení, jasné směrnice pro zajištění interoperability zařízení masterslave běžících pod mnoha operačními systémy a řídicími procesory, otevřenost konfiguračních nástrojů (včetně podpory zařízení třetích stran) a specifikací aplikačních rozhraní. EtherCAT není jen plně kompatibilní Ethernet, ale vyznačuje se i jistou mírou otevřenosti vycházející přímo z jejího návrhu: tedy schopností přenášet ostatní služby a protokoly založené na Ethernetu po stejné fyzické síti. Tyto internetové služby jsou přenášené pomocí protokolu EtherCAT, přičemž vlastnosti sítě z hlediska reálného času tím nejsou ovlivněny. V prostředí EtherCAT je možné také používat všechny internetové služby: integrované webové servery, e-mailovou komunikaci, protokol FTP atd.

Odpověď pro všechny uživatele

Je zřejmé, že obě skupiny uživatelů, tedy ti, co zakládají rozhodnutí o volbě sběrnice na možnostech dodavatelů, ale také ti, co se podrobněji zabývají technickými parametry příslušné sběrnice, se stále častěji rozhodují pro EtherCAT. Celkově lze EtherCAT charakterizovat jako mimořádně výkonnou sběrnici se snadnou instalací, otevřenou široké skupině zařízení a dalších komunikačních protokolů. EtherCAT nastavuje nový výkonnostní standard a díky Ethernetu a internetovým službám umožňuje významnou vertikální integraci. Se sběrnicí EtherCAT jsou komplikace minulostí a drahé komponenty síťové infrastruktury vymírajícím druhem.

Martin Rostan, výkonný ředitel, EtherCAT Technology Group (www.ethercat.org )

Obr. 1. Data se zapisují a čtou za běhu – on the fly

Obr. 2. Flexibilní topologie sítě EtherCAT