Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Beckhoff na veletrhu Amper 2007

Beckhoff na veletrhu Amper 2007

Firma Dyger, s. r. o., je distributor výrobků značky Beckhoff na českém a slovenském trhu. Firma Beckhoff Automation patří mezi největší světové inovátory v oblasti průmyslové automatizace. Řešení pomocí průmyslových PC, komunikačních sběrnic a elektronických I/O svorek řadí tuto firmu na čelné místo dodavatelů komponent a ucelených řešení řídicích systémů. Na veletrhu Amper 2007 ve stánku 3B6 představí firma Dyger kromě jiného bezpečnostní svorky TwinSafe a dále sběrnici EtherCAT.

EtherCAT

Klíčovým prvkem v průmyslové automatizaci je komunikace, kterou zajišťují především průmyslové sběrnice. Hlavním cílem vývoje průmyslových sběrnic bylo nahrazení velkého množství kabelů. Tento cíl z přelomu 80. a 90. let minulého století byl však již dávno překonán. Z původních průmyslových sběrnic se vyvinuly výkonné komunikační systémy. Parametry a možnosti současných průmyslových sběrnic tak značně přesáhly očekávání.

Sběrnici EtherCAT vyvinula firma Beckhoff v roce 2003. Přestože je na trhu již čtyři roky, uvedeme zde její základní principy a výhody. EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) podporuje skupina EtherCAT Technology Group, která má více než 140 členů, mj. Beck IPC, Beckhoff, ACS-Tech80, Baumüller, Danaher, Lust, Servo Dynamics, Stöber, Balluff, Fraba, TR Electronics a další. V roce 2006 se mezi členy EtherCAT technology Group zařadila i firma Dyger.

Obr. 1.

Obr. 1. Elektronické I/O svorky Beckhoff s možností komunikace pomocí sběrnice EtherCAT

Sběrnice EtherCAT překonala systémová omezení jiných ethernetových řešení. Jaký je tedy její princip? EtherCAT je realtime Ethernet s optimalizovaným protokolem uvnitř standardního ethernetového rámce. Hlavní rozdíl mezi ní a jinými ethernetovými komunikačními sběrnicemi je ve zpracování komunikačního paketu. Obvykle se paket zpracovává v několika krocích. Nejprve je paket přijat, potom interpretován, vloží se do něj data a na dotaz je paket odeslán. Pro lepší představu je možné tento princip vysvětlit na příkladu železnice. Do nádraží přijede vlak, zastaví, zaměstnanci naloží zboží, a až je třeba, vlak odjede na místo určení. EtherCAT využívá metodu FMMU (Fieldbus Memory Management Unit): v každé vstupní a výstupní jednotce se extrahují data adresovaná pouze této jednotce, zatímco telegram pokračuje se zpožděním pouze několika nanosekund k dalšímu zařízení. Vstupní data jsou vkládána na vyhrazená místa v datovém telegramu.

Datový telegram neustále „krouží“ po síti. Opět lze použít analogii se železnicí. Nádražím projíždí vlak, který nezastaví, ale jen mírně zpomalí. Zboží určené do této stanice zaměstnanci z vlaku vysypou na nástupiště a zaměstnanci nádraží hodí do určeného vagonu zboží k expedici. Vlak pokračuje na další nádraží a stejně neustále obsluhuje všechna nádraží na trase.

Jako komunikační rozhraní pro EtherCAT je na straně řídicího systému použita standardní ethernetová karta. Proto je řešení se sběrnicí EtherCAT cenově velmi výhodné. Vzdálenost mezi jednotlivými stanicemi je omezena na 100 m. Maximální počet stanic v síti je 65 535, rozlehlost může být až 500 km, standardně lze použít kabel CAT 5. Kabely mohou být křížené nebo přímé. Topologie je libovolná: strom, hvězda, popř. kombinace těchto zapojení s využitím standardních síťových komponent. Je také možné využít lineární nebo kruhovou strukturu bez síťových prvků. Výhodou kruhové struktury je, že přerušení kabelu v jednom místě nemá na provoz sítě vliv. Další předností sběrnice EtherCAT je, že odpojení jednoho zařízení nebo části sítě nevede k nefunkčnosti ostatních zařízení na síti. Při opětovném připojení začnou zařízení opět pracovat. Tato vlastnost se nazývá hot connect.

Co nabízí firma Beckhoff pro sběrnici EtherCAT? Je to především sortiment I/O svorek (obr. 1). Většina známých řídicích systémů řeší komunikaci v rámci jedné stanice (sestava procesoru a I/O jednotek) uzavřeným protokolem. Uvedením sběrnice EtherCAT rozšířila firma Beckhoff nabídku vnitřní komunikace v rámci jedné stanice: k dispozici je původní vnitřní sběrnice K-Bus nebo nová sběrnice E-Bus. Mechanické provedení jednotlivých I/O svorek pro tyto vnitřní sběrnice je identické. Rozdíl je v signálech a zpracování protokolu. Sběrnice E-Bus využívá standardní přenosový protokol EtherCAT až na úroveň jednotlivých I/O svorek. Lze si tedy představit, že ethernetový paket prochází jednotlivými moduly. Princip předávání dat je stejný jako mezi jednotlivými stanicemi na průmyslové sběrnici. Jsou-li dvě různé vnitřní sběrnice, nabízí se otázka, jak je to s kompatibilitou I/O svorek na sběrnicích K-Bus a E-Bus. Sběrnicový vazební člen (coupler) BK1120 má vnější rozhraní EtherCAT, ale vnitřní sběrnice je K-Bus. Pomocí tohoto členu je tedy možné připojit všechny současné svorky do sítě EtherCAT. Dalším možným řešením je použít svorku, která tvoří rozhraní mezi sběrnicemi E-Bus a K-Bus. V jedné sestavě tak mohou být použity oba typy svorek.

Na závěr uvedeme několik čísel, která prezentují výkonnost a rychlost sběrnice EtherCAT. Při použití 256 digitálních I/O je jeden cyklus (doba, kdy jeden paket projde přes všechna zařízení) 12 µs, pro 1 000 digitálních I/O je jeden cyklus 30 µs, pro 12 000 digitálních I/O je cyklus 350 µs. Pro 200 analogových šestnáctibitových I/O je cyklus 50 µs, což odpovídá vzorkovací frekvenci 20 kHz. Sestava se 100 servopohony má cyklus 100 µs. Protože v reálných podmínkách většinou nejsou systémy s jedním typem svorek nebo jen servopohony, uvádíme kombinovaný příklad. Systém zahrnující čtyřicet os (každá osa má dvacet bajtů I/O dat) a padesát stanic s celkem 560 svorkami (2 000 digitálních a 200 analogových I/O) má cyklus 276 µs. Celkový datový síťový prostor I/O signálů je 4 GB dat. Datový prostor v jednom zařízení může být dva bajty až 64 kB.

Další informace a odkazy o komponentách EtherCAT a ostatním sortimentu firmy Beckhoff naleznou zájemci na adrese www.dyger.cz

Ing. Jiří Stloukal, Dyger, s. r. o.