Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Beckhoff real-time Ethernet na MSV

číslo 8-9/2003

Beckhoff real-time Ethernet na MSV

Real-time Ethernet přímo na svorkovnicích I/O jednotek

Firma Beckhoff New Automation Technology prezentovala v dubnu letošního roku na veletrhu v Hannoveru novinku, která rozpoutala širokou diskusi mezi odborníky v oboru průmyslové automatizace: nové řešení komunikace v reálném čase s označením EherCAT. Vyžadují vaše aplikace zpracování vstupních a výstupních (I/O) signálů v časech měřených v jednotkách mikrosekund? Pokud ano, rozhodně dočtěte článek do konce.

EtherCAT – standardní komunikační rozhraní

Sběrnice EtherCAT je Ethernet reálného času (real-time Ethernet) s optimalizovaným protokolem uvnitř standardního ethernetového rámce. Na straně řídicí stanice využívá cenově velmi výhodnou standardní ethernetovou kartu. Umožňuje použití klasické topologie zapojení v různých kombinacích do hvězdy či stromu se standardními síťovými komponentami. Popřípadě je možné vytvořit lineární strukturu bez síťových zařízení, podobnou sběrnicovému systému. Komunikace se uskutečňuje po standardních ethernetových médiích – splétaném dvoužilovém kabelu či optickém spoji – přenosovými rychlostmi 100 Mb/s a většími. Protokol EtherCAT automaticky uděluje jednotlivým I/O zařízením svou vlastní identifikaci, bez nutnosti přidělovat IP adresy. Sběrnice pak zabezpečí spojení mezi jednotlivými řídicími moduly anebo se vzdálenými koncentrátory I/O jednotek, popř. k samostatným I/O svorkovnicím při přenosu dat z 1 000 digitálních I/O během 30 µs. Rozhraní EtherCAT se tedy stává novým standardem pro komunikaci v reálném čase pro ucelená řešení časově kritických aplikací od firmy Beckhoff.

Princip rozhraní EtherCAT

S technikou EtherCAT překonává firma Beckhoff systémová omezení jiných dosavadních ethernetových řešení. Komunikační paket již není zpracováván sekvenčně v několika cyklech, tzn. že není přijímán, potom interpretován, naplněn technologickými daty a na závěr při každém spojení (dotazu) odeslán. Nově vyvinutá metoda FMMU (Fieldbus Memory Management Unit) extrahuje v každé I/O jednotce data adresovaná pouze jí, zatímco telegram pokračuje kontinuálně (s minimálním nutným zpožděním pouze několika nanosekund) k dalšímu zařízení. Podobně jsou na vyhrazená místa v datovém telegramu, který „krouží“ po síti, vkládána vstupní data.

Tab. 1. Základní výkonové parametry sběrnice EtherCAT

Rychlost 256 digitálních I/O za 12 ms
1 000 digitálních I/O za 30 ms
200 analogových I/O (16 b) za 50 ms (tj. vzorkovací frekvence 20 kHz)
100 servoos za 100 ms
12 000 digitálních I/O za 350 ms
Topologie až 65 535 stanic, min. 500 km, standardní ethernetový kabel (CAT5)
Datová kapacita celkový datový síťový prostor I/O signálů: 4 GB
datový prostor v jednom zařízení: 2 b až 64 kB

EtherCAT jako „základní deska„

Většina klasických řídicích systémů řeší komunikaci uvnitř vlastní stanice interním uzavřeným protokolem, který si z komerčních důvodů chrání. Firma Beckhoff se svou koncepcí Ethernetu pro použití v reálném čase jde dále a využívá standardní přenosový protokol až na úroveň jednotlivých inteligentních svorkovnic I/O. Lze si tedy představit, že kompatibilní ethernetový paket prochází „napříč“ jednotlivými moduly. Tento typ Ethernetu nazývá firma E-bus. Sběrnice E-bus přenáší data z jednoho bodu I/O k druhému při použití jiné úrovně elektrického signálu, ovšem beze změny datového rámce protokolu TCP/IP. První ethernetový uzel, zvaný Bus Coupler, konvertuje elektrický signál ze standardního splétaného dvoužilového kabelu (optického spoje) na úroveň sběrnice E-bus. Tato konverze je nutná k tomu, aby signál odpovídal elektronickým obvodům implementovaným v jednotkách I/O. Úroveň signálu na sběrnici E-bus je rovněž dostatečná pro přenos pomocí splétaného dvoužilového kabelu k dalším distribuovaným I/O na krátké vzdálenosti až do 10 m. Signál lze kdykoli konvertovat zpět na úroveň standardního Ethernetu a tím docílit libovolné topologie distribuovaného systému.

EtherCAT jako otevřený protokol

Jak již bylo uvedeno, na straně řídicí stanice (myšleno průmyslového PC) je použita standardní síťová karta (firma Beckhoff nabízí jako řešení PCI kartu s až čtyřmi kanály – zásuvkami Ethernetu). Společným znakem těchto rozhraní je datový přenos do PC kanálem přímého přístupu do paměti (Direct Memory Access – DMA). Tak je zajištěn pro přístup k síti bez plýtvání kapacitou procesorové jednotky. Tyto síťové karty fungují s ovladačem TwinCAT Y, který pracuje v součinnosti s operačním systémem a se systémem reálného času v PC. Ovladač TwinCAT Y tedy plní dvě úlohy: zajišťuje kompatibilitu se standardními síťovými službami prostřednictvím operačního systému a navíc pracuje ve funkci průmyslového komunikačního rozhraní s vlastnostmi reálného času. Rámce Ethernetu reálného času mají přednost před rámci obecného operačního systému, z čehož vyplývá, že EtherCAT může fungovat na stejném fyzickém rozhraní jako systémově kompatibilní protokoly. Systémovými protokoly se přitom nerozumějí jen standardní počítačové protokoly jako TCP/IP, http, FTP apod., ale i ostatní jiná řešení průmyslového Ethernetu než EtherCAT (jako Modbus TCP/IP, ProfiNET nebo EthernetIP).

Extrémně velká výkonnost

Díky FMMU ve vzdálených jednotkách I/O a komunikaci mezi síťovou kartou a procesorem v řídicí stanici metodou DMA probíhá celý proces komunikace s maximálním využitím hardwaru nezávisle na zatížení procesoru a s minimálním využitím softwarových zdrojů. Aplikace řešící úlohu řízení polohy se může spolehnout, že prostřednictvím sběrnice EtherCAT dostane stavové a řídicí informace od 100 (slovy: jedno sto) servomechanických os do uplynutí 100 s. Se sběrnicí EtherCAT je možné reagovat i na změnu proudového zatížení (momentu) pohonu ve vzdálených servojednotkách. EtherCAT tedy nabízí i nové koncepty pohledu na řízení servopohonů. Vyžaduje-li aplikace přesnou synchronizaci, zajistí EtherCAT distribuci přesného reálného času s rozlišením 1 µs. V lokální řídicí jednotce je pak možné archivovat potřebná data s rozlišením až 10 s.

Závěr

Na trhu je nyní k dispozici metoda, která svou propustností odpovídá výpočetním výkonům nabízeným průmyslovými PC. Komunikační sběrnice tak přestává být slabým místem systému. Distribuované I/O jsou zaznamenávány rychleji, než je možné u většiny lokálních rozhraní I/O.

Sběrnice EtherCAT ovlivní i konstrukci nových průmyslových PC, kde již nepůjde o distribuci jednotek I/O, ale o distribuci celkového výkonu řešené aplikace. O tom si můžeme povědět příště.

Ing. Jiří Filip,
Dyger, s. r. o.

Dyger, s. r. o.
Purkyňova 99
612 00 Brno
tel: 541 321 004
fax. 541 249 208
e-mail: info@dyger.cz
http://www.dyger.cz

Inzerce zpět