Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Extrémně krátká doba cyklu sběrnice díky zpracování „on-the-fly“

V automatizační technice se stále více prosazuje průmyslový Ethernet. Díky technickému pokroku se ze „starého dobrého“ kancelářského Ethernetu stal výkonný komunikační nástroj vhodný pro řízení výroby. Obtíže ale dosud činí nalezení jednotného uživatelského protokolu „střiženého na míru“ automatizační technice a nutnost respektovat přísná omezení ohledně chování systému v reálném čase. Existují ale už i slibná řešení vhodná pro úlohy, kde je nutné pracovat v absolutně stabilním reálném čase (Hard Real-Time, HRT). Článek se věnuje jednomu z nich, ethernetovské sběrnici EtherCAT.
 
U komunikačních systémů založených na průmyslovém Ethernetu se protokoly průmyslových sběrnic přenášejí ethernetovou sítí prostřednictvím tunelového propojení nebo zapouzdření. Přednostmi tohoto řešení jsou informační průchodnost komunikačního systému od průmyslové provozní sběrnice, přes podnikovou síť až do sítě Internet, možnost jednoduchého přenosu na různé hardwarové platformy a přímé převzetí uživatelské vrstvy průmyslové sběrnice. Nevýhodou je především ztráta schopnosti komunikovat v reálném čase, protože běžný Ethernet nemá deterministické chování. Různá sdružení v Evropě i v USA propagují svoje řešení, jak toto omezení překonat a zajistit v průmyslovém Ethernetu chování v reálném čase. Jmenovat lze např. Ether-CAT, Ethernet Powerlink, Ethernet/IP, Profinet, Foundation Fieldbus HSE nebo Modbus-TCP. Jde o různá vzájemně nekompatibilní řešení, která ale mají společné jádro: respektují etablované standardy komunikačních vrstev 1 a 2 modelu ISO/OSI. A všechny podporují funkce běžné v průmyslové informatice: vytváření webových serverů, přenos souborů a odesílání e-mailů. K tomu jednotně využívají protokoly IP, TCP, a UDP a ke slovu přijdou i protokoly HTTP a FTP.
 
Nejrychlejší ethernetovská provozní sběrnice
EtherCAT je průmyslová provozní sběrnice založená na Ethernetu, která se vyznačuje velkým výkonem, flexibilitou a cenovou výhodností. Lze ji v současné době označit za nejrychlejší ethernetovskou sběrnici. Zkrácení doby cyklu dosahuje EtherCAT tím, že řízené jednotky rámce (telegramy) neinterpretují celé a nekopírují je až po jejich přijetí, ale zpracovávají je průběžně − on-the-fly (za letu; obr. 1). Rámce (EtherCAT využívá vlastní EtherType 88A4h) jsou adresovány do jednotky zvané FMMU (Fieldbus Memory Management Unit), která z nich ve stejné době, kdy jsou již předávány následující stanici, přečte data, jež jsou pro ni určena. Podobně také uživatelská data jsou do rámce zaváděna v době, kdy rámec prochází stanicí. Proto jsou doby zpoždění řádově v nanosekundách. Přitom mohou být účastníci velmi přesně synchronizováni, protože zpoždění je konstantní, závislé pouze na hardwaru. EtherCAT podporuje všechny topologie sítí v podstatě bez omezení z hlediska počtu připojených přístrojů. Je to také dosud ojedinělé řešení průmyslového Ethernetu se schopností pracovat v reálném čase, které nevyžaduje pro řídicí jednotku sítě (master) žádný speciální hardware: funkci HRT lze realizovat v libovolném ethernetovém řadiči jednotky master softwarově. Také řadiče podřízených jednotek (slave), které již vyžadují speciální hardware pro EtherCAT, jsou cenově velmi výhodné. Přepínače nejsou nutné. To vede k tomu, že řídicí i podřízené jednotky stejně jako infrastrukturu lze realizovat s nízkými náklady, zvláště ve srovnání s běžnými sběrnicovými systémy.
 

Real-time operační systém pro real-time Ethernet

Řídicí jednotka sítě EtherCAT musí být vybavena operačním systémem reálného času. Společnost Kontron ve spolupráci s firmou Profimatics GmbH z Barmstedtu u Hamburku (SRN), která má již patnáctileté zkušenosti se softwarem určeným pro práci v reálném čase, vyzbrojila průmyslové počítače tří typových řad z nabídky firmy Kontron pro výrobce strojů a zařízení (OEM) tak, aby mohly být začleněny do sítí průmyslového Ethernetu se schopností práce v reálném čase − HRT. Inženýři společnosti Profimatics k tomu využili real-time operační systém, určený pro procesory Intel a vhodný zvláště pro ethernetovou komunikaci HRT, jako je např. EtherCAT. EtherCAT jako otevřený komunikační systém s extrémně krátkou dobou cyklu je obzvláště vhodný pro automatizaci strojní výroby, kde se požadavky na chování v reálném čase vyskytují velmi často. Systém vyvinutý společností Profimatics umožňuje jednotce ve funkci řídicího členu (master) rychlý a jednoduchý přístup do real-time sítě EtherCAT. Podpora různých topologií poskytuje uživatelům možnost pružně měnit konfiguraci systému. Operační systém je deterministický a vyznačuje se velkou spolehlivostí. Díky architektuře dovolující přizpůsobit velikost systému různým požadavkům, real-time zásobníku TCP/IP stack, vestavnému webovému serveru a široké podpoře různých síťových karet je systém vhodný pro různé úlohy. Vzhledem k tomu, že jde o otevřený systém, může si uživatel s použitím vývojového kitu vyvinout vlastní uživatelský software. Jako vývojové prostředí lze využít Visual Studio od firmy Microsoft. Uživatel může své programy tvořit podle svých zvyklostí v C/C++, popř. EC++. Kromě toho jsou součástí vývojového kitu diagnostické a analytické nástroje, které umožňují navržené programy odladit a optimalizovat jejich funkci.
 
Operační systém může pracovat s operačním systémem Windows nebo bez něj. Umožňuje dosáhnout doby cyklu 50 μs (obr. 2), což odpovídá frekvenci 20 kHz např. při sběru dat nebo ovládání I/O. Tak krátké doby cyklu běžné průmyslové sběrnice, např. CANopen nebo Profibus, nedosahují.
 

Real-time Ethernet a plug and play

Speciální software pro real-time komunikaci pomocí EtherCAT, vyvinutý firmou Profimatics, implementuje firma Kontron do operátorských panelových počítačů V-Panel, do průmyslových počítačů ThinkIO určených pro montáž na lištu DIN a do odolných průmyslových počítačů JRex-IBOX. Program je uložen v paměti typu flash a do produktů firmy Kontron se zavádí metodou plug and play. Kromě procesorů Intel od x86 až po Pentium M je nyní k dispozici i software pro dvoujádrové procesory Intel.
 
V-Panely jsou kompaktní a výkonné operátorské panelové počítače určené do náročných průmyslových podmínek, odolné proti vibracím, nárazům, extrémním teplotám a proti elektromagnetickému rušení. Dodávají se s procesory Intel Pentium M nebo ve verzi V-Panel Express (obr. 3) s dvoujádrovými procesory. Panelové počítače V-Panel se vyznačují pasivním chlazením, malou spotřebou a velkým výpočetním výkonem. Velikosti úhlopříčky displejů jsou od 10,4" do 19". Displeje mohou být navíc doplněny šestnácti funkčními tlačítky. K tomu, aby bylo možné operátorské panely použít v různých úlohách, je k dispozici široký výběr rozhraní. Pro rozšíření jsou určeny dva volné sloty PCI nebo volitelně PCMCIA. Výbavu doplňuje integrovaný hlídací obvod (watchdog) a funkce správy napájení. Operační paměť je max. 1 024 MB, standardně je k dispozici paměť Compact Flash a volitelně lze počítač vybavit rotačním pevným diskem.
 
JRex-IBOX jsou průmyslové počítače, stejně jako V-Panel s pasivních chlazením, robustní a spolehlivé (obr. 4). Jsou koncipovány pro práci v drsných podmínkách výrobních provozů. Jejich vnější rozměry jsou 228 × × 59 ×148,5 mm a díky tomu je lze použít i tam, kde je nedostatek prostoru. Typické příklady použití jsou průmyslové komunikační systémy, firewally, jednotky určené pro řízení výrobních procesů, obslužné jednotky nebo vestavné řídicí jednotky. JRex-IBOX mají modulární koncepci, a mohou být proto uzpůsobeny přesně podle požadavků uživatelů. Nepřeje-li si uživatel jinak, jsou konektory rozhraní na čelní straně. Počítač lze rozšířit rozšiřujícími moduly JFLEX komunikujícími na bázi sběrnice PCI. Lze tak vytvořit sestavu I/O podle požadavků dané úlohy.
 
Průmyslové počítače ThinkIO jsou díky ploché konstrukci (hloubka 70 mm) vhodné k zabudování do všech běžných rozváděčů. Zcela uzavřené počítače vždy s pasivním chlazením se dodávají ve variantách Think IO-P s procesory od Intel Mobile Celeron s taktem 600 MHz a pamětí cache 64 kB L1/0 kB L2 až po Pentium M s taktem 1,4 GHz nebo ThinkIO-Duo s dvoujádrovými procesory Intel Core Duo U2500 s taktovací frekvencí 2 × 1,2 GHz a 512 MB nebo 1 GB RAM. Hlavní oblastí použití je řízení strojů a zařízení od středně velkých po velké a složité systémy. Jde o zařízení třídy B ITE podle EN 55022 Zařízení informační techniky – Charakteristiky rádiového rušení – Meze a metody měření, a lze je tedy použít i v prostředí, kde se vyskytují zařízení citlivá na elektromagnetické rušení. Počítače neobsahují žádné rotační díly a paměti jsou do desek připevněny pájením, proto jsou počítače velmi robustní, spolehlivé a odolné proti otřesům. Počítače ThinkIO lze doplnit moduly Wago-I/O-System 750 nebo 753 a přizpůsobit je tak požadavkům každé úlohy.
 
Tím, že společnost Kontron do těchto tří řad průmyslových počítačů implementovala sběrnici EtherCAT, nabízí uživatelům z řad výrobců strojů a zařízení optimální základ pro návrh komunikačních systémů využívajících real-time Erhernet pro nejrůznější úlohy v průmyslové praxi. Konstruktéři ocení škálovatelnost počítačů, jejich spolehlivost a bezúdržbový provoz. Díky průmyslovým počítačům Kontron mohou výrobci OEM zkrátit dobu potřebnou k uvedení strojů a zařízení na trh. Společně se soft-PLC a komponentami pro vizualizaci a supervizní řízení mají konstruktéři od jednoho dodavatele k dispozici vše, co potřebují pro návrh řídicích systémů zařízení.
 
Dipl.-Ing. Robert Bühlmann,
vedoucí obchodního oddělení
společnosti Profimatics,
Dipl-Ing. Werner Schmidt,
product manager HMI, Kontron
 
Obr. 1. Využití šířky pásma při čtyřech bajtech uživatelských dat na každém komunikačním uzlu
Obr. 2. Doba cyklu sběrnice EtherCAT je 50 μs
Obr. 3. V-Express s dvoujádrovým procesorem
Obr. 4. Průmyslové počítače JRex-IBOX s pasivním chlazením