Rozhraní SERCOS

Rozhraní SERCOS

V současnosti se lze na trhu setkat se čtyřmi rozhraními zabezpečujícími komunikaci mezi řídicím systémem, pohonem a I/O moduly. Jsou to:

• MACRO (Motion And Control Ring Optical), což je sériový komunikační systém vyvinutý firmou Delta Tau a dostupný ještě několik dalším firmám,
• FireWire, který používá komunikaci peer-to-peer s přenosovou rychlostí až 400 Mb/s,
• Profibus-MC,
• SERCOS^TM, jediné univerzální, standardizované a celosvětově rozšířené rozhraní pro digitální pohony.

Článek přibližuje komunikační rozhraní SERCOS.

Základní vlastnosti

SERCOS je zkratka označující sériový komunikační systém reálného času (SErial Realtime COmmunications System). Jde o standardizované otevřené digitální rozhraní pro komunikaci mezi digitálními systémy, pohony, senzory a ovladači pro číslicově řízené stroje a zařízení. Jeho vývoj začal v roce 1988 a fyzická vrstva i komunikační protokol byly přijaty jako mezinárodní norma IEC 61491 v roce 1995. U vývoje stálo sdružení výrobců obráběcích strojů s více než čtyřicetiletou tradicí.

Rozhraní SERCOS představuje v současné době jediný mezinárodně standardizovaný prostředek pro komunikaci mezi digitálně řízenými pohony a řídicími systémy a jako takové je již několik let uznáváno na všech třech největších trzích s automatizační technikou. Definitivně minuly doby, kdy rozhraní SERCOS čelilo povrchním odsudkům typu „příliš pomalé“, „příliš složité“ a „příliš drahé“.

Svou technickou převahu prokazuje rozhraní SERCOS v mnoha tisících aplikací s maximálními požadavky na dynamické vlastnosti, přesnost funkce a flexibilitu pohonů. Pro číslicově řízené stroje a digitální inteligentní pohony nabízí maximální přesnost a rychlost i minimální pořizovací náklady. Přitažlivost rozhraní SERCOS značně vzrostla po uvedení nového zákaznického obvodu (Application Specific Integrated Circuit – ASIC) typu SERCON 816, inteligentního čipu zajišťujícího komunikaci mezi optickým vedením s kruhovou topologií a řídicím mikroprocesorem s rychlostí přenosu až 16 Mb/s. Cena nového obvodu je přitom až asi o 40 % nižší než cena jeho předchůdce, obvodu SERCON 410B. Cílem bylo vyvinout nový řídicí obvod rozhraní kompatibilní s dosavadním při podstatně rozšířených funkčních možnostech. Zatímco obvod SERCON 410B je vyráběn technologií 0,7µm HCMOS, je při výrobě obvodu SERCON 816 použita technologie 0,5µm/5V HCMOS.

Přednosti rozhraní SERCOS

Rozhraní SERCOS nabízí periodickou výměnu žádaných a skutečných hodnot pro všechny pohony s volitelnou periodou cyklu v délce 62 µs, 125 µs, 250 µs atd. až do 65 ms. Délka každého segmentu sítě přenosové části může být až 50 m při použití plastových a až 250 m při použití skleněných vláken. Na jedno okružní vedení lze připojit až 254 uživatelů.

Dále uvedeme charakteristické vlastnosti rozhraní SERCOS.

Specifikace rozhraní SERCOS definuje fyzickou vrstvu i sadu více než 400 parametrů kompletně určující komunikaci řídicích systémů, pohonů a I/O modulů. Rozhraní SERCOS využívá jako komunikační médium optická vlákna (stejně jako MACRO a nepovinně i FireWire a Profibus), což zaručuje vynikající odolnost vůči šumu a elektrickou izolaci. Obvod SERCON 816 pracuje s přenosovou rychlostí 2, 4, 8 nebo16 Mb/s a je kompatibilní s předchozím obvodem SERCON 410B využívajícím rychlosti 2 nebo 4 Mb/s.

Rozhraní SERCOS bylo navrženo tak, aby obsahovalo mechanismy zajišťující vysoký stupeň determinismu vyžadovaný při synchronizování mnohonásobných os digitálních pohonů. Vyznačuje se minimem režijních dob, což přispívá k jeho maximální výkonnosti: laboratorní zkouška prokázala, že výkonnost rozhraní SERCOS s přenosovou rychlostí 16 Mb/s je v důsledku rozdílu v režijních dobách srovnatelná s výkonností systému na bázi sítě Ethernet s přenosovou rychlostí 100 Mb/s. Je podporováno řízení polohy, rychlosti a momentu.

K zajištění shody se specifikací standardu musí všechny produkty s rozhraním SERCOS projít testem ověření shody. Tak je zaručeno, že produkty s atestem shody se specifikací rozhraní SERCOS, původem i od různých dodavatelů, jsou navzájem kompatibilní. Doplňky normy IEC 61491 jsou zpracovávány pracovními skupinami (Technical Working Group – TWG) v Evropě i v Severní Americe, což zajišťuje, že součástí specifikace normy se stávají i ta nejnovější zlepšení navržená členskými společnostmi. Pokud jde speciálně o doplňky k normě, publikované od roku 1995, jsou vydávány členskými organizacemi SERCOS a jsou dostupné každému za symbolický poplatek. Nyní se pracuje na začlenění dosavadních doplňků do revize oficiální normy připravované k vydání v roce 2003.

Kritika systému SERCOS

Mezi kritizované vlastnosti rozhraní SERCOS, v mnoha případech ovšem za nedostatky označované jen konkurencí, patří rychlost rozhraní SERCOS, která zvlášť u dosavadního obvodu s rychlostí 2 nebo 4 Mb/s byla označována jako nedostatečná. Nicméně schopnost přenášet data čtyřikrát až desetkrát rychleji, než je to u pohonů třeba, až tak velkou měrou k výkonu stroje nepřispívá.

V této souvislosti je důležité poznamenat, že rozhraní SERCOS obecně pracuje v režimu, kdy přenáší do inteligentních digitálních pohonů údaje o poloze. K tomu stačí menší šířka pásma, než jakou potřebují konkurenční rozhraní, která přenášejí do pohonů i údaje o momentu. U pohonů s rozhraním SERCOS jsou rychlostní, proudová a polohová smyčka uzavírány uvnitř pohonu při mnohem větší hodnotě opakovací frekvence, než s jako se přenáší údaj o žádané poloze. Typické pohony s rozhraním SERCOS např. obnovují údaje v polohové smyčce s frekvencí 2 kHz, v rychlostní smyčce s frekvencí 4 kHz a v proudové smyčce dokonce s frekvencí 16 kHz – a to se starším obvodem SERCON 410B s přenosovou rychlostí 2 nebo 4 Mb/s.

Široká oblast použití

Jak počet, tak rozmanitost dodavatelů a výrobků s rozhraním SERCOS stále roste. Jeho rozšíření a široké využití po celém světě lze demonstrovat např. na nedávné dodávce miliontého obvodu SERCON firmě R. A. Jones v USA, výrobci balicích strojů.

Přestože bylo rozhraní SERCOS vyvinuto na základě specifických potřeb výrobců obráběcích strojů, rozšířilo se a je nyní používáno a akceptováno i v mnoha dalších odvětvích průmyslu jako standardní síť pro řízení pohybu (motion control). Od zavedení synchronních hnacích systémů v tiskařských strojích v roce 1993 jsou téměř všechny bezhřídelové tiskařské stroje synchronizovány prostřednictvím rozhraní SERCOS. Vedle toho si rozhraní SERCOS našlo v několika posledních letech cestu i do potravinářského průmyslu a k výrobcům balicích strojů.

Samozřejmě, že jsou znovu a znovu diskutovány nové prostředky komunikace, jako Ethernet a FireWire. Protože jsou široce využívány ve světě počítačů a spotřební elektroniky, očekává se, že tyto techniky budou nástupcem zavedených průmyslových komunikačních standardů. Tyto diskuse bohužel obvykle zcela ignorují skutečnost, že značné požadavky kladené na rozhraní pohonů v průmyslových prostředích – zejména požadavky na velkou rychlost a nízkou cenu – mohou nové techniky plnit, pokud vůbec, tak jen zčásti. Hodnotíme-li objektivně a vážně technické parametry, je rozhodně třeba brát v úvahu hlediska determinismu a elektromagnetická kompatibility (EMC). Nehledě na to, že norma rozhraní SERCOS není specifikací pouze komunikačního systému pracujícího v reálném čase, ale současně definuje také více než 400 standardizovaných parametrů, popisujících vzájemné působení řídicích systémů a pohonů nezávisle na výrobci. Tyto definice jsou nutné pro zajištění – na bázi otevřeného komunikačního systému – interoperability řídicích systémů, pohonů i I/O komponent od různých výrobců. Tato otevřenost pro kteréhokoliv výrobce, garantovaná na základě celosvětově uznávané mezinárodní normy, umožňuje mnoha malým, středním a velkým firmám nabízet kompatibilní výrobky pro inovované, pružné a produktivní řešení pohonů pro automatizaci.

Rozhraní SERCOS je přitom dále vyvíjeno tak, aby se stalo univerzálním rozhraním pohonů pro pokročilou automatizaci. Kromě výkonných elektrických servopohonů jsou nabízeny i kompaktní servopohony, měniče frekvence a hydraulické servosystémy založené na tomto rozhraní. Vzhledem k dostupnosti decentralizovaných I/O modulů není vyžadována samostatná oddělená komunikační sběrnice. Dostupné jsou i výkonné vývojové, testovací a optimalizační nástroje. Mnoho různých společností nabízí technickou podporu a poradenství. Souběžně s těmito úspěchy zaznamenává sdružení uživatelů rozhraní SERCOS stálý růst počtu svých členů po celém světě.

Dále, v souvislosti s představením nového systému testů pro ověřování shody, je rozhraní SERCOS příkladem zajištění kompatibility a interoperability řídicích systémů, pohonů a I/O komponent. Celkově má rozhraní SERCOS všechny předpoklady k tomu, aby vyhovělo i budoucím požadavkům na automatizační řešení, a tím dosáhlo ještě větší obliby a podpory ze strany dodavatelů i uživatelů.

Dobrá perspektiva

Většina dodavatelů prostředků pro rozhraní SERCOS zjistila, že jeho rychlost je pro většinu z tisíců aplikací, se kterými se setkali, dostatečná. Rozhraní SERCOS bylo vyvinuto s krátkými režijními dobami a vestavěnými mechanismy zajišťujícími determinismus. Jiná rozhraní možná spoléhají na prvotní velkou rychlost přenosu dat, která slouží k zajištění adekvátního stupně determinismu. V současné době se rozhraní SERCOS stává nejpopulárnějším a nejuniverzálnějším komunikačním rozhraním mezi řídicími systémy a pohony.

Zdeněk Šibrava,
Rockwell Automation Services, s. r. o.