Uppdatering om EtherCAT för 2021

Grunderna till Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) lades för nästan 40 år sedan. Idag är det Ethernet-baserade fältbussystemet standardiserat i IEC 61158 och oumbärligt i en lång rad av avancerade industriella automatiseringstillämpningar.

Figur 1: Detta är EtherCAT-standardlogotypen. (Bildkälla:EtherCAT Technology Group )

I mitten av 1980-talet såg flera automationstillverkare ökningen av Ethernet och undrade om det var möjligt att utnyttja fördelarna på fabriksgolvet. Vissa som har erfarenhet av PC-baserade styrsystem visste att Ethernet:s fysiska hårdvara inte var robust nog för industriella sammanhang. Mer problematiskt var hur TCP/IP-protokollet och datorkraften för tiden var för långsam för de mest avancerade automationstillämpningarna. Dessutom var data på Ethernet inte deterministisk. Å andra sidan pågick en exponentiell ökning av antalet installerade noder - och att ansluta Ethernet var så enkelt att (om dess begränsningar kunde övervinnas) ett Ethernet-tillvägagångssätt skulle vara en pragmatisk arkitektur som var mycket billigare än befintliga fältbussar.

Figur 2: DettaLAN9252 DIGIO-kort är en rent hårdvarubaserad EtherCAT-sekundärenhet som kan fungera utan ansluten microcontroller. Kortet möjliggör dubbla nätverksanslutningar till RJ45-uttag eller fiberoptiska gränssnitt för kommunikation via en SFP-modul. Detta kort levereras förkonfigurerat och vid uppstart visas det för en värd som en EtherCAT-sekundär. (Bildkälla:Microchip-teknik )

Ursprunget och kärnelementen i EtherCAT

En tidig förbättring av Ethernet var att förstärka RJ45-kopplingen från kabel till kabel. För användning i industriella miljöer behövde detta kontaktdon vara en robust och vattentät anslutning som tål nötning, stötar och många flexcykler. Kabeltillverkare som såg Ethernet som en möjliggörande teknik började lansera sådana kontaktdon - först för Industrial Ethernet (IE)-styrning baserat på det standardiserade TCP/IP-protokollet och 7-lagerstandarden Open Systems Interconnection (OSI) som redan användes.

Figur 3: Industriella Ethernet-kablar säkerställer felfri dataöverföring och har en robust, nötningsbeständig konstruktion för att förhindra dyra stillestånd och behålla stabil och säker drift av utrustningen. (Bildkälla: Getty Images)

Sådana fysiska anslutningar innebar ett komplement till nya former av industristyrningar med datainsamlingskort på moderkorten - och kan hantera data och tillhandahålla styrsignaler för enkla processer. Det var ett logiskt första steg i steget mot mer användning av Ethernet inom automation, och för händelser som inte var tidskritiska (eller processvariabler som temperatur, flöde och fuktighet som förändrades ganska långsamt) fungerade sådana arrangemang alldeles utmärkt.

Emellertid var automation baserad på datorer fortfarande utom räckhåll: Paketkollisioner gjorde timingen inkonsekvent och uppgifter kunde inte synkroniseras med den nödvändiga precisionen på bråkdelar av sekunder som behövdes för mer avancerade moment - som t.ex. flaskinspektioner på snabba produktionslinor eller flygande kniv-moment i en förpackningsmaskin. Sådan automatisering krävde ett nytt tillvägagångssätt och flera tillverkare lanserade sina egna lösningar. Den som mest kom att användas av dessa var EtherCAT.

EtherCAT lanserades 2003 och hade (och har fortfarande) några av de snabbaste cykeltiderna för Ethernet-baserade kommunikationslösningar, så den blev snabbt en populär nätverks- och styrarkitektur för fabriksautomation. Dock fanns ett förbehåll: att få ut det mesta av EtherCAT (för att uppfylla kraven på hastighet och determinism inom industriautomation) krävde att bussen kompletterades med snabb styrhårdvara. Denna är i många fall beroende på applikationsspecifika integrerade kretsar, eller ASICs, inom de styrenheter som hanterar EtherCAT-funktionaliteten.

Grundstruktur för EtherCAT för determinism

EtherCAT använder telegramstrukturen för Ethernet-data för att upprätta en primärenhet (masterstyrning) och dess relation till sekundära sensorer och styrdon (noder) på fabriksgolvet. Dessa små billiga ASIC-enheter finns i varje nod för att öka prestandan för denna konfiguration.

Figur 4: TMC8462 EtherCAT-sekundärstyrenheter med 100 Mb fysiska lager (PHY) kan kommunicera i realtid. Deras strömförsörjning med dubbelswitchad regulator och 24 V I/O kompletterar hastigheterna i industrimiljöer. De sekundära MC8462-kontrollerna paras vanligtvis ihop med en watchdog, PWM och SPI/I²C-primärenheter för avancerade funktioner i antingen enhetsemuleringsläge eller med en extern CPU. (Bildkälla:TRINAMIC Motion Control)

Så här fungerar det: Ett telegram som rör sig längs EtherCAT:s ringtopologi börjar vid den primära styrenheten och färdas genom alla noder. Vid varje nod finns instruktioner redo att lastas av samt datapaket redo att lägga till sin information till telegrammet. Utan att sakta ner när telegrammet passerar genom noden, iscensätter varje nods ASIC ett snabbt utbyte av information och sedan hastar telegrammet vidare till nästa nod. När en hel runda slutförts, uppdateras allt i styrenheten och ett till datapaket skickas ut i banan. Detta schema är inherent i EtherCAT-strukturen och förhindrar paketkollisioner samtidigt som det säkerställs att datan är direkt tillgänglig för styrenheten i slutet av varje cykel. Endast den primära enheten (styrenheten) får frisläppa ett telegram.

I detta exempel används en ringtopologi, men det är ett full-duplexsystem, så om den sista noden i ett segment är öppen skickar denna nod paketet tillbaka uppåt till primärenheten.

För att säkerställa deterministisk data, använder EtherCAT en distribuerad klocka. Här skickar den primära styrenheten ett paket till alla noder, vilka som svar låser sin interna klocka två gånger - först när paketet tas emot och sedan igen när det återvänder till primärenheten. En sådan rutin (som faktiskt kan upprepas flera gånger) ger en direkt mätning av utbredningsfördröjningen som är förknippad med varje nod. Därefter laddas de resulterande, beräknade fördröjningarna i en offset-klocka. Slutligen definierar primärenheten den första noden i sekvensen som referensklocka för alla andra noder på bussen.

EtherCAT kan konfigureras för att uppdatera denna fördröjning regelbundet eller till och med för varje cykel. Kombinationen av snabba datacykeltider och den distribuerade klockan, gör att hela systemet kan fungera med mindre än 0,1 msek jitter vid en datahastighet på 100 Mbit/sek, tillräckligt för de flesta industriella arbetsuppgifter.

Figur 5: Nyckeln till styrning med höga prestanda av automatiserad utrustning, är minimal svarstid tillsammans med deterministisk datainhämtning och -utmatning. Det spelar ingen roll exakt när kommunikation och beräkningar inträffar - så länge resultaten finns i utdatakomponenten före nästa erforderliga datautmatning. EtherCAT levererar denna funktion så att på en viss ingång (datainhämtning) till en diskret EtherCAT-styrslinga, flyttas (kommuniceras) detta datavärde till styrenheten som sedan räknar fram ett svar. (Bildkälla: EtherCAT Technology Group)

EtherCAT har också en annan inbyggd tidshanteringsfunktion. Vissa sensorer, styrdon och system är kritiskt beroende av realtidsstyrning; servomotorer, säkerhetsutrustning och hissar är bara några exempel. EtherCAT-system kan ställas in för att stödja dessa komponenter och system genom att låta programmeringen av systemets primära styrenhet ge företräde för kritisk data. Mindre kritiska komponenter får då färre dataförfrågningar och uppdateringar, medan kritiska komponenter får mer frekventa dataförfrågningar och uppdateringar.

Tidslinje för de senaste EtherCAT-funktionerna

Kärnan i EtherCAT har sina rötter i Beckhoff Automation Lightbus (släpptes 1989) och Fast Lightbus (med Ethernet-kablar) 2003. År 2005 publicerades EtherCAT-specifikationen och 2007 kodifierades den i IEC 61158 som en fältbusstandard. Med en etablerad internationell standard var Beckhoff och andra tillverkare snabba med att utveckla fysisk hårdvara och programvara för att utnyttja EtherCAT-funktioner samtidigt som de bibehåller bakåtkompatibilitet.

För att förvalta EtherCAT-standarden finns EtherCAT Technology Group (ETG) - en branschsammanslutning av OEM-tillverkare och slutanvändare som delar utvecklingen och säkerställer interoperabiliteten mellan EtherCAT-kompatibla enheter. Bland mycket annat har denna grupp utvecklat en kompatibilitetstestare som kallas Conformance Test Tool (CTT) för att verifiera att nya enheter uppfyller interoperabilitetsstandarderna.

En stark acceptans av EtherCAT i en rad branscher har stöttat dess ständiga innovation.

2008: Distribuerade klockor med XFC - Den distribuerade timingkarakteristiken, som är kärnan i att EtherCAT-kommunikation fungerar, behandlades i föregående avsnitt i denna artikel. Det är dock värt att tillägga att den distribuerade EtherCAT-klockan är en del av Beckhoffs eXtreme Fast Control (XFC)-teknologi som kräver att alla EtherCAT-enheter har sina egna klockor som kontinuerligt synkroniseras med alla andra klockor på EtherCAT-systemet. EtherCAT kompenserar för olika komponenters olika kommunikationstider för avvikelser mellan klockor som hålls under 100 nanosekunder. Tidsstämplad data används för att förfina timingen för en specifik styrparameter i ett specifikt telegram. Den distribuerade systemklockan säkerställer att alla systemklockor synkroniseras till inom mindre än 100 nanosekunder, och tidpunkten för en kontrollhändelse begränsas normalt av cykeltiden. Med XFC möjliggör tidsstämplad data aktivering (och händelser) mellan datacykler för snabb och mycket precis styrning - och vid 200 kHz samplingshastighet för minsta möjliga databrus.

Figur 6: Denna gateway tillåter anslutning av seriella RS-232/422/485-komponenter till EtherCAT-styrsystem. Den kallas Anybus Communicator, och utför intelligent protokollkonvertering för att sända seriell data till den primära PLC:n eller styrenheten i form av enkel I/O-data. (Bildkälla: HMS Connecting Devices)

2010-talet: Olika EtherCAT-utvecklingsmjukvarumiljöer - Den tidiga introduktionen av EtherCAT stimulerade till att programvara släpptes för att underlätta integrationen, med ett växande utbud av mjukvara som erbjuds med moduler för att förenkla integrationen av applikationsspecifika automatiseringsfunktioner. Den första av dessa moduler var inriktad på maskinverktygsbranschen och den PLC-, NC-, CNC- och robotteknik som behövs. Idag är programvara för att underlätta användning av EtherCAT alltmer kompatibel med IEC 61131-3-kod samt programmering från C/C++-, Visual Studio-, MATLAB- och Simulink-miljöer. Den senare utvecklingen gör det möjligt att bygga, simulera och optimera styrsystem innan de implementeras.

2011: EtherCAT-kablar för att förenkla strömmatning och data till servoaxlar - I åratal hade integratörer av rörelsessystem (som finns överallt inom automation) klagat på hur servoaxlar krävde flera kablar för elmotorstyrning, strömförsörjning och återkoppling. Att använda en enda kabel för att bära ström och blandade signaltyper vid olika spänningsnivåer kan skapa signalbrus, nivåförskjutningar och överhörning. Men för ungefär tio år sedan började leverantörer av rörelsekomponenter (med noggrann hänsyn till kabelmantling, skärmning, kapacitansdämpning samt dimensioner på och arrangemang av ledare) att lansera EtherCAT-kabellösningar med en enda kabel (ström och data) på marknaden. Idag betjänar dessa produkter (såsom EtherCAT P-kabel) såväl servomotoraxlar som andra kompatibla fältanordningar.

2014 till 2017: Mer stöd för fleraxliga system och maskinsynsystem - Under dessa år kom EtherCAT-programvara som möjliggör stapling av hårdvara för att expandera fleraxliga installationer med en rad inbyggda säkerhetsfunktioner (som STO, SOS, SS1, SS2), vilket är väldigt användbart inom robotik och pick-and-place-maskiner som behöver flexibla och modulära implementeringar. Dessa år introducerades också mer stöd för EtherCAT-baserad maskinsyn - en naturlig utveckling för EtherCAT:s inherent snabba processningsmetodik som enkelt stöder de realtidsdatakrav som ställs i maskinsynstillämpningar. Vissa program möjliggör till och med direkt integration av maskinsynsmoment i en maskins programmering för EtherCAT-baserad styrning för enklare inspektioner, robotik och kvalitetskontroll.

2018: Snabbare versioner av EtherCAT med bakåtkompatibilitet - EtherCAT G (med hastigheter på 1 Gb/sek) och EtherCAT G10 (med hastigheter upp till 10 Gb/sek) kompletterar allt kraftfullare automationsstyrningar på marknaden, samtidigt som de möjliggör användning av original-EtherCAT-strukturer. Med dessa nätverk är alla processer identiska med originaliterationer av EtherCAT (inklusive det distribuerade klocksystemet), men haken här är att vissa fältenheter får kämpa för att hänga med de snabbare cykeltiderna. Lösningen på detta problem är EtherCAT-grenstyrningar (anslutningsnoder) för att rymma 1 Gb/sek-loopar samt en matris på 100 Mb/sek-slingor.

Sedan 2018: Fler EtherCAT-hård- och mjukvarualternativ och mer IoT-support - De senaste åren har påskyndat introduktionen av industriella komponenter och integrerade system för EtherCAT-nätverk. Även programvara med maskininlärningsmoduler som utnyttjar EtherCAT - tillsammans med molnbaserad teknik och åtkomst via EtherCAT-kompatibla gateways har sett dagens ljus. Det innebär att slutanvändare som äger eller använder utrustning med EtherCAT-nätverk kan nu byta källkod, utföra systemsimuleringar och till och med utnyttja maskininformation för IoT-analyser, vilket är särskilt användbart för slutanvändare som använder maskiner på geografiskt åtskilda tillverkningsplatser. Vid pass mitten av augusti 2020 hade fler än 3000 medlems-företags-ID utfärdats till ETG.

Slutsats

För nästan 40 år sedan började den industriella automationsindustrin att söka sätt att utnyttja Ethernets möjligheter och att det finns överallt inom industriell kommunikation. Idag är Ethernet-baserad kommunikation och styrning allt annat än exotiskt - och i många sammanhang fungerar det som referensstandard. EtherCAT:s kombination av funktioner ger det en av de bästa prestanda/kostnad-relationerna för alla Ethernet-kompatibla bussar på marknaden idag. Med sitt stöd för Industry 4.0 och IIoT- installationskoncept, kommer EtherCAT bli oumbärligt för framtidens omdaning av automationsbranschen.