Oppdatering om EtherCAT for 2021

Grunnlaget for Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) ble etablert for nesten 40 år siden. I dag er det Ethernet-baserte feltbussystemet standardisert i IEC 61158 og uunnværlig i en rekke avanserte utrustninger innen industriell automatisering.

Figur 1: Dette er EtherCAT-standardlogoen. (Bildekilde: EtherCAT Technology Group)

På midten av 1980-tallet så flere automatiseringsprodusenter fremveksten av Ethernet og lurte på om det var mulig å utnytte fordelene på fabrikkgulvet. Noen som hadde erfaring med PC-baserte styringsystemer visste at Ethernets fysiske maskinvare ikke var herdet for industrielle utrustninger. Mer problematisk var at TCP/IP-protokollen og datidens datakraft var for trege for den mest avanserte automatiseringen. Pluss-data på Ethernet var ikke deterministisk (prosess som følger et gitt mønster). På den annen side var det en eksponentiell økning i antall installerte noder – samt å koble til Ethernet var så enkelt at en Ethernet-tilnærming (hvis man få bukt med begrensningene) ville være en praktisk arkitektur langt billigere enn eksisterende feltbusser.

Figur 2: Dette LAN9252 DIGIO-kortet er en sekundær EtherCAT-enhet kun for maskinvare som kan fungere uten en tilkoblet mikrokontroller (MCU). Kortet tillater doble nettverkstilkoblinger til RJ45-kontakter eller fiberoptiske grensesnitt for kommunikasjon via en SFP-modul. Dette kortet leveres forhåndskonfigurert, og ved oppstart vises det for en vert som en EtherCAT-sekundær. (Bildekilde: Microchip Technology)

Tidlig opprinnelse og kjerneelementer i EtherCAT

En tidlig forbedring av Ethernet var robuste RJ45-til-blå-kabel-tilkoblingen. For bruk i industrielle miljøer måtte denne kontakten være en tøff og vanntett tilkobling som kunne motstå slitasje, støt og flere flekssykluser. Kabelprodusenter som så Ethernet som en mulighetsteknologi, begynte å introdusere slike kontakter – først for industriell Ethernet-styring (IE) basert på standard TCP/IP-protokollen og syvlagersstandarden Open Systems Interconnection (OSI) som allerede er i bruk.

Figur 3: Industrielle Ethernet-kabler sikrer kompromissløs dataoverføring og har en robust, slitesterk konstruksjon for å forhindre kostbare nedetider og opprettholde sikker maskindrift. (Bildekilde: Getty Images)

Slike fysiske tilkoblinger supplerte nye former for industrielle styringer med datainnsamlingskort på hovedkortene – samt i stand til å håndtere data og gi styringssignaler for enkle prosesser. Det var et logisk første skritt i bevegelsen mot mer bruk av Ethernet i automatisering, samt for hendelser som ikke var tidskritiske (eller prosessvariabler som temperatur, flyt og fuktighet som endret seg ganske langsomt) så fungerte slike arrangementer helt greit.

Automatiseringsstyring basert på PC-er var imidlertid fremdeles utenfor rekkevidde: Pakkekollisjoner gjorde timingen inkonsekvent, og oppgaver kunne ikke synkroniseres med splitt-sekund-tidspunktet som trengs for mer avanserte operasjoner – som ved høyhastighets produksjons-online flaskeinspeksjon eller flykniv-operasjoner inne i en emballasjemaskin. Slik automatisering krevde en ny tilnærming, og flere produsenter kom gjennom med ulike løsninger. Den mest brukte av disse var EtherCAT.

EtherCAT ble først utgitt i 2003 og hadde (og har fortsatt) noen av de raskeste syklustidene for Ethernet-baserte kommunikasjonsalternativer, så det ble raskt en foretrukket nettverks- og styringsarkitektur for fabrikkautomatisering. Ett forbehold: For å få mest mulig ut av EtherCAT (for å tilfredsstille kravene til hastighet og determinisme (prosess som følger et gitt mønster) i industriell automatisering) var det nødvendig at bussen ble supplert med rask kontrollmaskinvare, som i mange tilfeller er avhengig av applikasjonsspesifikke integrerte kretser eller ASIC-er innenfor styringene som håndterer EtherCAT-funksjonaliteten.

Grunnleggende struktur for EtherCAT for determinisme (prosess som følger et gitt mønster)

EtherCAT bruker telegramstrukturen til Ethernet-data for å etablere en primær (masterstyring) og dens forhold til sekundære (node) sensorer og aktuatorer på fabrikkgulvet. Disse små billige ASIC-ene sitter i hver node for å øke ytelsen til denne konfigurasjonen.

Figur 4: TMC8462 EtherCAT sekundærstyring med 100 Mb fysiske lag (physical layers – PHY-er) er i stand til sanntidskommunikasjon. Deres strømforsyning med doble brytere og 24 V I/O-er supplerer hastighetene i industrimiljøer. De sekundære MC8462-styringene pares vanligvis med overvåkningskrets (watchdog)-, PWM- og SPI/I²C-primærenheter for avanserte funksjoner i enten enhetsemuleringsmodus eller med en ekstern CPU. (Bildekilde: TRINAMIC Motion Control)

Slik fungerer det: Et telegram som beveger seg langs EtherCATs ringtopologi starter ved primærstyringen og beveger seg gjennom alle nodene. Ved hver node er det instruksjoner klare til å bli lastet av, samt datapakker klare til å legge til informasjonen i telegrammet. Uten å bremse ned når telegrammet passerer gjennom noden, orkestrerer hver nodes ASIC en høyhastighetsutveksling av informasjon, og deretter går telegrammet av til neste node. Når det er gjort en komplett runde, oppdateres alt i styringen og en annen datapakke sendes nedover sporet. Dette oppsettet er iboende i EtherCAT-strukturen og forhindrer pakkekollisjoner, samtidig som det sikrer at data er øyeblikkelig tilgjengelig for styringen på slutten av hver syklus. Bare den primære (styringen) tillates å frigjøre et telegram.

Dette eksempelet bruker en ringtopologi, men det er et fullstendig duplekssystem, så hvis den siste noden i et segment er åpen, sender noden pakken opp igjen til primærlinjen.

For å sikre deterministiske (prosess som følger et gitt mønster) data bruker EtherCAT en distribuert klokke. Her sender den primære styringen en pakke til alle noder, som svar låser nodene sin interne klokke to ganger – først når pakken mottas og deretter igjen når den returnerer til den primære. En slik rutine (som faktisk kan gjentas flere ganger) gir en direkte måling av forplantningsforsinkelsen forbundet med hver node. Deretter lastes de resulterende beregnede forsinkelsene inn i en forskyvningsklokke. Til slutt setter primæren den første noden i sekvensen som en referanseklokke for alle de andre nodene på bussen.

EtherCAT kan konfigureres til å oppdatere denne forsinkelsen med jevne mellomrom, eller til og med for hver syklus. Kombinasjonen av raske datasyklustider og den distribuerte klokken gjør at hele systemet kan fungere med mindre enn 0,1 msek jitter ved en datahastighet på 100 Mbit/sek, i stand til å håndtere fleste industrielle oppgaver.

Figur 5: Nøkkelen til høyytelsesstyring av automatiserte maskiner er minimal responstid sammen med deterministisk (prosess som følger et gitt mønster) verdiinnhenting og utgang. Det spiller ingen rolle når nøyaktig kommunikasjon og beregninger skjer – så lenge resultatene er tilgjengelige i utdatakomponenten før neste nødvendige utdata. EtherCAT leverer denne funksjonaliteten slik at ved noen inndata (verdiinnhenting) i en diskret EtherCAT-styringsløyfe, beveger denne verdien seg (kommuniserer) til kontrolleren som deretter beregner et svar. (Bildekilde: EtherCAT Technology Group)

EtherCAT har også en annen innebygd tidsstyringsfunksjon. Visse sensorer, aktuatorer og systemer er kritisk avhengige av sanntidsstyring. Servomotorer, sikkerhetsutstyr og heiser er bare noen eksempler. EtherCAT-systemer kan konfigureres for å støtte disse komponentene og systemene ved å tillate at programmeringen av systemets primære styringer gir fortrinnsrett til kritiske data. Mindre kritiske komponenter får da færre dataforespørsler og -oppdateringer, mens kritiske komponenter får hyppigere dataforespørsler og -oppdateringer.

Tidslinje for de nyeste EtherCAT-funksjonene

Kjernen i EtherCAT sporer sine røtter til Beckhoff Automation's Lightbus (utgitt i 1989) og Fast Lightbus (som bruker Ethernet-kabler) i 2003. I 2005 ble EtherCAT-spesifikasjonen publisert, og i 2007 ble den kodifisert i IEC 61158 som en feltbusstandard. Med en legitimert internasjonal standard var Beckhoff og andre produsenter raske til å utvikle fysisk maskinvare og programvare for å utnytte EtherCAT-funksjoner samtidig som de opprettholdt bakoverkompatibilitet.

Håndtering av EtherCAT-standarden er EtherCAT Technology Group (ETG) – en bransjegruppe av OEM-er og sluttbrukere som deler utvikling og sikrer interoperabilitet mellom EtherCAT-kompatible enheter. Blant mange andre ting har denne gruppen utviklet en kompatibilitetstester kalt Conformance Test Tool (CTT) for å verifisere at nye enheter oppfyller standardene for samtrafikkevne (interoperabilitetsevne).

Sterk aksept av EtherCAT fra en rekke bransjer har støttet dens kontinuerlige innovasjon.

2008: Distribuerte klokker med XFC – Den distribuerte tidsegenskapen så kjernen i driften av EtherCAT-kommunikasjon ble dekket i forrige avsnitt av denne artikkelen. Det er imidlertid verdt å legge til at den distribuerte EtherCAT-klokken er en del av Beckhoffs eXtreme Fast Control (XFC)-teknologi som krever at alle EtherCAT-enheter har sine egne klokker som kontinuerlig synkroniseres med alle andre klokker på EtherCAT-systemet. EtherCAT kompenserer for ulike komponenters forskjellige kommunikasjonskjøretider for avvik mellom klokker holdt til under 100 nsek. Tidsstemplede data brukes til å forbedre timingen av en bestemt styringsparameter i et enkelt telegram. Den distribuerte systemklokken sikrer at alle systemklokker synkroniseres til innenfor mindre enn 100 nsec, og timingen av en styringshendelse er normalt begrenset av syklustiden. Med XFC gir tidsstemplede data mulighet for aktivering (og hendelser) mellom datasykluser for rask og svært presis styring – og ved en 200 kHz dataprøvetakingshastighet for minimal datastøy.

Figur 6: Denne gatewayen tillater tilkobling av serielle RS-232/422/485-komponenter til EtherCAT-styringssystemer. Den kalles Anybus Communicator og utfører intelligent protokollkonvertering for å sende seriedata til den primære PLS-en eller styringen som enkle I/O-data. (Bildekilde: HMS Connecting Devices)

2010s: Ulike EtherCAT-utviklingsmiljøer - Første introduksjon av EtherCAT-sporet utgivelse av programvare for å lette integrasjonen, med et økende utvalg av programvare som tilbys med moduler for å forenkle integrasjonen av applikasjonsspesifikke automatiseringsfunksjoner. Den første av disse modulene var rettet mot maskinvareindustrien og PLS-, NC-, CNC- og robotstyringene den krever. I dag er programvare for å lette bruken av EtherCAT stadig mer kompatibel med IEC 61131-3-koden, samt programmering fra C/C++, Visual Studio, MATLAB og Simulink-miljøer. Sistnevnte utvikling gir mulighet for å bygge, simulere og optimalisere styringssystemer før implementering.

2011: EtherCAT-kabler for å forenkle strøm og data i servoakser – I årevis klaget integratorer av bevegelsessystemer (så allestedsnærværende i automatisering) over hvordan servoakser krevde flere kabler for styring av elektrisk motor, strøm og tilbakekobling. Bruk av en enkelt kabel til å bære strøm og blandede signaltyper ved forskjellige spenningsnivåer kan skape signalstøy, nivåforskyvninger og krysstale. Men for omtrent 10 år siden begynte leverandører av bevegelseskomponenter (med nøye oppmerksomhet på kabelkapping, skjerming, kapasitetsreduksjon og lederstørrelser så vel som arrangementer) å bringe EtherCAT-kabelløsninger med én kabel (strøm og data) på markedet. I dag betjener disse tilbudene (som EtherCAT P-kabel) servomotorakser, så vel som andre kompatible feltenheter.

2014 til 2017: Mer støtte til fleraksede systemer og maskinsynssystemer – I disse årene gjorde EtherCAT-programvaren det mulig å stable maskinvare for å utvide fleraksede installasjoner med en rekke innebygde sikkerhetsfunksjoner (for eksempel STO, SOS, SS1, SS2), mest nyttig i robotikk og plukkrobot-drift som trenger fleksible og modulære distribusjoner. I disse årene fikk vi også mer støtte for EtherCAT-basert maskinvisjon – en naturlig passform med EtherCATs innebygde høyhastighetsbehandlingsmetode som enkelt støtter maskinvisjonens sanntidsdatakrav. Noen programvare tillater til og med direkte integrasjon av maskinvisjonsoppgaver i en maskins programmering for EtherCAT-basert styring for forenklede inspeksjons-, robotikk- og kvalitetskontrolloppgaver.

2018: Raskere versjoner av EtherCAT med bakoverkompatibilitet – EtherCAT G (med hastigheter på 1 Gb/sek) og EtherCAT G10 (med hastigheter på 10 Gb/sek) supplerer stadig kraftigere automatiseringsstyringer på markedet, samtidig som de tillater bruk av originale EtherCAT-strukturer. Med disse nettverkene er alle prosesser identiske med originale iterasjoner av EtherCAT (inkludert det distribuerte klokkesystemet), men haken her er at noen feltenheter sliter med de raskere syklustidene. Løsningen på dette problemet er EtherCAT-forgreningsstyringer (tilkoblingsnoder) for å gi plass til 1 Gb/sek-sløyfer samt en matrise på 100 Mb/sek-sløyfer.

Siden 2018: Flere EtherCAT-maskinvare- og programvarealternativer og IoT-støtte – De siste årene har fremskyndet introduksjonen av EtherCAT-nettverksanslutte industrikomponenter og integrerte systemer. De har også sett programvare med maskinlæringsmoduler som utnytter EtherCAT – sammen med skybasert utvikling og tilgang via EtherCAT-kompatible gateway-er. Det betyr at sluttbrukere som eier eller bruker EtherCAT-nettverksmaskiner nå kan bytte kildekode, utføre systemsimuleringer og til og med utnytte maskininformasjon for IoT-analyser, noe som er spesielt nyttig for sluttbrukere som bruker maskiner på geografisk atskilte produksjonssteder. Fra midten av august 2020 hadde mer enn 3000 medlemsselskaps-ID-er blitt utstedt til ETG.

Konklusjon

For nesten 40 år siden begynte industrien for industriell automatisering å søke etter måter å utnytte Ethernets allsidighet og styrke for industriell kommunikasjon. I dag er Ethernet-basert kommunikasjon og styring alt annet enn eksotisk – og fungerer i mange sammenhenger som gullstandard. EtherCATs kombinasjon av funksjoner gir det et av de beste ytelses-/kostnadsforholdene til noen av de Ethernet-aktiverte bussene på markedet i dag. Med sin støtte for installasjonskonseptene Industry 4.0 og IIoT, vil EtherCAT forbli uunnværlig for fremtidige transformasjoner av automatisering.