Rugalmas hálózati architektúrák EtherCAT alkalmazásával

A gyárakban alkalmazott automatizálási meg­oldások különböző tudományágakból származó rendszereket integrálnak a gyártási rendelések teljesítése és irányítása, valamint azok kezelése érdekében. Ez a folyamat olyan kommunikációs rendszereket igényel, amelyek egyrészt képesek megfelelni számos különböző érzékelő/aktuátor kommunikációs igényeinek – egészen a termelés vezérlésének szintjéig –, másrészt könnyen tudnak kommunikálni egymással a teljes hálózaton keresztül.

A Beckhoff egyik irányelve az, hogy PC-alapú vezérlőrendszereiben nyílt technológiákat használ, például EtherCAT-et a beavatkozások helyszínén és a folyamatirányítás szintjén, továbbá az OPC UA-t a vertikális integrációhoz. Vagyis a Beckhoff már sok éve megfelel az érzékelőktől a vezérlési szintig terjedő felhőalapú, integrált információcsere azon követelményeinek, amelyről számos iparágban jelenleg megbeszélések folynak, például az Industry 4.0-egyesületek munkacsoportjaiban.
A gépeknél és a gépmodulokon belül a figyelem az érzékelőkből és az aktuátorokból – beleértve a hajtásrendszereket is – származó I/O-adatok cseréjére irányul. A nagy sebességű alkalmazások precíz megvalósításának általános követelménye a megfelelő valós idejű és szinkronizálási képesség, valamint a rövid ciklusidő. A valósidejűséggel kapcsolatos követelmények a gépek és gyártóegységek közötti horizontális irányú kommunikációra is érvényesek. A megfelelő ciklusidők 100 milliszekundum körül vagy annál lényegesen rövidebbek lehetnek, ha a kommunikációt szinkronizálni kell a gyártási folyamatokkal.
Egy gyártóegységnek/gyártósornak a magasabb szintű irányítási rendszerbe – pl. egy gyártásirányító (ERP) rendszerbe – való integrálásához a vertikális kommunikációt használják. Ebben az esetben a kommunikációhoz szükséges időkövetelmények sokkal kevésbé szigorúak; értékük a másodperc és a milliszekundum közötti tartományba esik.
Ezen a szinten azonban több más tényező számít relevánsnak. Ilyenek lehetnek a biztonság, a hitelesítés, a riasztás, a trendképzés, a korábbi adatok, a szolgáltatás alapú kommunikáció stb.
Az évek során a „szolgáltatósemleges” OPC Alapítvány által definiált OPC UA-protokoll széles körben elfogadott kommunikációs megoldássá fejlődött olyan alkalmazások számára, amelyek nem igénylik a megfelelést a valósidejű követelményeknek. A meglevő, fejlett terepibuszrendszerekkel együtt a vállalatok tehát használhatják az OPC UA-protokollt olyan eszközként, amely a MES-réteg (számítógépes gyártásirányítási rendszer) és a gyártási szint közötti sokoldalú kapcsolatot közvetítí.
A Beckhoff már korán felismerte az OPC UA fontosságát. Már a 2006-ban tartott első fejlesztői konferencián bemutatta egy OPC UA-alapú vezérlőrendszer prototípusát, és 2008 óta folyamatosan gyűjti ennek a technológiának a helyi megvalósítási környezetben való alkalmazásával kapcsolatos tapasztalatokat. Manapság minden Beckoff-vezérlőbe beépíthető az OPC-szerver vagy -kliens funkcionalitás.
Olyan esetekben, amikor igényes valósidejűségi (real time) követelményeknek kell megfelelni, különösen előnyös a nyílt EtherCAT-protokoll alkalmazása. Ezt a saját fejlesztésű protokollt a Beckhoff 2003-ban vezette be, és annak használatát azóta is ösztönzi az EtherCAT Technology Group (ETG) a világ minden pontján működő szállítók körében. Tíz év elteltével a Beckhoff termékportfóliója már több, mint 250 különböző, EtherCAT-interfészekkel ellátott eszközt tartalmaz – nem számítva az összes, Ethernet-porttal rendelkező, PC-alapú vezérlőt. Ezek az eszközök EtherCAT masterként használhatók a TwinCAT automatizálási szoftver futtatásakor.
Terepi szinten az ismert EtherCAT-készülékprotokollt használják (amelyet rendszerint egyszerűen EthetCAT-protokollnak neveznek) a gépen belüli vagy a gép egy részegységén belüli I/O-kommunikációra. Többek között ennek a protokollnak a speciális tulajdonsága a nagyon rövid ciklusidővel (ami akár 100 µs-nél kevesebb is lehet) párosuló, nagypontosságú és determinisztikus teljesítmény, a precíz szinkronizáció a hajtásvezérlési és mérési alkalmazásoknál, az alacsony csatlakoztatási költség, amelyek elősegítik a tech­nológia egészen I/O-szintig való alkalmazását.
Az EtherCAT Automatizálási Protokoll (EtherCAT Automation Protocol – EAP) megfelel az irányítási és termelésirányítási szintű protokollokkal szemben támasztott követelményeknek, amivel megerősíti az EtherCAT horizontális és vertikális integrációját az általános rendszerbe.

Klasszikus kommunikációs szintek az automatizálási technológiában

Integrált EtherCAT-kommunikáció

Különböző EtherCAT-topológiák széles választéka

Az EtherCAT esetében nem a buszrendszer az, amely meghatározza a hálózat topológiáját, hanem a rendszer struktúrája. Nincs szükség „switch”-ekre vagy „hub”-okra, ami azt jelenti, hogy a sorba kapcsolt elemek száma nem korlátozott. Az EtherCAT alkalmazásakor a busz topológiája gyakorlatilag nem korlátozott: lehet egyenes vonalú, elágazó, csillag vagy ezek bármilyen kombinációja, és csaknem bármilyen számú csomópontot tartalmazhat.
A rendszer huzalozásánál a vonalak, valamint az elágazások vagy csonkok kombinációja különösen előnyös, mivel a szükséges elágazó portokat közvetlenül integrálni lehet a buszcsatolókba, pl. az EK1100-ba. Költséghatékony ipari Ethernet-kábelek állnak rendelkezésre a 100BASE-TX-üzemmódhoz, és akár 100 m-es távolság is lehet két eszköz között. Nagyobb távolságok esetén optikai kábeleket kell használni az EtherCAT-csatlakozások létrehozására. A moduláris felépítésű vagy szerszámcserélő egységekkel felszerelt gépeknek lehetőséget kell adni bizonyos hálózati szegmensek vagy egyes eszközök üzem közben végrehajtott ki- és bekapcsolására. Az EtherCAT-slave eszközök már tartalmazzák az ehhez a gyorscsatlakozási funkcióhoz szükséges alapképességeket; ha egy partner állomást eltávolítanak, a megfelelő port automatikusan lezárul, de a megmaradó hálózat zavartalanul tovább működhet. A nagyon rövid (< 15 μs) érzékelési idő biztosítja a problémamentes átkapcsolást.
A Beckhoff EtherCAT-master támogatja a gyorscsatlakozás funkciót berendezéscsoportok és egyedi eszközök esetében is. A felhasználó egyszerű konfigurálással kiválaszthatja ezt a funkciót.
A vonalredundancia érdekében a vezetékrendszert úgy egészítik ki, hogy gyűrűt alkosson. A TwinCAT-master oldalon (a szoftver aktiválása mellett) mindössze egy második Ethernet-port szükséges. A slave eszközök már minden esetben támogatják ezt a funkciót.
Természetesen az EtherCAT támogatja a webalapú kommunikációs technológiákat is: az „Ethernet over EtherCAT” (EoE) protokoll az EtherCAT-szegmensbe tartozó bármilyen Ethernet adatirányítási megoldásnál használható. Az EtherCAT-szegmensen belül a szabványos Ethernet-eszközök ún. „switch-port” (kapcsoló port) terminálokon keresztül csatlakoznak egymáshoz, mint pl. az EL6614. Az Ethernet frame-ek az EoE-n keresztül haladnak. A switch-port egység biztosítja a TCP/IP-töredékek helyes időbélyegzését az EtherCAT-forgalomban, ezzel elkerülve minden negatív hatást a hálózatban zajló valósidejű kommunikációban.
A TwinCAT EtherCAT-masterként egy, a 2-es rétegben levő kapcsolóként működik, amely továbbítja a frame-eket a megfelelő eszközökhöz az EoE-n keresztül a MAC-címre vonatkozó információk alapján. Minden webalapú technológia használható tehát az EtherCAT-környezetben: integrált webszerver, e-mail, FTP transzfer stb.

Egyéb buszrendszerek integrálása

Az EtherCAT nagy rugalmasságot kínál a hálózati architektúra
tekintetében is, egészen az I/O-szintig. A rendelkezésre álló sávszélességnek köszönhetően a hagyományos terepbusz-csatlakozókat alárendelt rendszerekként is lehet használni az EtherCAT-kapukon keresztül. Ez segíthet pl. egy a hagyományos terepibusz-rendszerről az EtherCAT-rendszer felé történő migráció esetén. Lehetővé teszi a rendszer lépésről lépésre megvalósított áttérését az EtherCAT-rendszerre, és az olyan korábbi eszközök vagy automatizálási alkatrészek integrálását, amelyek (még) nem támogatják az EtherCAT-interfészt.

A Beckhoff kompakt ipari PC- és beágyazott PC-megoldásai ezen az integráción alapulnak. A bővítőkártyák behelyezéséhez nincs többé szükség kártyahelyre. A helyi I/O-eszközök, tengelyek és üzemi eszközök mellett olyan komplex rendszerek, mint pl. a terepibusz-master és -slave eszközök (kapuk), a gyors soros interfészek, egyéb más kommunikációs interfészek is címezhetők egyetlen, a PC-ben levő Ethernet-porton keresztül. Az integrált terepibusz adatai közvetlenül rendelkezésre állnak a master számára a feldolgozási adat image-ben.

Interfészkonfiguráció a TwinCAT-rendszerkezelőben

EtherCAT-frame típusok

Rendszerszintű kommunikáció az EtherCAT Automatizálási Protokollal

Az EtherCAT Automatizálási Protokoll (EtherCAT Automation Protocol – EAP) interfészeket és szolgáltatásokat határoz meg a vezérlők közötti egyenrangú információcseréhez (master/master kommunikáció) vagy a központi master számítógéphez.
A ciklikus EAP-kommunikáció közvetlenül kezelhető egy Ethernet-telegramm felhasználói adatmezejében anélkül, hogy egyéb továbbítási vagy mentési protokollra lenne szükség. Az EAP tehát lehetővé teszi a nagyon hatékony adatcserét jelentős protokoll-többletráfordítás nélkül, akár milliszekundumos tartományba eső ciklusidőknél is. Olyan esetekben, ahol egy elosztott rendszeren belül az adatok útvonalválasztása szükséges, az EtherCAT-frame is továbbítható az UPD/IP-n keresztül. Ezenkívül a nem ciklikus konfigurációs adatok a TCP/IP-n keresztül is továbbíthatók. A pontos protokolltípust az EtherCAT-frame fejlé­cében lehet meghatározni.
Az EtherCAT Automatizálási Protokoll a hagyományos Ethernet-infrastruktúrát használja, tehát bármilyen Ethernet-médiumon keresztül továbbítható, beleértve a vezetékmentes kommunikációt is.
A ciklikus adatcsere a „push” (küldő) vagy „poll” (lekérdező) elven alapul. „Push” üzemmódban minden kommunikációs eszköz (adatküldő eszköz, publisher) rendszeresen vagy saját ciklusideje többszöröseinek megfelelő időpontban elküldi adatait. A fogadó (átvevő/subscriber) eszköz konfigurálásakor meg lehet adni, hogy milyen adatokat fogadjon az egyes adatküldő eszközöktől.
A Beckhoff TwinCAT-szoftverébe már 2002-ben bekerültek az EAP-protokollok, ugyanabban az időpontban, mint az RT Ethernet irányítási kommunikációs technológia. Azóta ezek több ezer rendszerben kerültek installálásra. A nyílt EAP-specifikációk ennek a koncepciónak a kompatibilis kibővítését jelentik, ami tovább egyszerűsíti a gép/gép kommunikáció rendszerszintű konfigurálását, és lehetővé teszi a más gyártóktól származó eszközök könnyű integrálását.
A TwinCAT-rendszer műszaki környezetében az EtherCAT Automation Protocol-t ugyanúgy kell konfigurálni, mint egy I/O-eszközt. Hardver interfészként egy szabványos Ethernet-port szolgál, amely a valós időben működő irányítórendszerhez az EAP kernel üzemmód driverén keresztül kapcsolódik. Más I/O- eszközökhöz hasonlóan a bemeneti és kimeneti változók összekapcsolhatók a System Manager-ben, pl. egy PLC-t vezérlő feladatként vagy NC-ként, vagy pedig közvetlenül összekapcsolhatók olyan más I/O-eszközökkel, mint pl. egy csatlakoztatott EtherCAT-rendszer.
A dolgok további egyszerűsítése érdekében a jövőben lehetséges lesz kiterjeszteni az eszközszintű konfigurációt a rendszerszintű konfigurációra egy központi EAP-konfigurációs segédeszköz segítségével. Az EAP-konfigurátor feltérképezi az összes vezérlő kommunikációs függőségi viszonyait, és ezután feltölti az egyes eszközök EAP-objektumkönyvtárait. Dinamikusan létrehozhatók új kommunikációs függőségek, beleértve azok belső kapcsolatait a vezérlő feladattal.
Az EtherCAT tehát megfelel a jelenlegi és jövőbeli irányítási koncepciók összes követelményének.
Az olyan vertikális kommunikációs technológiák támogatásával együtt, mint az OPC UA az EtherCAT már ma biztosítja azokat a technológiai alapokat, amelyek alaptechnológiái lehetnek a negyedik ipari forradalomnak, az Ipar 4.0-nak.

Szerző: Dr. Guido-Beckmann – műszaki marketing – Beckhoff

BECKHOFF Automation Kft.

1097 Budapest, Gubacsi út 6.

Tel.: + 36 1 501 9940

E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

www.beckhoff.hu

Még több Beckhoff

Címkék: TwinCAT