magyar elektronika

Hírlevél

Tájékozódjon legfrissebb cikkeinkről, híreinkről!

Valós email cím megadása kötelező

Invalid Input

Invalid Input

Microchip lidAz ipari vezérlési hálózatok
és a hagyományos irodai informatikai (IT) rendszerek sokáig eltérő fejlődési utakon jártak. Az Ipar 4.0 trendje azonban egyre szorosabbra fűzi a terepi szint és a vállalati információs rendszerek kapcsolatát. Elmossa a kétféle hálózat határait: csökken a hagyományos terepbuszok szerepe, amelyeket egyre gyorsuló ütemben szorít ki a valós idejű működésre is alkalmas Ethernet-hálózat. 

 

Az elmúlt két évtized során nagy változások történtek abban, ahogy az ipari rendszerek kommunikálnak egymással. Ez a tendencia azt mutatta, hogy a cégek kezdenek eltávolodni a terepbusz­alapú rendszerektől az olyanok felé, amelyek az Ethernet-kommunikáción alapulnak. 

Az Ethernet-alapú ipari kommunikáció részarányának erős növekedésétől további gyorsuló ütemet várnak, amelyet a MarketsandMarkets piackutató cég legutóbbi elemzése is igazol. A piackutatás kimutatta, hogy az ipari Ethernet teljes piacán  a tervezett projektek értéke a 2020-ban kimutatott 9,2 milliárd USD-ről 2026-ra várhatóan 13,7 millliárd USD-re növekszik, amely 7,3%-os átlagos éves növekedési ütemnek (Compound Annual Growth Rate – CAGR) felel meg a vizsgált időszakra vonatkoztatva.

Az azonban nem igazán meglepetés, hogy az ipari Ethernet ilyen nagy piaci részesedést szerzett az eltelt – aránylag rövid – idő alatt. Bár a terepbuszalapú rendszerekben is látható bizonyos fokú növekedés, ennek azonban korlátai vannak. Ezek ideális megoldást jelentenek ugyan az egyszerű vezérlési funkciók megoldására, de azok a gyártók, amelyek az Ipar 4.0 koncepció megvalósításán dolgoznak, nehezen tudják meghaladni ezeket a korlátozásokat. A legnyilvánvalóbb korlát a sebesség, különösen az olyan alkalmazásokban, amelyek nagyon összetett és precíz vezérléseket tar­tal­maznak – ilyen például a robotika.

Az egyik magától értetődő megoldás az Ethernet-alapú megvalósítás. Az Ethernet könnyedén kínál elegendő sávszélességet az ipari környezet használati eseteinek túlnyomó többsége, így még a legigényesebb Ipar 4.0-alkalmazások számára is. Az Ethernet egy alaposan ismert, költséghatékony és világszerte használt szabvány. Rugalmas, és számos különféle alkalmazásban használható, különösen azért, mert a régebbi terepbuszágak könnyen és olcsón rákapcsolhatók az Ethernet-gerinchálózatra. A megvalósítás és karbantartás munkálataiban semmilyen nehézséget nem okoz azoknak a szakembereknek, akik már dolgoztak Ethernet-hálózatokkal, és értik annak működését. Az Ipar 4.0 erős kapcsolatot igényel az ipari műveletek és a hagyományos irodai alkalmazások (IT) között. Ezért is tesz szert különös jelentőségre, hogy a két alkalmazási kör kommunikációs rendszerei ugyanazon szabványra épülnek. Azt azonban meg kell jegyeznünk, hogy az IT-rendszerekben használt Ethernet-hálózatok működése nem determinisztikus, amely viszont az egyik legfontosabb követelmény az ipari vezérlőrendszereknél1.

A keretvesztés kizárására vonatkozó követelmény arra késztetett néhány eszközgyártót és szabványügyi szervezetet, hogy olyan irányban fejlesszék tovább az Ethernet-alapú szabványokat, amely azokat ipari felhasználásra is alkalmassá teszi. Ezen szabványváltozatok közt a legnépszerűbbek az Ethernet TSN, az EtherNet/IP, a PROFINET és az EtherCAT. A kezdeti fejlesztések óta ezen protokollok mindegyike, valamint a kisebb vagy egyedi rendszerek – mind földrajzi, mind technikai értelemben – megtalálták a maguk alkalmazási területeit. 

Mindegyik protokollnak megvannak a maga előnyei és hátrányai. Általában azt az elvet követik, hogy az IT-környezetben használt Ethernetet veszik alapul, és azt teszik alkalmassá valós idejű környezetben való felhasználásra. Ezt az egyik Ethernet-megvalósítás egy kicsit másképp oldja meg, mint a többi: az EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) megtartja az Ethernet fizikai rétegét, és erre egy teljesen új, determinisztikus protokollt épít fel. Ez a protokoll egy hosztvezérlőt tételez fel, amely az egyetlen készülék a hálózatban, amelynek jogosultsága van EtherCAT-adatkereteket létrehozni. A keret mindig azonos hosszúságú, és a hálózatban található mindegyik eszközcsomópontnak van egy címezhető területe, amellyel a keretet a saját maga számára egyedivé teszi. Miközben a keret a hálózat mentén „utazik”, minden érintett csomópont elolvassa annak vezérlési adatait, és átadja a válaszinformációt a számára lefoglalt helyen anélkül, hogy a keretet (a hardver által meghatározott fizikai késleltetésnél nagyobb mértékben) késleltetné. Ez a hálózaton egyáltalán megvalósítható legnagyobb adattovábbítási sebességet eredményezi, amely igen jól megközelíti a vezeték adatsebességének fizikai korlátját, a 100 Mbit/s-ot. 

Más ipari Ethernet-megvalósításoknál a keret ellenőrzésének kivitelezése, a CRC-hibaellenőrzés végrehajtása és mindennek az átfuttatása a teljes protokollvermen akár több száz µs időt is igénybe vehet. Az EtherCAT-protokollt úgy tervezték, hogy ez a teljes folyamat 125 µs-on belül végrehajtódjon. A nagyobb adatfeldolgozási sebesség a teljes rendszer válaszkészségét jelentősen megnöveli, amelynek az eredménye a teljes vezérlési alkalmazás nagyobb hatékonysága és magasabb biztonsága. Az EthetCAT-csomópont felépítése is sokkal egyszerűbb a többi ipari Ethernet megoldásénál, és csak egy szerény képességű mikrovezérlőn futtatott programve­rem­kód (Slave Stack Code – SSC) futtatását igényli. Ez egyaránt csökkenti a rendszer bonyolultságát és költségét is.

Azonban a teljes EtherCAT-alapú rendszer megvalósítása nem a legegyszerűbb feladat. A legnehezebben legyőzhető akadály a tervező számára az, hogy „beleférjen” a szigorú ciklusidő-követelménybe. Számos gyártó, különösen azok, akik motorvezérléssel foglalkoznak, a vezérlőalgoritmust 8000-szer kívánják lefuttatni másodpercenként, amelyből 125 µs ciklusidő adódik. Bár az EtherCAT-rendszerek könnyedén megfelelnek ennek az elvárásnak, a megvalósítás nehéznek bizonyulhat, és a szoftver sokszori újraírását és optimalizálását igényelheti. Ez sokszor költséges is, azaz egy kereskedelmi forgalomban elérhető, DIN-sínre pattintható, és a motorvezérlő mellé ültethető EtherCAT-vezérlő gyakran több száz dollárba is kerülhet. Egy egyedi tervezésű megoldás viszont ennek akár a tizedéből is kihozható. 

 

Egy új megoldás

A Microchip 2012 óta van jelen az EtherCAT-piacon. A cég az első EtherCAT-készülékvezérlőjét (EtherCAT Slave Controller – ESC), a LAN9259 IC-t 2015-ben mutatta be. Ez a piaci nyitás sikeresnek bizonyult, és lehetővé tette a cég számára, hogy visszajelzést kapjon arról, melyek a piac „fájó pontjai”. Úgy találtuk, hogy a felhasználóknak olyan megoldásra van szükségük, amellyel egyszerűbben teljesíthetők a ciklusidőre vonatkozó követelmények, továbbá egy sor olyan szolgáltatásra, amely lehetővé teszi számukra, hogy „értéknövelő” funkciókkal bővítsék a megoldásukat, és – nem utolsósorban – jobban betekinthessenek az EtherCAT működésébe. Ez a piaci visszacsatolás vezette arra a Microchipet, hogy kifejlessze második generációs ESC-megoldásait, amelyeket 2020. szeptemberében hozott forgalomba. A LAN9253 és a LAN9254 típusjelű eszközök háromportos ESC-k, amelyek kettős, integrált Ethernet PHY-vel (fizikai réteg interfésszel – a szerk. megj.), valamint teljes duplex 100BASE-TX adóvevővel rendelkeznek és 100 Mbit/s adatsebességgel képesek kommunikálni. 

 

MCA858 Figure 1

Tipikus EtherCAT-alkalmazás, amely azt mutatja, hogy a Microchip bemutatott termékei milyen szerepet tölthetnek be a rendszerben

 

 

A legfontosabb javítás, amelyet a cég az új ESC-kben megvalósított, az volt, hogy úgy alakította át a terveket, hogy nagyon kis mértékű szoftveroptimalizációra legyen csak szükség a ciklusidőre vonatkozó előírások betartásához. Az új eszközök azzal is egyszerűsítik az EtherCAT-végpontok megvalósítását, hogy csökkentik a tervezés időszükségletét és az anyagköltséget. A szokásos EtherCAT-realizációkhoz egy ESC-eszközre, egy mikrovezérlőre és egy EEPROM-ra van szükség, amelyben az EEPROM-nak az a szerepe, hogy az ESC konfigurációs adatait tárolja. A Microchip viszont kidolgozott egy eljárást, amellyel hatékonyan ki lehet váltani ezt az EEPROM-ot: az ESC egy funkcióhívást generál, amellyel közvetlenül a hoszt mikrovezérlőből kéri le ezeket a konfigurációs paramétereket anélkül, hogy az a teljesítőképesség rovására menne, és ezzel szükségtelenné teszi az EEPROM fizikai jelenlétét.  

Az új IC-k tervezése annyival is előnyösebb, hogy csökkent az időzítésekhez szükséges kristályrezonátorok száma. Sok ipari alkalmazás célja a többtengelyű vezérlések megvalósítása, például a robottechnikában. Ezekben a megoldásokban akár hat külön vezérlőáramkörre is szükség lehet egy többtengelyű robotkar vezérléséhez. Korábban minden ilyen vezérlőáramkör saját külön kristályt igényelt az időzítéshez. A Microchip új generációs integrált áramköreibe viszont beépítettek egy módszert, amellyel pontosan helyettesíthetők az órajel-előállító és az órajel időzítési bizonytalanságát (a jittert) csökkentő rendszerek mind a hat áramkör részére egyetlen kvarckristállyal, amellyel öt további kristály beépítése takarítható meg, tovább csökkentve ezzel a rendszer anyagköltségét. 

A két integrált eszköz más szolgáltatásokkal is rendelkezik, amelyek megkönnyítik az EtherCAT-rendszerek megvalósítását és karbantartását. Az EtherCAT-protokollt eredetileg úgy tervezték, hogy nem foglalta magába a fizikai réteg diagnosztikáját. Ezért a felhasználók csak onnan szereztek tudomást egyes hibákról, mint például a kábel átviteli minőségének romlásáról, hogy CRC-hibákat és más problémákat kezdtek tapasztalni. A Microchip viszont betervezte az eszközökbe azt a képességet, hogy bármikor ellenőrizhesse a kábelcsatlakozás minőségét, és ezzel lehetővé tegye a felhasználó számára, hogy azt megelőzően értesüljön a hibáról, mielőtt az működési problémákat okozhatna. Ez pedig az Ipar 4.0 kulcsfontosságú alapkövetelménye. 

A LAN9253 olyan QFN-tokozatban kerül forgalomba, amely olyan pontosan követi a LAN9252 lábkiosztását, amennyire ez csak lehetséges, és ezzel is támogatja a felhasználót abban, hogy minimális áttervezéssel használhassa ki az új eszközök alkalmazásával járó előnyöket. A LAN9254 viszont 16 további I/O-kivezetéssel rendelkezik, amely lehetővé teszi, hogy az ESC-vel egyszerű vezérlési feladatokat is meg lehessen oldani külön mikrovezérlő felhasználása nélkül. Mivel a keretnek az eszközcsomópont által használt területe és a terjedési késleltetése is ismert, az ESC bitjei leképezhetők a keretben lévő eltolásokra és a 32 I/O-vonalra úgy, hogy lehetővé váljon a terepi eszközök közvetlen csatlakoztatása az EtherCAT hálózathoz.

 

MCA858 Figure 2

A LAN9255 értékelő panel (EVB-LAN9255 Evaluation Board) lehetővé teszi, hogy a mérnökök terméket fejleszthessenek az integrált Cortex M4F mikrokontrollerrel kiegészített EtherCAT készülékvezérlővel

 

 

Sok ügyfél kérte, hogy az ESC-eszközöket bővítsük egy mikrovezérlővel is, hogy ezzel „minden az egyben” ESC-megoldást biztosítsunk számukra. Ebben az évben a Microchip bevezette a LAN9255 integrált eszközt, amelyben egy Cortex-M4F mikrokontroller is helyet kapott. Az MCU elegendően gyors ahhoz, hogy megfeleljen az EtherCAT követelményeinek, miközben a vezérlőrendszer alkalmazásprocesszoraként működik. A processzor lebegőpontos egységével bonyolultabb, például a motorvezérléshez szükséges algoritmusok futtatását is lehetővé teszi. Az eszközbe olyan Ethernet-csatlakozófelületeket is beépítettünk, amelyek SNMP V3 változatú kódtámogatással rendelkeznek annak érdekében, hogy a tervezők nagyobb rugalmassággal valósíthassanak meg kapcsolódást az IT-rendszerekhez. 

 

Összefoglalás

A Microchip LAN9253 és LAN9254 integrált eszközeit annak érdekében dolgoztuk ki, hogy az EtherCAT-végpontokat könnyebben, kevesebb idő alatt és olcsóbban lehessen megvalósítani és karbantartani, feleslegessé téve néhány szokásos járulékos alkatrész felhasználását is; megkönnyítsük ezzel a szoftver­opti­ma­lizáció folyamatát, és mindezt a hálózat átviteli minőségének felügyeletéhez szükséges képességgel is kiegészítsük. Az új LAN9255 integrált áramkör pedig egy következő lépéssel megy tovább a trend által kijelölt úton azáltal, hogy feleslegessé teszi egy külső hosztvezérlő mikrokontroller felhasználását, hogy lehetőséget adjon arra, hogy a fejlesztő egyetlen csip felhasználásával valósítsa meg az EtherCAT-végpont és a terepi vezérlő funkcióját. A Microchip MPLAB X Harmony Framework felhasználásával tovább gyorsul a piacképes termék előállításának folyamata azzal, hogy a kommunikációs és terepi vezérlési szoftvert egyetlen, könnyen használható fejlesztői környezetben lehet megírni és optimalizálni.  

A jelen cikkben tárgyalt összes eszköz jelenleg is kapható. A gyártási mennyiségben történő szállítást a Microchip tervezést ellenőrző szolgáltatásai is támogatják.

 

Jegyzet

1 Az IT-alkalmazásokra fejlesztett hagyományos Ethernet elemi információs egységeinek (a kereteknek) a célba jutására nézve csak valószínűségi értékek adhatók meg, a tényleges kézbesítési idő a hálózati terheléstől függően szélsőségesen nagy szórást is mutathat, és elvileg még egyes keretek elveszését sem zárja ki). Ez a megoldás – nem túlterhelt hálózat esetén – rendszerint ki is elégíti az IT-alkalmazások igényeit, az ipari alkalmazásoknál azonban érthetően alapkövetelmény minden adatkeret garantált, és előre meghatározott idő alatt történő kézbesítése. (A szerk. megj.)

 

További információ:

https://www.microchip.com/en-us/products/high-speed-networking-and-video/ethernet/ethercat-slave-controllers

 

IAN SATURLEY Microchip TechnologySzerző: Ian Saturley,
stratégiai marketingigazgató,
USB & Networking Group –
Microchip Technology Inc.

 

 

 

www.microchip.com