Ako sa v skutočnosti vyberajú priemyselné zbernice

Martin Rostan, výkonný riaditeľ EtehrCAT Technology Group

Ako teda systémoví integrátori a výrobcovia strojov vyberajú zbernice?

Predpokladáme, že väčšina používateľov zbernice aktívne nevyberá – volí konkrétny riadiaci systém a komunikačné zbernice vnímajú ako druhoradú záležitosť. Dodávateľ riadiaceho systému je vyberaný na základe rozličných kritérií a komunikačná zbernica je len jedným z nich. Obvyklé sú nasledujúce názory:

• História: „Vždy sme používali tento systém.“ Alebo: „Náš program je napísaný v jazyku nášho systému a nemôžeme ho jednoducho previesť na inú formu zápisu zodpovedajúceho inému riadiacemu systému.“
• Zákaznícka preferencia: „Naši zákazníci chcú naďalej používať platformu, na ktorú sú zvyknutí a s ktorou dokáže pracovať ich údržba.“
• Zvyky aplikačných inžinierov a obchodníkov: nechcú meniť dlhoročné a funkčné väzby. Nakupujú za pre nich akceptovateľné ceny. „Som spokojný s technickou podporou dodávateľa. Sú zdvorilí, zodpovední a vedia, o čom hovoria.“
• Dlhoročné dobré meno výrobcu: „Náš dodávateľ je technologický líder a poskytuje nám inovatívne technológie, vďaka čomu náš udržiava na technologickej špičke medzi výrobcami.“ Alebo: „Sú takí veľkí, že musia byť dobrí len z princípu.“
• Medzi ostatné dôvody, ktoré sú brané do úvahy, patria: základná cena (často dôležitejšia ako cena celej zákazky), kvalita, jednoduchosť, výkonnosť a tiež vzhľad.

Nechápte ma zle, ide o pádne dôvody a tie vedú k EtherCAT-u ako zbernici, ktorú si vybrali za svoju domovskú výrobcovia riadiacich systémov Beckhoff, Omron, ABB, Samsung, Hitachi, Sanyo, Denki, Kollmorgen, National Instruments a ďalší.

Vysoký výkon zaručuje širokú podporu

No čo používatelia, ktorí hodnotia riadiaci systém podľa technických detailov a zbernica je pre nich kľúčovou súčasťou? Na tento typ používateľov sa organizácie zastrešujúce nejakú priemyselnú zbernicu, samozrejme, zameriavajú predovšetkým. Zistili sme, že veľa týchto používateľov porovnáva komunikačné technológie detailne a potom sa EtherCAT veľmi rýchlo stáva favoritom: unikátne funkčné princípy robia z EtherCAT-u zbernicu, ktorú volia inžinieri. Pri EtherCAT-e platí, že ethernetové rámce nie sú po ich prijatí a spracovaní každým zariadením znovu kopírované a odosielané do siete, ale zariadenia EtherCAT čítajú údaje, ktoré sú im určené za chodu. Rovnako sú za chodu do telegramu vkladané aj výstupné údaje. Táto technika nazvaná spracovanie za chodu (processing on the fly) spôsobuje minimálne oneskorenie pri prechode uzlom. Výsledkom je, že EtherCAT obslúži vstupné aj výstupné procesné údaje mnohých zariadení jedných prechodom údajového rámca a využitie dostupného toku údajov dosahuje viac ako 90 %. Uvedený princíp je zobrazený na obr. 1.

Vysoký výkon zbernice teda vedie k efektívnejším strojom. EtherCAT lepšie sprístupňuje výpočtový výkon priemyselného počítača aplikácii a rýchlejšie riadenie poskytuje presnejšie výsledky. Napríklad firma Husky, jeden z popredných výrobcov vstrekolisov, dokázala vďaka EtherCAT-u znížiť odchýlky v hmotnosti jednotlivých dielov a tým aj odchýlky v hrúbke stien plastových šálok, ktoré vyrába. Zákazníci firmy Husky vyčíslili ročnú úsporu nákladov na nákup vstupného materiálu vyše 180 000 USD na každý stroj. No z rýchlejšej komunikácie neprofituje len aplikácia využívajúca uzavretú regulačnú slučku: v mnohých aplikáciách typu zober a polož, kde jeden hybridný člen musí počkať, kým iný hybridný člen (napr. pneumatický valec) dosiahne svoju koncovú polohu, možno vďaka rýchlej zbernici ľahko redukovať čas a tým zvýšiť výkonnosť stroja, príp. aj celého výrobného závodu ako celku až o niekoľko percent.

Tí používatelia, ktorí hodnotia riadiaci systém podľa technických detailov, chápu, že EtherCAT nie je len rýchlou, ale je aj veľmi presnou zbernicou. Vďaka technológii distribuovaných hodín možno merané hodnoty vzorkovať a výstupné hodnoty môžu byť nastavované synchrónne naprieč celou sieťou s odchýlkou menšou ako 1 µs.

Táto presnosť je ideálna pre aplikácie so synchronizovaným pohybom pohonov alebo na integráciu meracích úloh.

EtherCAT je univerzálna zbernica: umožňuje rôzne typy komunikácie, napr. master-slave, slave-slave a master-master. A to všetko pri zachovaní minimálnych nákladov: na jednej strane je softvérovo implementovaný master bežiaci na štandardných ethernetových portoch a na druhej strane sú čipy EtherCAT Slave Controller, ktoré sú rozmerovo kompaktné a zároveň lacné. Ďalšie úspory predstavujú náklady na kabeláž, pretože EtherCAT nevyžaduje žiadne prepínače alebo iné aktívne sieťové prvky a používa štandardné ethernetové káble a konektory. Dokonca aj náklady na vývoj sú nižšie, pretože sieť netreba ladiť a tiež preto, že diagnostické nástroje technológie EtherCAT umožňujú presnú lokalizáciu chyby, čo znižuje čas na odstránenie problému (obr. 2).

Okrem nízkych nákladov na čipy a hardvér je dôležité zdôrazniť aj ďalší ťažiskový faktor ovplyvňujúci cenu komponentov, a to ten, že ide o technológiu uznávanú a celosvetovo rozšírenú. To znamená široký výber produktov a z toho vyplývajúce konkurenčné prostredie pre ich výrobcov. EtherCAT ako zbernicu podporuje organizácia EtherCAT Technology Group (ETG), ktorá združuje viac ako 4 000 členských spoločností z celkom 58 krajín sveta, čím sa stáva najväčšou svetovou organizáciou zameranou na priemyselný ethernet. Medzi členmi ETG je takmer 200 výrobcov mastrov EtherCAT, viac ako 150 výrobcov pohonov EtherCAT a viac ako 100 výrobcov V/V modulov.

Systémoví integrátori a výrobcovia strojov chcú čoraz častejšie integ­rovať bezpečnostné funkcie do ich riadiaceho systému namiesto tradičného riešenia bezpečnosti cez štandardné bezpečnostné hardvérové relé, prípadne bezpečnostné PLC pripojiteľné k nimi používanej priemyselnej zbernici. Technológia Safety over EtherCAT umožňuje zlúčiť bezpečnostnú komunikáciu a komunikáciu súvisiacu s riadením na jednu spoločnú zbernicu. Táto vlastnosť prináša členom ETG zaujímavé možnosti v oblasti vývoja a využitia bezpečnostných funkcií v priemyselných aplikáciách.

Flexibilita a otvorenosť zvyšuje funkčnosť

Používatelia EtherCAT-u môžu využívať flexibilnú topológiu, ktorá zjednodušuje plánovanie a inštaláciu. V sieťach EtherCAT nie sú žiadne praktické obmedzenia ohľadom používanej topológie, bežne možno používať líniovú, hviezdu, strom, redundantné zapojenie a ich kombinácie s prakticky neobmedzeným počtom uzlov na segmente siete. Do siete možno integrovať dokonca aj bezdrôtové technológie a vďaka funkcii Hot Connect možno za behu odpájať uzly aj celé časti siete.

Veľa používateľov vníma prechod z pôvodne používanej zabehnutej zbernice na novú ako komplikovaný. Avšak v sieťach EtherCAT už teraz možno používať brány na zabezpečenie komunikácie medzi viac ako dvadsiatimi priemyselnými zbernicami. Vďaka týmto komponentom možno integrovať existujúce zariadenie používajúce pôvodnú zbernicu do siete EtherCAT alebo nadviazať spojenie s inými systémami. Migrácia z predošlého systému je bezproblémová a zároveň už netreba zohľadňovať komplexné požiadavky na rozhranie predošlého systému: ostatné systémy sú jednoducho integrované pomocou EtherCAT-u a nie pomocou PCI, cPCI, PCIe a ďalších.

Sieť EtherCAT nevyžaduje pri každom zariadení ručnú adresáciu na strane hardvéru pomocou otočných alebo dip prepínačov: pri načítaní hardvérovej konfigurácie sú jednotlivým zariadeniam adre­sy priradené automaticky. Pri pridaní ďalšieho zariadenia do konfigurácie zostávajú pôvodné adresy zachované. EtherCAT master spravidla podporuje funkciu automatického rozpoznania topológie, vďaka čomu možno porovnať aktuálnu topológiu s tou, ktorú očakáva aplikačný program. V prípade nutnosti výmeny zariadenia môžu byť všetky jeho parametre automaticky načítané bez dodatočnej parametrizácie.

Pri výbere priemyselnej zbernice hrá kľúčovú úlohu otvorenosť, ktorá v skutočnosti znamená široké uplatnenie aj v budúcnosti. Avšak takmer o všetkých priemyselných zberniciach sa tvrdí, že sú otvorené. Otvorenosť EtherCAT-u však neznamená len súlad s medzinárodnými normami (IEC, ISO) či obchodnú dostupnosť master a slave na softvérovej úrovni aj reálnych zariadení od rôznych dodávateľov. Otvorenosť zbernice EtherCAT tiež znamená voľne dostupnú podporu pri vývoji zariadení, jasné smernice pri zabezpečení vzájomnej spolupráce zariadení master a slave bežiacich pod viacerými operačnými systémami a kontrolérmi, otvorenosť konfiguračných nástrojov (vrátane podpory zariadení tretích strán) a špecifikáciu aplikačných rozhraní. EtherCAT nie je len technológia úplne kompatibilná so štandardom ethernet, ale vyznačuje sa aj istou mierou otvorenosti vychádzajúcej priamo z jej návrhu: čiže schopnosti prenášať ostatné služby a protokoly založené na ethernete po rovnakej fyzickej sieti. Tieto internetové technológie sú prenášané pomocou protokolu EtherCAT, pričom funkcionalita reálneho času tým nie je ovplyvnená.

Odpoveď pre všetkých používateľov

Je zreteľné, že obidve skupiny používateľov, teda tá, čo si zakladá rozhodnutie o voľbe zbernice na možnostiach dodávateľov, ale aj tá, čo sa podrobne zaoberá technológiou príslušnej zbernice, sa čoraz častejšie rozhodujú pre EtherCAT. Celkovo možno teda EtherCAT charakterizovať ako mimoriadne výkonnú zbernicu s ľahkou inštaláciou, otvorenú širokej skupine zariadení a ďalším komunikačným protokolom. EtherCAT nastavuje nový výkonnostný štandard a vďaka ethernetu a internetovým technológiám umožňuje významnú vertikálnu integráciu. S technológiou EtherCAT sú komplikácie minulosťou a drahé prvky sieťovej infraštruktúry vymierajúcim druhom.