Síť v zásadě určuje architekturu řídicího systému: poměrně pomalá síť vyžaduje uzavřené řídicí smyčky na straně decentralizovaných zařízení, zatímco velmi výkonná komunikační síť dává projektantům možnost volby využít buď centralizovanou, nebo decentralizovanou architekturu. Navíc u sítě, která je široce rozšířená, je možné vybírat komponenty od mnoha výrobců, zatímco u sítě zaměřené na jedinou automatizační platformu jsou produkty třetí-strany buď úplně nedostupné, nebo nejsou podporované konfiguračními nástroji.
Jak tedy systémoví integrátoři a výrobci strojů vybírají sběrnice?
Předpokládáme, že většina uživatelů sběrnici aktivně nevybírá – volí konkrétní řídicí systém a komunikační sběrnice vnímají jako druhořadou záležitost. Dodavatel řídicího systému je vybírán na základě rozličných důvodů a komunikační sběrnice je pouze jedním z nich.
Obvyklé jsou následující názory:
- Historie: „vždycky jsme používaly tento systém“ nebo „náš program je napsaný v jazyce našeho systému a nemůžeme ho jednoduše převést na jinou formu zápisu odpovídající jinému řídicímu systému“.
- Zákaznické preference: „naši klienti chtějí nadále používat platformu, na kterou jsou zvyklí, se kterou umí pracovat jejich údržba“.
- Zvyky aplikačních inženýrů a obchodníků: dlouholeté a funkční vazby nechtějí měnit. Nakupují za pro ně akceptovatelné ceny. „Jsem spokojený s technickou podporou dodavatele. Oni jsou zdvořilí, zodpovědní a vědí, o čem mluví“.
- Dlouholeté dobré jméno výrobce: „náš dodavatel je technologický lídr a poskytuje nám inovativní technologie, čímž nás udržuje na špici mezi výrobci“ nebo „jsou tak velcí, že musí být dobří už z principu“.
- Mezi ostatní důvody, které jsou brány v úvahu, patří: základní cena (mnohokrát důležitější než celková cena celé zakázky), kvalita, jednoduchost, výkonnost a také vzhled.
Nechápejte mě špatně, jde o pádné důvody. A tyto důvody vedou k EtherCATu, jakožto sběrnici, kterou si vybrali za svoji domovskou výrobci řídicích systémů Beckhoff, Omron, ABB, Samsung, LSIS, Hitachi, Sanyo Denki, Kollmorgen, National Instruments a další.
Vysoký výkon zaručuje širokou podporu
Ale co uživatelé, kteří hodnotí řídicí systém podle technických detailů a sběrnice je pro ně klíčovou součástí? Na tento typ uživatelů se organizace zaštiťující nějakou průmyslovou sběrnici samozřejmě zaměřují především. Zjistili jsme, že mnoho těchto uživatelů porovnává komunikační technologie detailně a potom se EtherCAT velmi rychle stává favoritem: unikátní funkční principy dělají z EtherCATu sběrnici, kterou volí inženýři. U EtherCATu platí, že Ethernet rámce nejsou po jejich přijetí a zpracování každým zařízením znovu kopírovány a odesílány do sítě, ale EtherCAT zařízení čtou data, která jsou jim určena za chodu. Stejně tak jsou za chodu do telegramu vkládána i výstupní data. Tato technika nazvaná „zpracování za chodu – processing on the fly“ způsobuje minimální zpoždění při průchodu uzlem. Výsledkem je, že EtherCAT obslouží vstupní i výstupná procesní data mnoha zařízení jedním průchodem datového rámce a využití dostupného toku dat přesahuje 90 %. Uvedený princip je zobrazen na obrázku 1.
Obrázek 1: procesní data se zapisují a čtou za běhu – to je unikátní funkční princip sběrnice EtherCAT.
Vysoký výkon sběrnice tedy vede k efektivnějším strojům. EtherCAT lépe zpřístupňuje výpočetní výkon průmyslového počítače aplikaci a rychlejší řízení poskytuje přesnější výsledky. Například firma Husky, jeden z předních výrobců „vstřikolisů“ dokázala díky EtherCATu snížit odchylky v hmotnostech jednotlivých dílů a tím i odchylky v tloušťkách stěn plastových šálků, které vyrábí. Zákazníci firmy Husky vyčíslili roční úsporu nákladů na nákup vstupního materiálu přes $180 000 pro každý stroj. Ale z rychlejší komunikace neprofitují jen aplikace využívající uzavřenou regulační smyčku: v mnoha „pick and place“ aplikacích, kde jeden hybný člen musí čekat až jiný hybný člen (např. pneumatický válec) dosáhne své koncové polohy, lze díky rychlé sběrnici snadno redukovat čas a tím zvýšit výkonnost stroje potažmo výrobního závodu jako celku až o několik procent.
Ti uživatelé, kteří hodnotí řídicí systém podle technických detailů, chápou, že EtherCAT není jen rychlou, ale je i velice přesnou sběrnicí. Díky technologii distribuovaných hodin je možné měřené hodnoty vzorkovat a výstupní hodnoty mohou být nastavovány synchronně napříč celou sítí s odchylkou podstatně menší než 1 µs. Tato přesnost je ideální pro aplikace se synchronizovaným pohybem pohonů, nebo pro integraci měřících úloh.
EtherCAT je universální: dovoluje rozličné komunikace typu master - slave, slave - slave a master – master. Vše při zachování minimálních nákladů: na jedné straně je softwarově-implementovaný master běžící na standardních Ethernet portech a na straně druhé jsou EtherCAT Slave Controller chipy, které jsou rozměrově kompaktní a zároveň levné. Další úsporu představují náklady na kabeláž, protože EtherCAT nevyžaduje žádné switche, nebo jiné aktivní síťové prvky a používá standardní Ethernet kabely a konektory. Dokonce i náklady na vývoj jsou nižší, protože není nutné síť ladit a také proto, že diagnostické nástroje technologie EtherCAT umožňují přesnou lokalizaci chyby, čímž snižují čas na odstranění problému (viz. Obrázek 2).
Obrázek 2: Flexibilní topologie síťě EtherCAT
Mimo nízkých nákladů na chipy a hardware je důležité zdůraznit i další stěžejní faktor ovlivňující cenu komponent a to ten, že jde o technologii uznávanou a celosvětově rozšířenou. To znamená široký výběr produktů a z toho plynoucí konkurenční prostředí pro jejich výrobce. EtherCAT jako sběrnici podporuje organizace EtherCAT Technology Group (ETG) čítající více než 4000 členských společností z celkem 58 zemí celého světa, čímž se stává největší světovou organizací zaměřenou na průmyslový Ethernet. Mezi členy ETG je téměř 200 výrobců EtherCAT masterů, přes 150 výrobců EtherCAT pohonů a více než 100 výrobců vstupně výstupních modulů.
Systémoví integrátoři a výrobci strojů chtějí stále častěji integrovat bezpečnostní funkce do jejich řídicího systému místo tradičního řešení bezpečnosti přes standardní hardwarová bezpečnostní relé případně safety PLC připojitelná k jimi používané průmyslové sběrnici. Safety over EtherCAT umožňuje sloučit safety komunikaci a komunikaci související s řízením na jednu společnou sběrnici. Tato vlastnost přináší členům ETG zajímavé možnosti v oblasti vývoje a využití bezpečnostních funkcí v průmyslových aplikacích.
Flexibilita a otevřenost zvyšují funkčnost
Uživatelé EtherCATu mohou využívat flexibilní topologii, která zjednodušuje plánování a instalaci. V EtherCAT sítích nejsou žádná praktická omezení ohledně použité topologie, běžně je možné používat liniovou topologii, hvězdu, strom, redundantní zapojení a jejich kombinace s prakticky neomezeným počtem uzlů na segmentu sítě. Do sítě je možné integrovat dokonce i bezdrátové technologie a díky funkci „Hot Connect“ je možné za běhu odpojovat jak uzly, tak celé části sítí.
Mnoho uživatelů vnímá přechod z dříve používané zaběhnuté sběrnice na novou jako komplikovaný. Nicméně v EtherCAT sítích je již nyní možné používat gatewaye více než dvaceti průmyslových sběrnic. Díky těmto komponentám lze integrovat existující zařízení používající původní sběrnici do EtherCAT sítě, nebo navázat spojení s jinými systémy. Migrace z předešlého systému je bezproblémová a zároveň již není nutné brát v úvahu komplexní požadavky na rozhraní předešlého systému: ostatní systémy jsou jednoduše integrovány pomocí EtherCATu a ne pomocí PCI, cPCI, PCIe a dalších.
EtherCAT síť nevyžaduje u každého zařízení ruční adresaci na straně hardwaru pomocí otočných nebo dip-přepínačů: při načtení hardwarové konfigurace jsou jednotlivým zařízením adresy automaticky přiřazeny. Při přidání dalšího zařízení do konfigurace zůstávají původní adresy zachovány. EtherCAT master zpravidla podporuje funkci automatického rozpoznání topologie, díky té lze porovnat aktuální topologii oproti té, kterou očekává aplikační program. V případě nutnosti výměny zařízení mohou být všechny jeho parametry automaticky načteny bez dodatečné parametrizace.
Při výběru průmyslové sběrnice hraje klíčovou roli otevřenost, která v reálném významu znamená široké uplatnění i v budoucnosti. Nicméně, o téměr všech průmyslových sběrnicích se tvrdí, že jsou otevřené. Otevřenost EtherCATu ale neznamená jen soulad s mezinárodními standardy (IEC, ISO) či obchodní dostupnost Master i Slave na softwarové úrovni i reálných zařízení od různých dodavatelů. Otevřenost sběrnice EtherCAT také znamená volně dostupnou podporu při vývoji zařízení, jasné směrnice pro zajištění interoperability master a slave zařízení běžících pod mnoha operačními systémy a kontroléry, otevřenost konfiguračních nástrojů (včetně podpory zařízení třetích stran) a specifikací aplikačních rozhraní. EtherCAT technologie není jen plně Ethernet kompatibilní, vyznačuje se i jistou mírou otevřenosti vycházející přímo z jejího návrhu: tedy schopnosti přenášet ostatní služby a protokoly založené na Ethernetu po stejné fyzické síti. Tyto internetové technologie jsou přenášené pomocí EtherCAT protokolu, přičemž real-time vlastnosti nejsou ovlivněny. V EtherCAT prostředí je možné také používat všechny Internetové technologie: integrované web servery, e-mail, FTP, atd.
Odpověď pro všechny uživatele
Je zřetelné, že obě skupiny uživatelů, tedy ti, co zakládají rozhodnutí o volbě sběrnice na možnostech dodavatelů, ale také ti, co se podrobněji zabývají technologií příslušné sběrnice, se stále častěji rozhodují pro EtherCAT. Celkově lze EtherCAT charakterizovat jako mimořádně výkonnou sběrnici se snadnou instalací, otevřenou široké skupině zařízení a dalších komunikačních protokolů. EtherCAT nastavuje nový výkonnostní standard a díky Ethernetu a internetovým technologiím umožňuje významnou vertikální integraci. S EtherCAT technologií jsou komplikace minulostí a drahé komponenty síťové infrastruktury vymírajícím druhem.
Více o technologii EtherCAT se můžete dozvědět na konferenci Real-time průmyslový Ethernet – EtherCAT ve dnech 5.dubna 2017 v Bratislavě a 6.dubna 2017 v Praze. Více informací a registrace na : www.ethercat.org/2017/cz
