Update over EtherCAT voor 2021

De grondslagen van Ethernet voor automatiseringstechnologie(EtherCAT) zijn bijna 40 jaar geleden gelegd. Tegenwoordig is het op Ethernet gebaseerde veldbussysteem gestandaardiseerd in IEC 61158 en onmisbaar in een breed scala van geavanceerde industriële automatiseringstoepassingen.

Afbeelding 1: Dit is het standaardlogo van EtherCAT. (Afbeelding bron: EtherCAT Technology Group)

In het midden van de jaren tachtig zagen diverse automatiseringsfabrikanten de opkomst van Ethernet en vroegen zich af of het mogelijk was de voordelen daarvan op de fabrieksvloer te benutten. Sommigen met ervaring met PC-gebaseerde besturingssystemen wisten dat de fysieke hardware van Ethernet niet geschikt was voor industriële toepassingen. Problematischer was dat het TCP/IP-protocol en de rekenkracht van die tijd te traag waren voor de meest geavanceerde automatisering. Plus data op Ethernet was niet deterministisch. Anderzijds was er een exponentiële toename van het aantal geïnstalleerde nodes - en het aansluiten van Ethernet was zo eenvoudig dat (indien de beperkingen ervan werden overwonnen) een Ethernet-benadering een praktische architectuur zou zijn die veel goedkoper zou zijn dan de bestaande veldbussen.

Afbeelding 2: Deze LAN9252 DIGIO-kaart is een hardware-only secundair EtherCAT-apparaat dat zonder aangesloten MCU kan werken. De kaart maakt dubbele netwerkaansluitingen mogelijk op RJ45-bussen of glasvezelinterfaces voor communicatie via een SFP-module. Dit bord wordt voorgeconfigureerd geleverd en zal bij het inschakelen aan een host verschijnen als een EtherCAT secundair. (Afbeelding bron: Microchip Technology)

Ontstaan en kernelementen van EtherCAT

Een vroege verbetering van Ethernet was het robuust maken van de RJ45-plug-naar-blauwe-kabelverbinding. Voor gebruik in industriële omgevingen moest deze connector een sterke en waterdichte verbinding zijn die bestand is tegen schuren, stoten en meerdere buigcycli. Kabelfabrikanten die Ethernet als een sleuteltechnologie zagen, begonnen met de introductie van dergelijke connectors - aanvankelijk voor Industrial Ethernet (IE)-besturing op basis van het standaard TCP/IP-protocol en de reeds in gebruik zijnde zevenlagennorm van Open Systems Interconnection (OSI).

Afbeelding 3: Industriële Ethernet-kabels zorgen voor een ongecompromitteerde gegevensoverdracht en hebben een robuuste, slijtvaste constructie om kostbare uitvaltijd te voorkomen en de machine veilig te kunnen blijven gebruiken. (Bron afbeelding: Getty Images)

Dergelijke fysieke verbindingen vormden een aanvulling op nieuwe vormen van industriële besturingen met gegevensverzamelingskaarten op hun moederborden - en in staat om gegevens te verwerken en besturingssignalen te leveren voor eenvoudige processen. Het was een logische eerste stap in de richting van meer gebruik van Ethernet in de automatisering en voor gebeurtenissen die niet tijdkritisch waren (of procesvariabelen zoals temperatuur, debiet en vochtigheid die vrij langzaam veranderden) werkten dergelijke regelingen prima.

Automatiseringscontrole op basis van PC's lag echter nog buiten bereik: Botsingen tussen pakketten maakten de timing inconsistent en taken konden niet worden gesynchroniseerd met de split-second timing die nodig is voor meer geavanceerde bewerkingen - zoals de inspectie van flessen op een hogesnelheidsproductielijn of vliegende-mesbewerkingen in een verpakkingsmachine. Een dergelijke automatisering vereiste een nieuwe aanpak en diverse fabrikanten kwamen met diverse oplossingen. De meest gebruikte was EtherCAT.

EtherCAT, dat voor het eerst werd uitgebracht in 2003, had (en heeft nog steeds) een van de snelste cyclustijden van op Ethernet gebaseerde communicatieopties, waardoor het al snel uitgroeide tot een favoriete netwerk- en besturingsarchitectuur voor fabrieksautomatisering. Eén voorbehoud: om het maximale uit EtherCAT te halen (om te voldoen aan de eisen van industriële automatisering op het gebied van snelheid en determinisme), moest de bus worden aangevuld met snelle besturingshardware; die in veel gevallen afhankelijk is van toepassingsspecifieke geïntegreerde circuits of ASIC's binnen de besturing die de EtherCAT-functionaliteit verwerken.

Basisstructuur van EtherCAT voor determinisme

EtherCAT maakt gebruik van de telegramstructuur van Ethernet-gegevens om een primaire (masterbesturing) en zijn relatie met secundaire (node) sensors en actuators op de fabrieksvloer tot stand te brengen. Deze kleine goedkope ASIC's bevinden zich in elk knooppunt om de prestaties van deze configuratie op te voeren.

Afbeelding 4: TMC8462 EtherCAT secundaire controllers met 100 Mb fysieke lagen (PHY's) zijn in staat tot real-time communicatie. Hun voeding met dubbele switch-regelaar en 24 V I/O's maken de snelheden in industriële omgevingen compleet. De secundaire MC8462-controllers worden gewoonlijk gekoppeld aan watchdog-, PWM- en SPI/I²C primaire eenheden voor geavanceerde mogelijkheden, hetzij in apparaat-emulatiemodus of met een externe CPU. (Afbeelding bron: TRINAMIC Motion Control)

Het werkt als volgt: Een telegram dat langs de EtherCAT-ringtopologie reist, begint bij de primaire besturing en reist langs alle knooppunten. Op elk knooppunt zijn er instructies klaar om te worden afgeladen, alsmede gegevenspakketten die klaar zijn om hun informatie aan het telegram toe te voegen. Zonder het telegram te vertragen terwijl het door het knooppunt passeert, orkestreert de ASIC van elk knooppunt een uitwisseling van informatie op hoge snelheid, waarna het telegram naar het volgende knooppunt versnelt. Zodra een volledige ronde is afgelegd, wordt alles in de controller bijgewerkt en wordt een nieuw gegevenspakket de baan opgestuurd. Dit schema is inherent aan de EtherCAT-structuur en voorkomt botsingen tussen pakketten, terwijl het er tegelijkertijd voor zorgt dat de gegevens aan het eind van elke cyclus onmiddellijk beschikbaar zijn voor de controller. Alleen de primaire (controller) mag een telegram vrijgeven.

Dit voorbeeld gebruikt een ringtopologie, maar het is een full-duplex systeem, dus als het laatste knooppunt in een segment open is, stuurt dat knooppunt het pakket terug de lijn op naar het primaire.

Om deterministische gegevens te garanderen, maakt EtherCAT gebruik van een gedistribueerde klok. Hier stuurt de primaire controller een pakket naar alle knooppunten die in reactie daarop hun interne klok tweemaal vergrendelen - eerst wanneer het pakket wordt ontvangen en dan opnieuw wanneer het terugkeert naar de primaire controller. Een dergelijke routine (die in feite verscheidene malen kan worden herhaald) levert een directe meting op van de propagatievertraging die aan elk knooppunt is verbonden. Vervolgens worden de resulterende berekende vertragingen in een offsetklok geladen. Tenslotte stelt de primaire het eerste knooppunt in de reeks in als referentieklok voor alle andere knooppunten op de bus.

EtherCAT kan worden geconfigureerd om deze vertraging periodiek, of zelfs bij elke cyclus, bij te werken. De combinatie van snelle data cyclustijden en de gedistribueerde klok maakt het mogelijk dat het hele systeem werkt met minder dan 0,1 msec jitter bij een datasnelheid van 100 Mbit/sec, voldoende voor de meeste industriële taken.

Afbeelding 5: De sleutel tot een krachtige besturing van geautomatiseerde machines is een minimale reactietijd in combinatie met een deterministische waardeverwerving en output. Het maakt niet uit wanneer de communicatie en de berekeningen precies plaatsvinden - zolang de resultaten maar beschikbaar zijn in de uitvoercomponent vóór de volgende vereiste uitvoer. EtherCAT biedt deze functionaliteit, zodat na een bepaalde invoer (waardeverwerving) in een discrete EtherCAT-regelkring, die waarde wordt verzonden (gecommuniceerd) naar de controller, die vervolgens een reactie berekent. (Afbeelding bron: EtherCAT Technology Group)

EtherCAT heeft ook een andere ingebouwde functie voor tijdbeheer. Bepaalde sensors, actuators en systemen zijn in hoge mate afhankelijk van real-time regeling; servomotors, veiligheidsuitrusting en liften zijn slechts enkele voorbeelden. EtherCAT-systemen kunnen worden ingesteld om deze componenten en systemen te ondersteunen door de primaire controller van het systeem zo te programmeren dat kritieke gegevens voorrang krijgen. Minder kritieke onderdelen krijgen dan minder gegevensverzoeken en updates, terwijl kritieke onderdelen vaker gegevensverzoeken en updates krijgen.

Tijdlijn van nieuwste EtherCAT-functies

De kern van EtherCAT is terug te voeren op de Lightbus van Beckhoff Automation (uitgebracht in 1989) en de Fast Lightbus (die gebruikmaakt van Ethernet-kabels) in 2003. In 2005 werd de EtherCAT-specificatie gepubliceerd en in 2007 werd deze gecodificeerd in IEC 61158 als veldbusnorm. Met een gelegitimeerde internationale standaard ontwikkelden Beckhoff en andere fabrikanten snel fysieke hardware en software om de mogelijkheden van EtherCAT te benutten, terwijl de achterwaartse compatibiliteit behouden bleef.

Het beheer van de EtherCAT-norm is in handen van de EtherCAT Technology Group (ETG) - een industriegroep van OEM's en eindgebruikers die ontwikkelingen uitwisselen en zorgen voor de interoperabiliteit van EtherCAT-compatibele apparaten. Deze groep heeft onder meer een compatibiliteitstester ontwikkeld, het Conformance Test Tool (CTT), waarmee kan worden geverifieerd of nieuwe apparaten aan de interoperabiliteitsnormen voldoen.

De sterke acceptatie van EtherCAT door een breed scala aan industrieën heeft de voortdurende innovatie ervan ondersteund.

2008: Gedistribueerde klokken met XFC - De gedistribueerde timingkarakteristiek die zo essentieel is voor de werking van EtherCAT-communicatie, werd in het vorige deel van dit artikel behandeld. Het is echter de moeite waard om toe te voegen dat de gedistribueerde EtherCAT-klok deel uitmaakt van Beckhoff's eXtreme Fast Control-technologie (XFC), die vereist dat alle EtherCAT-apparaten hun eigen klokken hebben die continu synchroniseren met alle andere klokken op het EtherCAT-systeem. EtherCAT compenseert de verschillende communicatie-runtimes van de verschillende componenten voor afwijkingen tussen klokken die onder de 100 nsec worden gehouden. Tijdgestuurde gegevens worden gebruikt om de timing van een specifieke regelparameter binnen een enkel telegram te verfijnen. De gedistribueerde systeemklok zorgt ervoor dat alle systeemklokken tot op minder dan 100 nsec nauwkeurig gesynchroniseerd zijn, en de timing van een controlegebeurtenis wordt normaliter beperkt door de cyclustijd. Met XFC kunnen dankzij de tijdstempelgegevens activeringen (en gebeurtenissen) tussen gegevenscycli worden uitgevoerd voor een snelle en uiterst nauwkeurige controle - en met een gegevensbemonsteringsfrequentie van 200 kHz voor minimale gegevensruis.

Afbeelding 6: Deze gateway maakt de aansluiting van seriële RS-232/422/485-componenten op EtherCAT-besturingssystemen mogelijk. Deze wordt de Anybus Communicator genoemd en voert een intelligente protocolconversie uit om seriële gegevens naar de primaire PLC of controller te sturen als eenvoudige I/O-gegevens. (Afbeelding bron: HMS Connecting Devices)

2010s: Diverse EtherCAT-ontwikkelsoftware-omgevingen - De eerste introductie van EtherCAT gaf aanleiding tot het uitbrengen van software om de integratie te vergemakkelijken. Er wordt nu een steeds breder scala aan software aangeboden met modules om de integratie van toepassingsspecifieke automatiseringsfuncties te vereenvoudigen. De eerste van deze modules waren gericht op de werktuigmachine-industrie en de PLC-, NC-, CNC- en robotbesturingen die zij nodig heeft. Tegenwoordig is software om het gebruik van EtherCAT te vergemakkelijken in toenemende mate compatibel met IEC 61131-3-code en met programmering vanuit C/C++, Visual Studio, MATLAB en Simulink-omgevingen. Deze laatste ontwikkeling maakt het mogelijk controlesystemen te bouwen, te simuleren en te optimaliseren alvorens tot implementatie over te gaan.

2011: EtherCAT-kabels vereenvoudigen stroom- en gegevensoverdracht naar servo-assen - Jarenlang klaagden integrators van motion-systemen (zo alomtegenwoordig in automatisering) over het feit dat servo-assen meerdere kabels nodig hadden voor de aansturing van elektromotoren, stroomvoorziening en feedback. Het gebruik van één kabel voor het transport van stroom en gemengde signaaltypes op verschillende spanningsniveaus kan leiden tot signaalruis, niveauverschuivingen en overspraak. Maar zo'n 10 jaar geleden begonnen leveranciers van motion-componenten (met zorgvuldige aandacht voor kabelommanteling, afscherming, capaciteitsbeperking, en afmetingen en rangschikking van geleiders) met het op de markt brengen van EtherCAT-kabeloplossingen met één kabel (voeding en data). Vandaag de dag worden servomotorassen en andere compatibele veldapparatuur bediend met dit aanbod (als EtherCAT P-kabel).

2014 tot 2017: Meer ondersteuning van meerassige en machinezichtsystemen - In deze jaren maakte EtherCAT-software het stapelen van hardware mogelijk voor het uitbreiden van meerassige installaties met een reeks ingebouwde veiligheidsfuncties (zoals STO, SOS, SS1, SS2), wat het handigst is bij robot- en pick-and-place-operaties die flexibele en modulaire implementaties vereisen. In deze jaren werd ook meer ondersteuning geboden voor op EtherCAT gebaseerde machinevisie - een natuurlijke fit, omdat de inherent snelle verwerkingsmethodologie van EtherCAT de real-time gegevensvereisten van machinevisie gemakkelijk ondersteunt. Sommige software maakt zelfs directe integratie mogelijk van machine-vision taken in de programmering van een machine voor EtherCAT-gebaseerde besturing voor vereenvoudigde inspectie-, robotica- en kwaliteitscontroletaken.

2018: Snellere versies van EtherCAT met achterwaartse compatibiliteit - EtherCAT G (met snelheden tot 1 Gb/sec) en EtherCAT G10 (met snelheden tot 10 Gb/sec) vormen een aanvulling op de steeds krachtigere automatiseringscontrollers op de markt en maken tegelijkertijd het gebruik van originele EtherCAT-structuren mogelijk. Bij deze netwerken zijn alle processen identiek aan de oorspronkelijke iteraties van EtherCAT (inclusief het gedistribueerde kloksysteem), maar het addertje onder het gras is dat sommige veldapparatuur moeite heeft met de snellere cyclustijden. De oplossing voor dit probleem zijn EtherCAT-vertakkingscontrollers (verbindingsknooppunten) die geschikt zijn voor zowel 1 Gb/sec-lussen als een reeks van 100 Mb/sec-lussen.

Sinds 2018: Meer EtherCAT hardware- en softwareopties en IoT-ondersteuning - De afgelopen jaren is de introductie van industriële componenten en geïntegreerde systemen met een EtherCAT-netwerk in een stroomversnelling geraakt. Ze hebben ook software gezien met machine-learning modules die gebruikmaken van EtherCAT - samen met cloudgebaseerde engineering en toegang via EtherCAT-compatibele gateways. Dat betekent dat eindgebruikers die machines met een EtherCAT-netwerk bezitten of gebruiken, nu broncode kunnen uitwisselen, systeemsimulaties kunnen uitvoeren en zelfs machine-informatie kunnen gebruiken voor IoT-analyses, wat vooral handig is voor eindgebruikers die machines in geografisch gescheiden productielocaties gebruiken. Medio augustus 2020 waren meer dan 3 000 bedrijf-ID's aan de ETG verstrekt.

Conclusie

Bijna 40 jaar geleden begon de industriële automatiseringsindustrie te zoeken naar manieren om de alomtegenwoordigheid en kracht van Ethernet te benutten voor industriële communicatie. Vandaag de dag zijn communicatie en besturing op Ethernet-basis allesbehalve exotisch - en in veel omgevingen dienen zij als de gouden standaard. Dankzij de combinatie van functies biedt EtherCAT een van de beste prijs-prestatieverhoudingen van alle Ethernet-bussen die momenteel op de markt zijn. Met zijn ondersteuning van Industrie 4.0 en IIoT-installatieconcepten zal EtherCAT onmisbaar blijven voor toekomstige transformaties van de automatisering.