V súčasnosti sa mnoho prevádzok či strojov skladá z rôznych a oddelených riadiacich systémov, na ktorých sa jednotlivé úlohy spracovávajú samostatne, hoci vyžadujú spracovanie v úzkej súvislosti medzi sebou. EtherCAT Automation Protocol (EAP, štandard definovaný organizáciou EtherCAT Technology Group) prináša výkonnú cyklickú komunikáciu medzi riadiacimi systémami cez štandardnú ethernetovú sieť. Podporuje funkcie smerovania na úroveň zbernice EtherCAT a ešte nižšie k jednotlivým slave zariadeniam s cieľom zmeny parametrov, diagnostiky, prípadne firmvéru (obr. 1)

Protokol EtherCAT s jeho unikátnym funkčným princípom – spracovaním datagramov za chodu – sa za posledných 10 rokov stal jedným z najrozšírenejších komunikačných štandardov medzi priemyselnými zbernicami založenými na ethernete. Je to určite jedna z najpoužívanejších technológií medzi rôznymi výrobcami a typmi zariadení, ktoré podporujú tento protokol. Protokol EtherCAT, tiež nazývaný EtherCAT Device Protocol (EDP), je určený na hard real-time komunikáciu medzi riadiacim systémom a premenlivým počtom vzdialených zariadení, ako sú vzdialené vstupy a výstupy, servomeniče, proporcionálne ventily alebo brány k ďalšej zbernici. EtherCAT podporuje veľmi krátky čas cyklu (rádovo v desiatkach µs) vďaka maximálne efektívnemu využitiu šírky pásma a vysokému stupňu synchronizácie medzi zariadeniami prepojenými v sieti (rádovo v stovkách ns).

Výrobné procesy obsahujú veľa rozdielnych operácií, pričom každá zahŕňa určitý počet nezávislých častí, ktoré sú jednotlivo riadené riadiacim systémom s pripojenými periférnymi zariadeniami. Takéto riadiace systémy spravidla vyžadujú výmenu cyklických a acyklických údajov. EAP poskytuje efektívny mechanizmus výmeny cyklických údajov po sieti výrobného závodu s možnosťou využitia krátkych cyklov na úrovni jednotiek milisekúnd. Navyše je podporovaná aj acyklická komunikácia určená na výmenu hodnôt parametrov a smerovanie informácií do siete EtherCAT. Tieto funkcie robia z EAP riešenie vhodné pre výrobcov strojov, ktorí potrebujú pracovať s modulárnou topológiou, kde riadiace systémy ovládajú jednotlivé procesy, ale tiež vedia komunikovať medzi sebou, aby efektívnou a harmonizovanou spoluprácou vylepšili chod zariadenia.

EAP – komunikácia vnútri prevádzky

EAP je zamerané na komunikáciu medzi riadiacimi systémami; umožňuje ich autonómny chod, často pri použití rôznej dĺžky riadiacich cyklov. V tomto prípade nie je optimálna komunikácia typu master – slave použitá v EDP. Namiesto toho EAP preberá komunikačný model typu Publisher – Subscriber (Pushed Data Exchange, obr. 2). Každé EAP zariadenie, ktoré bude poskytovať údaje, je definované ako Publisher a posiela údaje do siete. Jedno alebo viac zariadení definovaných ako Subscriber môže „zachytiť“ ethernetový paket odoslaný Publisherom a použiť prijaté údaje. Tie môžu byť publikované cyklicky (s periodicitou zodpovedajúcou času cyklu Publishera, prípadne jeho násobku), alebo sa údaje odošlú až po zmene ich hodnoty. Spôsob odosielania údajov možno definovať ako unicast, keď má Publisher určený jeden konkrétny Subscriber, alebo ako multicast, keď je definovaná konkrétna skupina Subscriberov, alebo broadcast, keď sa údaje odosielajú do celej siete.

Ako alternatívu Pushed Data Exchange EAP podporuje tiež Polled Data Mode (dopytovanie údajov, obr. 3). V tomto prípade sa údaje posielajú k jednému alebo niekoľkým Subscriberom a podľa toho spúšťa opýtané zariadenie. Cez EAP možno posielať ľubovoľné množstvo a typy údajov. Možno posielať a prijímať základné údajové typy, ako aj zložitejšie štruktúry.

Provider odosiela údaje spoločne s ďalšími 16 bitmi, ktorých číselná hodnota je aktualizovaná pri odosielaní. Zariadenie, ktoré údaje prijíma (Subscriber), dokáže dané číslo prečítať a kontrolovať, či nedošlo k strate niektorého z prenosov. Navyše každý príjemca (Subscriber) môže použiť vlastný pomocný 16-bitový register aktualizovaný v každom PLC cykle s novo prichádzajúcimi údajmi a odčítať čas od poslednej aktualizácie dát. Vďaka týmto diagnostickým premenným môže EAP zariadenie kontrolovať vstupné údaje v reálnom čase komunikácie a správne reagovať na chyby v komunikácii.

Nízke hardvérové požiadavky

Vzhľadom na redukciu obmedzenia súvisiaceho s reálnym časom, ktoré sa v rámci komunikácie na úrovni výrobného závodu nevyžaduje, EAP zariadenia nevyžadujú špeciálne procesory, ako je to v prípade EtherCAT Slave Controller (ESC) pre EtherCAT Device Protocol. Nie je použitý princíp spracovania EtherCAT Frame spôsobom on the fly a hardvérové požiadavky plne zodpovedajú štandardným sieťovým portom. Preto môže byť použitá štandardná sieťová infraštruktúra vrátane možného využitia aj bezdrôtového spojenia. EAP údaje môžu byť prenášané veľmi efektívne na základnom ethernetovom rámci (pokiaľ nie je potrebné žiadne smerovanie mimo lokálnej siete) alebo mapované na UDP/IP pakety (vďaka tomu ich možno smerovať pomocou IP protokolu aj mimo podsieť). EAP môže byť tiež prenášaný paralelne s ostatnými sieťovými protokolmi, ako sú OPC UA, HTTP alebo FTP, a môže tak vylepšiť vertikálnu integráciu.

Cyklická a acyklická komunikácia s EAP

Okrem cyklickej komunikácie podporuje EAP tiež možnosť prenosu acyklických informácií použitím AoE (ADS over EtherCAT) protokolu (obr. 4). Každé zariadenie EAP alebo EDP je identifikované jedinečnou AoE adresou (pozn. AMS NetID) a prenášané informácie môžu byť smerované od jedného AoE zariadenia k ostatným. Všetky bežne používané mailbox protokoly ako CoE, SOE alebo Foe môžu byť mapované do AoE telegramov a smerované od jedného EtherCAT master k ďalšiemu. Týmto spôsobom možno konfigurovať a diagnostikovať odosielané a prijímané acyklické údaje, ktoré sa používajú na nastavenie špecifických parametrov riadiaceho systému alebo smerujú do EDP siete na parametrizáciu a diagnostiku jednotlivých slave zariadení.

Nadväznosť na OPC UA

Výkonná funkcia reálneho času, rozšírená možnosť diagnostiky, možnosť prenášať údaje cez ďalšie paralelné protokoly na štandardnej sieťovej infraštruktúre bez špecifických hardvérových požiadaviek – EAP reprezentuje článok medzi priemyselnou zbernicou a svetom IT pri splnení hard real-time požiadaviek v podmienkach deterministických systémov a synchronizácie. V posledných rokoch bol na komunikáciu na úrovni výrobných závodov určený komunikačný štandard OPC UA nezávislý od výrobkov. Z tohto uhla pohľadu nemožno na EAP nazerať ako na alternatívu OPC UA, ale len ako na doplňujúcu technológiu. Kým OPC UA je vhodná najmä na vertikálnu integráciu medzi riadiacou vrstvou pracujúcou s reálnym časom a vyššou úrovňou riadenia, geograficky distribuované klientske aplikácie ako HMI alebo databázy ťažia skôr zo schopnosti EAP nastaviť sa na nižšiu úroveň riadenia, primárne zamýšľanú na horizontálnu integráciu medzi rôznymi riadiacimi systémami. Oba protokoly môžu spoločne fungovať na rovnakej hardvérovej infraštruktúre a tým sa prispôsobiť komunikačným požiadavkám rozličných výrobných závodov.

Príklad aplikácie

Produkcia solárnych panelov sa skladá z niekoľkých krokov, ako sú napríklad identifikácia, značenie, testovanie, manipulácia atď. Transportný systém je rozdelený na procesné segmenty, ktorých môže byť až 14, a každý segment má vlastný riadiaci systém a operátorské rozhrania. Navyše operátorské panely môžu byť pripojené do systému v rôznom počte a na rôznych miestach výrobnej linky podľa procesných požiadaviek.

Výmena údajov medzi rôznymi riadiacimi systémami je riešená cez EAP. Všetky stanice komunikujú svoje stavové a kontrolné informácie s predchádzajúcou a nasledujúcou stanicou v rozsahu 600 bajtov v každom smere v cykle 10 ms. Navyše každá riadiaca stanica komunikuje ďalších 1 000 bajtov v každom smere s centrálnym riadením, takisto v cykle 10 ms.

Vertikálna komunikácia so systémom HMI a MES je realizovaná cez OPC UA v paralelnej cyklickej komunikácii EAP. Obe technológie sa vzájomne dopĺňajú: EtherCAT ako ethernetová zbernica reálneho času pre stroje a riadenie výroby s využitím technológie EAP na výmenu údajov medzi mastermi a OPC UA ako platforma na ľahko rozšíriteľnú komunikáciu navrhnutú s ohľadom na bezpečnosť a umožňujúcu šifrovaný prenos údajov do systémov MES/ERP alebo do cloudu.

Zhrnutie

Posledný technický vývoj v automatizácii ukazuje na stále rastúcu vertikálnu integráciu komunikačných štandardov do priemyselných zberníc a podnikových sietí s IT technológiami. Presadzovanie konceptu Priemyslu 4.0 či internetu vecí (IoT) naďalej potvrdzuje tento trend. V takom prípade EtherCAT Automation Protocol, špecifikovaný združením EtherCAT Technology Group, reprezentuje dôležitý článok medzi priemyselnou zbernicou a webovými technológiami. EAP umožňuje cyklickú výmenu údajov medzi mastermi s výbornými real-time vlastnosťami a s rozšírenými možnosťami diagnostiky pri použití štandardných ethernetových sieťových prvkov. Možný je tiež prenos na ďalších protokoloch na báze IP, ktoré podporujú acyklickú komunikáciu a môžu byť jednoducho smerované k dobre známej zbernici EtherCAT na konfiguráciu parametrov alebo získavanie diagnostických informácií.

Zdroj obrázkov: EtherCAT Technology Group/Beckhoff Automation

Alessandro Figini
EtherCAT Technology Group
Nuremberg, Germany
www.ethercat.org