EtherCAT-päivitys vuodelle 2021

Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) keksittiin lähes 40 vuotta sitten. Ethernet-pohjainen kenttäväyläjärjestelmä on nykyään standardoitu (IEC 61158) ja korvaamaton osa monia teollisuusautomaation sovelluksia.

Kuva 1: EtherCAT-vakiologo. (Kuvan lähde: EtherCAT Technology Group)

Monet automaatiovalmistajat todistivat 1980-luvun puolivälissä Ethernetin nousua ja miettivät, voisiko sen etuja hyödyntää myös tehdasympäristössä. PC-pohjaisten ohjausjärjestelmien kanssa toimineet tiesivät, ettei Ethernetin fyysinen laitteisto kestäisi teollisuuskäytössä. Suuremman ongelman muodosti kuitenkin se, että TCP/IP-protokolla ja laskentateho eivät tuolloin riittäneet kehittyneimmän automaation tarpeisiin. Ethernetin data ei myöskään ollut determinististä. Asennettujen solmujen määrä kasvoi toisaalta eksponentiaalisesti, ja Ethernetiin kytkeminen oli niin helppoa (jos rajoitukset pystyttäisiin voittamaan), että Ethernet-pohjainen ratkaisu tarjoaisi käytännöllisen arkkitehtuurin huomattavasti edullisemmin kuin silloiset kenttäväylät.

Kuva 2: Tämä LAN9252 DIGIO ‑levy on EtherCAT-toisiolaite, joka toimii itsenäisesti ilman, että siihen tarvitsee liittää mikrokontrolleria. Levyn avulla voidaan muodostaa kaksi verkkoliitäntää RJ45-liittimiin tai valokuituliitäntöihin. Tiedonsiirto tapahtuu silloin SFP-moduulin kautta. Levy toimitetaan valmiiksi konfiguroituna, ja kun se käynnistetään, se näkyy isäntäkoneelle EtherCAT-toisiolaitteena. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

EtherCATin alkuvaiheet ja ydinelementit

Yksi Ethernetin alkuvaiheen parannuksista oli parantaa RJ45-liitännän ja sinisen kaapelin välisen liitännän kestävyyttä. Jotta liitintä voitaisiin käyttää teollisuusolosuhteissa, sen täytyi olla kestävä ja vesitiivis, ja liitoksen täytyi kestää hankausta, iskuja ja useita taivutussyklejä. Ethernetin mahdollisuudet tunnistaneet kaapelivalmistajat alkoivat tuoda markkinoille tällaisia liittimiä, aluksi teollisen Ethernetin (IE) ohjaukseen jo käytössä olevan, tavallisen TCP/IP-protokollan ja seitsenkerroksisen OSI-mallin (Open Systems Inteconnection) pohjalta.

Kuva 3: Teollisen Ethernetin kaapelit siirtävät dataa varmasti. Niiden kestävä, hankausta sietävä rakenne vähentää kalliita seisokkeja ja varmistaa koneiden turvallisen toiminnan. (Kuvan lähde: Getty Images)

Tällaiset fyysiset liitokset täydensivät uusia teollisuusohjauksen muotoja, joissa hyödynnettiin emolevyjen tiedonkeruukortteja. Ne pystyivät myös käsittelemään dataa ja tuottamaan yksinkertaisten prosessien ohjaussignaaleja. Tämä oli looginen ensimmäinen vaihe kohti Ethernetin käytön lisääntymistä automaatiossa, ja se toimikin hyvin tapahtumilla, joissa aika ei ollut kriittinen tekijä (tai lämpötilan, virtauksen ja kosteuden kaltaisilla melko hitaasti muuttuvilla prosessimuuttujilla).

Tietokonepohjaiseen automaattiseen ohjaukseen oli kuitenkin vielä matkaa: ajoitus oli pakettien törmäysten vuoksi epäyhtenäistä, eikä tehtäviä voitu synkronoida kehittyneemmissä toiminnoissa, kuten nopean tuotantolinjan pullojen tarkistuksessa tai pakkauskoneen sisällä tapahtuvassa leikkauksessa. Automaatioon tarvittiin uusi lähestymistapa tällaisia käyttökohteita varten. Monet valmistajat kehittivätkin lukuisia uusia ratkaisuja, joista EtherCAT on otettu käyttöön kaikkein laajimmin.

Vuonna 2003 julkaistun EtherCAT sykliajat olivat (ja ovat yhä) Ethernet-pohjaisten ratkaisujen nopeimpien joukossa. Tästä väyläratkaisusta tulikin nopeasti tehdasautomaation ensisijainen verkko- ja ohjausarkkitehtuuri. Siinä oli vain yksi haittapuoli: EtherCATin tehokas hyödyntäminen (teollisuusautomaation nopeutta ja determinismiä koskeviin vaatimuksiin vastaamiseksi) vaati väylän kumppaniksi nopean ohjauslaitteiston. Näissä käytetään EtherCAT-toimintojen ohjaukseen usein sovelluskohtaisia integroituja piirejä (ASIC).

EtherCATin determinismin perusrakenne

EtherCAT määrittää primäärisen laitteen (master-laite) ja tehtaan siihen nähden sekundääristen (solmu) anturien ja toimilaitteiden välisen suhteen Ethernet-datan sähkerakenteen avulla. Nämä pienet ja edulliset solmuihin sijoitetut ASIC-piirit parantavat tämän konfiguraation suorituskykyä.

Kuva 4: TMC8462 EtherCAT-sekundäärikontrollereilla päästään 100 Mb:n fyysisten kerrosten (PHY) ansiosta reaaliaikaiseen tiedonsiirtoon. Niiden kaksi hakkurivirtalähdettä ja 24 V:n I/O:t täydentävät nopeuksia teollisuusympäristöissä. MC8462-sekundäärikontrollerien kanssa käytetään yleensä vahti-, PWM- ja SPI/I²C ‑primäärilaitteita, jotka tarjoavat lisäominaisuuksia joko laite-emulaatiotilassa tai ulkoisen suorittimen kanssa. (Kuvan lähde: TRINAMIC Motion Control)

Näin se toimii: EtherCATin rengastopologiassa kulkeva sähke lähtee liikkeelle primäärikontrollerista ja kulkee kaikkien solmujen kautta. Jokaisessa solmussa sähkeestä ladataan ohjeita solmun laitteeseen ja sähkeeseen lisätään datapaketteja laitteesta. Sähke kulkee solmun kautta nopeuden hidastumatta. Jokaisen solmun ASIC järjestää tietojen nopean vaihdon, minkä jälkeen sähke kiitää kohti seuraavaa solmua. Kun se on kiertänyt koko renkaan, kaikki kontrollerin tiedot on päivitetty ja matkaan lähetetään uusi datapaketti. Tämä on EtherCAT-rakenteen luontainen ominaisuus, joka estää pakettien törmäykset ja varmistaa, että tiedot ovat kontrollerin käytettävissä välittömästi jokaisen syklin päättyessä. Vain primäärikontrolleri voi lähettää sähkeen.

Tässä esimerkissä käytetään rengastopologiaa. Järjestelmä on kuitenkin täysin kaksisuuntainen, joten jos segmentin viimeinen solmu on avoin, se lähettää paketin linjaa pitkin takaisin primäärilaitteelle.

EtherCAT varmistaa datan deterministisyyden hajautetun kellon avulla. Primäärikontrolleri lähettää paketin kaikille solmuille, jotka lukitsevat sisäisen kellonsa kahdesti: silloin kun ne vastaanottavat paketin ja silloin kun paketti palaa takaisin primäärikontrollerille. Tällainen rutiini, joka voidaan toistaa itse asiassa useita kertoja, antaa suoran tiedon kuhunkin solmuun liittyvästä etenemisviiveestä. Laskennalliset kokonaisviiveet ladataan sen jälkeen siirtokelloon. Primäärilaite asettaa lopuksi järjestyksenä ensimmäisen solmun referenssikelloksi väylän kaikille muille solmuille.

EtherCAT voidaan määrittää päivittämään viive säännöllisesti tai jopa jokaisella syklillä. Datasyklin lyhyen keston ja hajautetun kellon ansiosta koko järjestelmän ajoitusvärinä on alle 0,1 ms tiedonsiirtonopeudella 100 Mb/s. Tämä riittää useimpiin teollisiin tehtäviin.

Kuva 5: Automatisoitujen koneiden tehokas ohjaus perustuu mahdollisimman lyhyeen vasteaikaan sekä deterministiseen arvojen hakemiseen ja tuottamiseen. Tiedonsiirron ja laskelmien tarkalla toteutushetkellä ei ole merkitystä, kunhan tulokset ovat lähtökomponentin käytettävissä ennen kuin lähdön seuraava tulos tarvitaan. EtherCAT toteuttaa tämän toiminnon siten, että kun erilliseen EtherCAT-ohjaussilmukkaan tulee tulosuure (arvon hankinta), arvo kulkee (siirtyy) kontrollerille, joka laskee vastauksen. (Kuvan lähde: EtherCAT Technology Group)

EtherCATissa on myös toinen sisäinen ajanhallintaominaisuus. Ohjauksen reaaliaikaisuus on kriittisen tärkeää tietyille antureille, toimilaitteille ja järjestelmille, kuten servomoottoreille, varolaitteille ja hisseille. EtherCAT-järjestelmät voidaan määrittää tukemaan tällaisia komponentteja ja järjestelmiä niin, että järjestelmän primäärikontrolleri voidaan ohjelmoida suosimaan kriittistä dataa. Vähemmän kriittiset komponentit saavat tällöin vähemmän datapyyntöjä ja ‑päivityksiä, kun taas kriittiset komponentit vastaanottavat datapyyntöjä ja ‑päivityksiä tiheämmin.

Uusimpien EtherCATin ominaisuuksien aikajana

EtherCATin ydin perustuu Beckhoff Automation ‑yrityksen vuonna 1989 julkaistuun Lightbus-väylään ja vuonna 2003 markkinoille tuotuun Fast Lightbus ‑väylään, jossa hyödynnetään Ethernet-kaapeleita. EtherCAT-spesifikaatio julkaistiin vuonna 2005, ja se kodifioitiin vuonna 2007 kenttäväylästandardiksi IEC 61158. Kun kansainvälinen standardi oli laadittu, Beckhoff ja muut valmistajat kehittivät nopeasti fyysisiä laitteita ja ohjelmistoja, joilla pystyttiin hyödyntämään EtherCATin ominaisuuksia ja samalla käyttämään aiempia ratkaisuja.

EtherCAT-standardia hallinnoi EtherCAT Technology Group (ETG), OEM-valmistajien ja loppukäyttäjien toimialajärjestö, jossa jaetaan uusia ratkaisuja ja varmistetaan EtherCAT-yhteensopivien laitteiden yhteentoimivuus. Järjestö on kehittänyt muun muassa Conformance Test Tool ‑nimisen yhteensopivuuden testaustyökalun (CTT), jolla voidaan varmistaa, että uudet laitteet täyttävät yhteentoimivuutta koskevat vaatimukset.

EtherCATin laaja hyväksyntä teollisuudessa on taannut järjestelmän jatkuvan kehittämisen.

2008: XFC-teknologian hajautetut kellot — EtherCAT-tiedonsiirron ytimeen kuuluvaa hajautettua ajoitusta käsiteltiin aiemmin tässä artikkelissa. On kuitenkin syytä lisätä, että hajautettu EtherCAT-kello on osa Beckhoffin eXtreme Fast Control (XFC) ‑teknologiaa, mikä edellyttää, että kaikissa EtherCAT-laitteissa on omat, jatkuvasti kaikkien EtherCAT-järjestelmän kellojen kanssa synkronoituvat kellonsa. EtherCAT kompensoi komponenttien erilaisia tiedonsiirtonopeuksia siten, että kellojen välinen ero pysyy alle 100 nanosekuntina (ns). Yhden sähkeen tietyn ohjausparametrin ajoitusta tarkennetaan aikaleimatun datan avulla. Hajautetulla kellojärjestelmällä varmistetaan, että järjestelmän kaikki kellot toimivat synkronoidusti enintään 100 ns:n keskinäisillä eroilla, ja ohjaustapahtuman ajoitusta rajoittava tekijä on yleensä syklin kesto. XFC-teknologiassa aikaleimattu data mahdollistaa aktivoinnit (ja tapahtumat) datasyklien välissä. Tämä mahdollistaa nopean ja erittäin tarkan ohjauksen – ja 200 kHz:n näytteenottonopeudella kohinaa on erittäin vähän.

Kuva 6: Tämän yhdyskäytävän avulla voidaan kytkeä RS-232/422/485-sarjakomponentteja EtherCAT-ohjausjärjestelmiin. Laitteen nimi on Anybus Communicator, ja se lähettää älykkään protokollakonversion avulla sarjadataa primääriselle PLC:lle tai kontrollerille yksinkertaisena I/O-datana. (Kuvan lähde: HMS Connecting Devices)

2010-luku: Useita EtherCAT-kehitysohjelmistoympäristöjä – EtherCATin käyttöönoton jälkeen alettiin julkaista integrointia helpottavia ohjelmistoja. Moduulien mukana tarjottiin yhä laajempaa ohjelmistovalikoimaa helpottamaan sovelluskohtaisten automaatiotoimintojen integrointia. Ensimmäiset tällaiset moduulit oli suunnattu koneistusteollisuudelle ja alalla käytettäville PLC-, NC-, CNC- ja robotiikkaohjauksille. EtherCATin käyttöä helpottavat ohjelmistot ovat nykyään yhä useammin IEC 61131-3 ‑standardin mukaisia, ja ohjelmointiin voidaan käyttää C/C++-, Visual Studio-, MATLAB- ja Simulink-ympäristöjä. Simulink-mallien avulla ohjausjärjestelmiä voidaan rakentaa, simuloida ja optimoida ennen toteutusta.

2011: EtherCAT-kaapelit helpottavat sähkön ja datan siirtoa servomoottorien akseleille – Automaatiolle tyypillisten liikejärjestelmien integroijat valittivat vuosikausia siitä, miten servoakseleihin piti asentaa useita kaapeleita sähkömoottorin ohjausta, virransyöttöä ja palautetta varten. Yhden ja saman kaapelin käyttö sähkövirran ja jännitetasoiltaan erilaisten signaalityyppien siirtämiseen voi aiheuttaa signaalikohinaa, tasomuunnoksia ja ylikuulumista. Kymmenisen vuotta sitten kuitenkin liikekomponenttien toimittajat alkoivat tuoda markkinoille yhteen kaapeliin perustuvia EtherCAT-kaapeliratkaisuja, joilla voidaan siirtää sekä sähköä että dataa. Ratkaisuissa kiinnitettiin paljon huomiota kaapelin vaippaan, suojaukseen, kapasitanssin välttämiseen ja johdinkokoihin sekä niiden sijoitteluun. Nykyään näitä EtherCAT P ‑kaapeleita käytetään servomoottorien akselien lisäksi myös muissa yhteensopivissa kenttälaitteissa.

2014–2017: Lisää tukea moniakselisille järjestelmille ja konenäköjärjestelmille – EtherCAT-ohjelmistot alkoivat tällä jaksolla sallia laitteiston pinoamisen, jolloin moniakseliasennuksiin voitiin lisätä monenlaisia sisäänrakennettuja turvallisuustoimintoja (kuten STO, SOS, SS1, SS2). Tästä oli hyötyä etenkin robotiikassa ja ladontatoiminnoissa, joissa käytetään joustavia ja modulaarisia ratkaisuja. Myös EtherCAT-pohjainen konenäkö alkoi yleistyä. Konenäkö sopiikin hyvin EtherCATin luontaiseen nopeaan prosessointimenetelmään, jolla voidaan tukea helposti konenäön reaaliaikaisen datan tarvetta. Joissakin ohjelmistoissa voidaan jopa integroida konenäkötehtäviä suoraan koneiden ohjelmistoon, jolloin yksinkertaisia tarkastus-, robotiikka- ja laadunvalvontatehtäviä voidaan toteuttaa suoraan EtherCAT-pohjaisella ohjauksella.

2018: Yhä nopeammat EtherCAT-versiot säilyttävät taaksepäin yhteensopivuuden – EtherCAT G (jonka nopeus on 1 Gb/s) ja EtherCAT G10 (nopeus jopa 10 Gb/s) täydentävät markkinoiden yhä tehokkaampia automaatiokontrollereita ja pystyvät käyttämään myös alkuperäisiä EtherCAT-rakenteita. Näissä verkoissa kaikki prosessit ovat samanlaisia kuin EtherCATin alkuperäisissä versioissa (hajautettu kellojärjestelmä mukaan lukien). Joillakin kenttälaitteilla on kuitenkin vaikeuksia selvitä nopeammista sykliajoista. Tämä ongelma on ratkaistu nopeuteen 1 Gb/s pystyvillä EtherCAT-haarakontrollereilla (yhteyssolmuilla) sekä sarjalla 100 Mb/s nopeudella toimivia silmukoita.

Vuodesta 2018 alkaen: Yhä enemmän EtherCAT-laitteisto- ja ohjelmistoratkaisuja sekä IoT-tuki – EtherCAT-verkkoon liitettyjen teollisuuskomponenttien ja integroitujen järjestelmien käyttöönotto on nopeutunut viime vuosina entisestään. Ohjelmistoissa on nyt myös EtherCATia hyödyntäviä koneoppivia moduuleja. Myös pilvipohjaiset ratkaisut ja EtherCAT-yhteensopivien yhdyskäytävien käyttö on yleistynyt. EtherCAT-verkkoon kytkettyjä koneita omistavat tai käyttävät loppukäyttäjät voivatkin nyt vaihtaa lähdekoodia, simuloida järjestelmiä ja jopa hyödyntää konetietoja IoT-analyyseissa, mistä on hyötyä etenkin loppukäyttäjille, joiden koneet sijaitsevat maantieteellisesti useissa eri tuotantopaikoissa. Elokuun 2020 puolivälissä ETG:lle oli toimitettu yli 3 000 jäsenyrityksen tunnukset.

Yhteenveto

Teollisuusautomaatioala alkoi lähes 40 vuotta sitten selvittää keinoja Ethernetin yleisyyden ja tehon hyödyntämiseksi teollisuuden tiedonsiirrossa. Ethernet-pohjainen tiedonsiirto ja ohjaus ovat nykyään kaikkea muuta kuin eksoottisia ja monissa olosuhteissa ensisijainen ratkaisu. EtherCATin ominaisuuksien yhdistelmä tarjoaa yhden markkinoiden kustannustehokkaimmista Ethernet-pohjaisista väyläratkaisuista. EtherCAT tukee Teollisuus 4.0 -hanketta ja teollisten esineiden internetiä (IIoT) ja on korvaamattoman arvokas myös automaation tulevissa murroksissa.