EtherCAT i światłowody - szybko i skutecznie

Rys. 1. Dane w EherCAT są przesyłane w datagramach, które można logicznie przypisać do różnych zadań

Urządzenia wyposażone w interfejsy sieciowe EtherCAT są znacznie lepiej dostosowane do pracy w aplikacjach przemysłowych niż urządzenia wyposażone w standardowy interfejs Ethernet. Dzieje się tak przede wszystkim dzięki rezygnacji z transmisji pakietowej i wynikającej z niej konieczności odtwarzania pofragmentowanych danych - co jest zadaniem czasochłonnym - i zastąpieniu pakietów mechanizmem opartym na telegramach składających się z datagramów (rys. 1).

W sieciach przemysłowych stosowana jest szeroka gama mediów trans misyjnych: od tradycyjnej skrętki aż po światłowody. Te ostatnie wykorzystują jako nośnik informacji wiązkę fotonów, dzięki czemu transmisja danych nie jest wrażliwa na zmiany pola elektromagnetycznego i może odbywać się na znacznie większe odległości, niż miało to miejsce w przypadku tradycyjnej skrętki.

Podczas gdy standardowe kable ethernetowe są skuteczne w przypadku odległości nieprzekraczających 100 m, to dla urządzeń światłowodowych dystans między nimi może osiągać od 2 do nawet 20 km, w zależności od zastosowanego typu światłowodu. Z punktu widzenia urządzeń końcowych nie jest widoczna różnica, po jakim medium odbywa się transmisja - rodzaj użytego medium nie wpływa na szybkość transferu danych w sieci przemysłowej.

Największy wpływ na tę prędkość ma jednak rodzaj użytego standardu komunikacji. Do tej pory wykorzystywane były standardy, które wymagały przyjęcia ramki danych, zinterpretowania, przetworzenia danych i rozesłania ich do każdego urządzenia. Wszystko to powodowało znaczne wydłużenie transmisji danych i niewykorzystanie możliwości przepustowych danego łącza.

Rys. 2. Kabel światłowodowy i moduł komunikacyjny EtherCAT

Standard EtherCAT rozwiązał ten problem (rys. 2). Urządzenia komunikujące się w nim otrzymują informację adresowane do nich już w czasie, gdy ramka danych przechodzi przez nie. Jest to niejako komunikacja "w locie". Podobnie wygląda to podczas wysyłania danych, gdy ramka jest nadpisywana podczas przechodzenia przez urządzenie. W ten sposób ramki są opóźnione tylko o nanosekundy.

Ramki EtherCAT składają się z danych z wielu urządzeń z obydwu kierunków: wysyłania i odbierania, dzięki czemu użyteczność danych w nich zawartych wzrasta do około 90%. Na rysunku 3 pokazano porównanie faktycznego wykorzystania przepustowości magistrali komunikacyjnej dla różnych protokołów (dwa wykresy pierwsze od lewej dotyczą Ethernetu).

Ponieważ EtherCAT jest w pełni kompatybilny z sieciami Ethernet, warstwa fizyczna może być zmieniana dowolną ilość razy w dowolnym miejscu aplikacji sterującej. Oznacza to, że w systemie składającym się z różnych szaf sterowniczych i modułów urządzeń, dla każdej jednostki może być użyta najbardziej opłacalna warstwa fizyczna, tj. skrętka, światłowód, etc.

Dla urządzeń połączonych przez 100BASE-TX poprzez technologię LVDS (sygnał różnicowy w symetrycznych kablach miedzianych) odległość może wynosić do 100m. Dla jeszcze większych odległości lub ekstremalnych elektromagnetycznych obciążeń EMC można zastosować w dowolnym miejscu w systemie technologię światłowodową. Jedynym warunkiem dla transmisji jest obsługa pełnego dupleksu, ponieważ EtherCAT odpowiada tak szybko, że zwykle odpowiedź jest już odesłana do urządzenia master, podczas gdy to urządzenie wysyła nadal ostatnie bity swojego zapytania.

Rys. 3. Współczynnik wykorzystania kanału transmisyjnego w Ethernecie (dwa pierwsze wykresy od lewej strony) i EtherCAT

Beckhoff zapewnia więc maksymalną elastyczność budowy sieci przemysłowej w zakresie stosowanych mediów transmisyjnych. Połączenie różnych rodzajów kabli wymaga jednak dodatkowych modułów. Można tutaj wymienić moduł sprzęgający EK1501 i terminal przyłączy EK1521. Umożliwiają one połączenie zwykłej skrętki ze światłowodem.

Odległość pomiędzy urządzeniami sieci przemysłowej dla skrętki wynosi do 100 m (100BASE-TX), a dla światłowodu wielomodowego do 2 km (100BASE-FX) (rys. 4). Terminale z interfejsem światłowodowym umożliwiają konwersję protokołu EtherCAT na technologie światłowodu wielodomowego użytego w linii przemysłowej. Światłowodowe moduły EtherCAT są doskonałym rozwiązaniem dla sieci rozproszonych, takich jak farmy wiatrowe czy wysoko obciążone systemy.

Pozwala to na zastosowanie tańszej skrętki dla urządzeń znajdujących się w małej odległości i światłowodu dla urządzeń oddalonych lub znajdujących się blisko silnych pól elektromagnetycznych (w pobliżu silników elektrycznych, kabli napięciowych, etc.) i to wszystko przy maksymalnym wykorzystaniu szybkości łącza.

Rozwiązania zastosowane w protokole EtherCAT pozwalają m.in. obsłużyć 1000 linii I/O ulokowanych w rozproszonych modułach I/O w czasie nieprzekraczającym 30 us, a w pojedynczej ramce ethernetowej pozwalają przesłać do 1486 bajtów danych (co zabiera ok. 300 us), co w przybliżeniu odpowiada 12 000 cyfrowych linii I/O.

Efektownie wypada także możliwość obsługi kanałów analogowych: maksymalna częstotliwość przesyłania lub odbierania 16-bitowych próbek wynosi aż 20 kHz przy zapewnieniu jednoczesnej obsługi do 200 wejść lub wyjść analogowych. Istotnym wymaganiem stawianym sieciom przemysłowym jest zapewnienie bezpieczeństwa funkcjonalnego działania urządzeń zgodnie z międzynarodową normą IEC 61508.

Protokół EtherCAT wyposażono w odpowiednie mechanizmy ulokowane w warstwie aplikacji bez konieczności modyfikowania niższych warstw interfejsu, w tym warstwy sprzętowej, co dodatkowo upraszcza stosowanie w przemyśle tanich rozwiązań dostępnych na rynku PC.

Rys. 4. Terminal EtherCAT

Technologia światłowodowa okazała się niezastąpiona w przypadku energetyki wiatrowej. Farmy wiatrowe rozciągają się na wielkich powierzchniach, a dzięki zastosowaniu światłowodów system wejść/wyjść EtherCAT umożliwia utrzymanie łączności między znacznie oddalonymi urządzeniami.

To pozwoliło opracować, specjalnie z myślą o energetyce wiatrowej, odpowiedniego systemu sterowania i regulacji. System ten stanowi rozwiązanie otwarte: umożliwia pracę z indywidualnymi opracowaniami producentów turbin wiatrowych, a ewentualna rozbudowa lub modyfikacja systemu jest nieskomplikowana i nie pociąga za sobą dużych kosztów.

System oparto na technologii PC-based, dzięki czemu akwizycja i zarządzanie danymi z czujników pomiarowych - tak istotne w przypadku sterowania turbinami wiatrowymi - nie stwarzają trudności (rys. 5).

Modułowa budowa systemów Beckhoff zapewnia ich dużą elastyczność, łatwość modyfikacji i modernizacji. Komunikacja między modułami jest realizowana najskuteczniej za pomocą światłowodów poprzez EtherCAT, służący do łączności nie tylko w obrębie gondoli lub pomieszczenia kontrolnego, ale także pomiędzy poszczególnymi urządzeniami na farmie wiatrowej, a dzięki zastosowaniu technologii XFC (eXtreme Fast Control Technology) można uzyskać czasy komunikacji krótsze niż 100ns, a z próbkowaniem danych z czujników poniżej 10μs.

Rys. 5. EtherCAT w energetyce wiatrowej

Możliwości oferowane przez EtherCAT pozwalają w pełni wykorzystać moc obliczeniową współczesnych sterowników PLC, przy jednoczesnym spełnieniu charakterystycznych dla współczesnych aplikacji przemysłowych wyrafinowanych wymagań czasowych i wysokiej pewności połączenia wymiany danych.

Zastosowanie światłowodów - szybkiego medium komunikacyjnego o wysokim stopniu niezawodności - pozwala z powodzeniem wdrażać EtherCAT wszędzie tam, gdzie niezbędna jest szybka i precyzyjna komunikacja oraz skuteczne sterowanie przy znacznych odległościach między poszczególnymi urządzeniami, a także w obecności zakłóceń elektromagnetycznych, co jest istotnym problemem w warunkach przemysłowych.

Beckhoff Automation Sp. z o.o.
www.beckhoff.pl