Dlaczego w sieciach przemysłowych EtherCAT jest lepszy niż klasyczny Ethernet?

Rys. 1. CSMA/ CD w sieciach Ethernet

EtherCAT bazuje na warstwie fizycznej sieci Ethernet, która charakteryzuje się takimi cechami, jak:

• wysoka prędkość transmisji danych,
• duży zasięg pozwalający na budowę oddalonych i rozproszonych węzłów,
• skalowalność,
• relatywnie niskie koszty związane z budową i utrzymaniem sieci.

W początkowych wersjach Ethernetu wykorzystywano komunikację typu half-duplex, gdzie w jednym momencie węzeł mógł pracować w trybie nadawania lub odbioru, współzawodnicząc z innymi urządzeniami w sieci o dostęp do możliwości transmisji. Aby usprawnić pracę sieci wprowadzono mechanizm CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect), który zapewnił sprawiedliwy podział pasma pomiędzy węzły, jednocześnie uniemożliwiając dokładne określenie chwil transmisji oraz czasu, przez jaki urządzenie jest zajęte.

Zasada działania CSMA/CD polega na tym, że w danym momencie tylko jeden obiekt jest uprawniony do nadawania. Gdy wyczerpie swój czas dostępu do łącza - token zostaje przekazany do innego węzła w sieci. Jeśli dwa lub więcej urządzeń rozpocznie jednoczesne nadawanie, następuje nakładanie się sygnałów elektrycznych zwane kolizją. Po jej wykryciu odczekiwany jest losowy czas i następuje próba ponownej transmisji danych. Taka metoda powoduje niedeterministyczny czas dostępu do łącza i brak możliwości synchronizacji elementów automatyki na terenie zakładu przemysłowego.

Obecnie stosowany w switchach mechanizm QoS (Quality of Service) wyklucza losowe opóźnienia oraz konieczność retransmisji, pojawia się jednak problem wydajnościowy wynikający z konstrukcji pojedynczej ramki danych - informacja o wartości temperatury zajmuje zdecydowanie mniej miejsca (około 5%) niż dane kontrolne. Przy dużej ilości urządzeń przepustowość sieci byłaby mocno ograniczona.

Rys. 2. Przykładowy schemat połączenia sterownika PLC Astraada One, modułów IO oraz serwonapędów Astraada SRV przez sieć EtherCAT

EtherCAT łączy zalety warstwy fizycznej sieci Ethernet oraz eliminuje wady warstwy programowej modyfikując sposób przekazywania informacji pomiędzy węzłami. Różnica polega na tym, że pojedyncza ramka nie jest wykorzystywana do przesyłania informacji do jednego konkretnego węzła sieci, jak w przypadku Ethernetu, ale do wielu jednocześnie.

Ramka przesłana przez węzeł typu master przechodzi przez wszystkie węzły typu slave, które przetwarzają ją w locie - dzięki zastosowaniu techniki FMMU (Fieldbus Memory Management Unit). Informacja odbierana jest przez wszystkie węzły w sieci, gdzie każdy z nich najpierw sprawdza czy znajdują się w nim dane bezpośrednio dla niego. Jeżeli tak, to odczytuje dedykowany fragment, a następnie wstawia swoją odpowiedź i przekazuje informację dalej. Gdy wiadomość dotrze do ostatniego urządzenia, ramka zostaje zawrócona do punktu wyjściowego.

Dzięki temu, że jest możliwe przenoszone danych do i od wielu węzłów jednocześnie, zostaje rozwiązany problem niskiej efektywności. FMMU sprawia, że 90% zawartości pojedynczej ramki zajmują np. wartości pomiarów, reszta to dane kontrolne.

TOPOLOGIE SIECI ETHERCAT

Rys. 3. Topologia drzewa stworzona na podstawie modułów serii EC1000

Topologie sieci EtherCAT budowane są analogicznie do sieci Ethernet. Powszechnie stosuje się układ szyny, drzewa lub gwiazdy. Najprostszym możliwym sposobem komunikacji między sterownikiem PLC a modułami I/O jest ethercat-owa szyna E-Bus, powszechnie stosowana w sterownikach modułowych - np. EC1000. W przypadku Astraada One podstawowym elementem takiej sieci jest jednostka centralna. W zależności od potrzeb, do CPU można dołączyć maksymalnie 10 dowolnych modułów I/O lub komunikacyjnych.

Jeżeli wymagana jest większa liczba modułów I/O, można zwiększyć ich ilość poprzez zastosowanie Extendera oraz modułu oddalonego tzw. couplera. W takim wypadku podstawowa jednostka sterująca składa się z CPU, 9 modułów I/O lub komunikacyjnych oraz ekstendera. Węzeł oddalony zbudowany jest z Couplera i maksymalnie 20 modułów I/O lub komunikacyjnych. Medium transmisyjnym w tym wypadku jest skrętka komputerowa kategorii 5, a maksymalna odległość przy tego rodzaju połączeniu wynosi 100 m.

W przypadku sterowników kompaktowych serii ECC2000 konfiguracja jest jeszcze łatwiejsza, ponieważ zarówno moduły cyfrowe, jak i analogowe mają wbudowane dwuportowe switche. W praktyce powoduje to, że do utworzenia sieci nie są wymagane dodatkowe urządzenia sieciowe. Rozszerzenie systemu sterowania polega jedynie na wpięciu patchcordu w odpowiedni port (wejścia lub wejścia). Podobnie jak w przypadku sterowników modułowych, górną granicą odległości między węzłami jest 100 m.

Rys. 4. Sterownik ECC2250, cyfrowe moduły ECC DIO oraz serwonapęd Astraada SRV połączone w sieć opartą o EtherCAT

Standard EtherCAT umożliwia łączenie ze sobą różnych urządzeń, które również wspierają ten standard. Możemy zatem łączyć sterowniki kompaktowe serii ECC2000 z modułami EC1000 przez coupler, a także sterować serwonapędami np. Astraada SRV lub Sanyo Denki. Wpięcie urządzeń w sieć wygląda identycznie, jak w serii ECC2000.

Sterownik ruchu ma wbudowane dwa porty RJ-45, pozwalające na dodawanie kolejnych napędów. Jedynym warunkiem prawidłowego działania urządzeń jest odpowiednia konfiguracja modułów I/O oraz serwonapędów we wspólnym środowisku programistycznym - Codesys. W głównej mierze ustawienia polegają na zainstalowaniu dedykowanych targetów i wyborze urządzeń z drzewka projektowego.

Skuteczność działania EtherCAT potwierdzona jest świetnymi wynikami. Czas wymiany informacji o stanie 10 osi serwonapędów (prędkość, położenie, przyspieszenie, kierunek, moment) trwa około 10 μs, natomiast przesłanie informacji o 256 binarnych wejściach/wyjściach zajmuje w przybliżeniu 13 μs. Takie wyniki dają możliwość sterowanie urządzeniami automatyki przemysłowej w czasie rzeczywistym.

Bardzo wysoka prędkość transmisji danych, skalowalność oraz łatwa konfiguracja powodują, że EtherCAT stał się najczęściej stosowanym standardem komunikacyjnym zarówno w Polsce, jak i na świecie.

Wojciech Trojniar
Specjalista ds. systemów sterowania
ASTOR
www.astor.com.pl