EtherCAT Automation Protocol

Protokol EtherCAT se stal celosvětově rozšířeným protokolem pro komunikaci typu master-slave mezi řídicími systémy a distribuovanými provozními zařízeními v reálném čase. Jedinečnou výhodou jsou krátké doby cyklů a velká přesnost synchronizace. V současnosti mnoho výrobních linek či strojů využívá různé a oddělené řídicí systémy, na kterých se jednotlivé úlohy zpracovávají samostatně, přestože vyžadují zpracování v úzké spolupráci mezi sebou. EAP – EtherCAT Automation Protocol (standard definovaný organizací EtherCAT Technology Group) přináší výkonnou cyklickou komunikaci mezi řídicími systémy prostřednictvím standardní ethernetové sítě. Podporuje funkce směrování (routing) na úrovni protokolu EtherCAT k jednotlivým zařízením typu slave a umožňuje změny jejich parametrů, diagnostiku a popř. změny firmwaru.

Protokol EtherCAT se svým unikátním funkčním principem – zpracováním datagramů za chodu – se za posledních deset let stal jedním z nejvíce rozšířených komunikačních standardů mezi průmyslovými sběrnicemi založenými na Ethernetu. Protokol EtherCAT, také nazývaný EtherCAT Device Protocol – EDP, je určen pro „hard real-time“ komunikaci mezi řídicím systémem a proměnným počtem zařízení, jako jsou vzdálené vstupy a výstupy, servoměniče, proporcionální ventily nebo komunikační brány (gateway), k další sběrnici. Sběrnice EtherCAT s protokolem EDP podporuje velmi krátkou dobu cyklu (až v řádu desítek mikrosekund), maximálně efektivně využívá šířku pásma a umožňuje dosáhnout vysokého stupně synchronizace mezi zařízeními propojenými v síti (jitter je v řádu stovek nanosekund).

Výrobní procesy zahrnují mnoho rozdílných operací, z nichž každá obsahuje určitý počet nezávislých částí, které jsou jednotlivě řízeny řídicím systémem s připojenými periferními zařízeními. Takové řídicí systémy zpravidla vyžadují cyklickou a acyklickou výměnu dat. EtherCAT Automation Protocol – EAP poskytuje efektivní mechanismus pro výměnu cyklických dat po síti výrobního závodu s možností využít dobu cyklů na úrovni jednotek milisekund. Navíc je podporována i acyklická komunikace určená k výměně hodnot těch parametrů, které nevyžadují reálný čas, a routování informací do sítě EtherCAT. Tyto funkce dělají z EAP vhodné řešení pro výrobce strojů, kteří potřebují pracovat s modulární topologií, kde jednotlivé procesy ovládají samostatné řídicí systémy, jež však umějí komunikovat mezi sebou, aby efektivní a harmonizovanou spoluprací vylepšily chod zařízení (obr. 1).

EAP – komunikace uvnitř továrny

Protokol EAP je zaměřen na komunikaci mezi řídicími systémy; umožňuje jejich autonomní chod, často při použití různě dlouhých řídicích cyklů. V tomto případě není optimální komunikace typu master-slave, kterou používá sběrnice EtherCAT s protokolem EDP. Místo toho EAP přebírá komunikační model publisher-subscriber (metoda Pushed Data Exchange; obr. 2). Každé zařízení komunikující protokolem EAP, které bude poskytovat data, je nadefinováno jako publisher a posílá data do sítě. Jedno či několik zařízení nadefinovaných jako subscriber může zachytit ethernetový paket odeslaný zařízením stanoveným jako publisher a přijatá data použít. Data mohou být publikována cyklicky (s periodou odpovídající době cyklu zařízení publisher nebo jejímu násobku), popř. se data odešlou až po změně jejich hodnoty. Způsob odesílání dat lze definovat jako unicast, kdy je k jednotce publisher určeno jedno konkrétní zařízení subscriber, nebo jako multicast, kdy je nadefinována konkrétní skupina zařízení subscriber, nebo broadcast, kdy publisher odesílá data do celé sítě.

Publisher odesílá data společně s dalšími 16 bity, jejichž číselná hodnota je aktualizována při odesílání. Zařízení, které data přijímá (subscriber), může dané číslo přečíst a zkontrolovat, zda se neztratil některý z tele­gramů. Navíc každý příjemce (subscriber) může použít vlastní pomocný šestnáctibitový registr, aktualizovaný v každém cyklu PLC nově příchozími daty, a odečítat dobu od poslední aktualizace dat. Díky těmto diagnostickým proměnným mohou zařízení komunikující protokolem EAP kontrolovat vstupní data na úrovni komunikace v reálném čase a správně reagovat na chyby v komunikaci.

Jako alternativu k metodě Pushed Data Exchange podporuje EAP také metodu Polled Data Mode (dotazování na data; obr. 3). V tomto případě zařízení označované jako client posílá periodicky telegramy jednomu nebo několika zařízením typu server, která mu na tuto výzvu odpovídají. Prostřednictvím EAP je možné posílat libovolné množství a typy dat. Lze posílat a přijímat jak základní, tak i složitější datové typy a struktury.

Nízké požadavky na hardware

Vzhledem k tomu, že v komunikaci na úrovni výrobního závodu není vyžadován „tvrdý“ reálný čas, nevyžadují zařízení EAP speciální čipy, jako jsou čipy EtherCAT Slave Controller (ESC) pro EDP; není použit princip zpracování rámců protokolu EtherCAT způsobem „on the fly“ a hardwarové požadavky plně odpovídají běžným síťovým portům. Proto může být použita běžná síťová infrastruktura včetně možnosti využití bezdrátového spojení. Data v protokolu EAP mohou být přenášena velmi efektivně v základním ethernetovém rámci (není-li třeba žádné směrování mimo místní síť) nebo mapována na pakety protokolu UDP/IP (tím je možné je směrovat pomocí protokolu IP i mimo vlastní síť). EAP může být rovněž přenášen paralelně s ostatními síťovými protokoly, jako jsou OPC UA, HTTP nebo FTP. To vylepšuje vertikální integraci v rámci jedné ethernetové sítě.

Cyklická a acyklická komunikace s EAP

Vedle cyklické komunikace podporuje EAP také možnost acyklického přenosu informací použitím protokolu AoE (ADS over EtherCAT). Každé zařízení EAP nebo EDP je identifikováno unikátní adresou AoE (AMS NetID) a přenášené informace mohou být směrovány od jednoho zařízení AoE k ostatním (obr. 4). Všechny běžně používané poštovní protokoly (mailbox), jako jsou CoE, SoE nebo FoE (CANopen over EtherCAT, Servodrive profiles over EtherCAT, File Access over EtherCAT), mohou být mapovány do telegramů AoE a směrovány od jednoho zařízení master sběrnice EtherCAT k dalšímu. Takto lze konfigurovat a diagnostikovat odesílaná a přijímaná acyklická data, která jsou použita k nastavení specifických parametrů řídicího systému nebo směrována do provozní sběrnice EtherCAT s protokolem EDP pro parametrizaci a diagnostiku jednotlivých zařízení typu slave.

Návaznost na OPC UA

Výkonný systém pro komunikaci v reál­ném čase, rozšířená možnost diagnostiky, možnost přenášet data prostřednictvím dalších paralelních protokolů na běžné síťové infrastruktuře bez specifických hardwarových požadavků – EAP, reprezentuje perfektní mezičlánek mezi průmyslovou sběrnicí a světem IT. V posledních několika letech se pro komunikaci na úrovni výrobních závodů etabluje na platformě nezávislý komunikační standard OPC UA. Z tohoto úhlu pohledu nelze na EAP nahlížet jako na alternativu k OPC UA, ale jako na doplňující protokol. Zatímco komunikace OPC UA je zvlášť vhodná pro vertikální integraci mezi real-time řídicí vrstvou a vyšší úrovní řízení, popř. pro geograficky distribuované klientské aplikace, jako jsou HMI nebo databáze, EAP je určen pro nižší úroveň řízení, primárně pro horizontální integraci různých řídicích systémů. Oba protokoly mohou společně fungovat na stejné hardwarové infrastruktuře a tím splnit komunikační požadavky rozličných výrobních závodů.

Příklad použití

Výroba solárních panelů se skládá z několika kroků, jako jsou např. identifikace, značení, testování, manipulace atd. Transportní systém je rozdělen na segmenty, jichž může být až čtrnáct, a každý segment má vlastní řídicí systém a operátorské rozhraní (obr. 5). Každý segment může mít navíc podle provozních požadavků různý počet operátorských panelů na různých místech výrobní linky.

Výměna dat mezi jednotlivými řídicími systémy je řešena pomocí EAP. Všechny stanice si vyměňují své stavové a kontrolní informace s předchozí a následující stanicí v rozsahu 600 bajtů v každém směru v cyklu 10 ms. Navíc si každá řídicí stanice obousměrně vyměňuje dalších 1 000 bajtů v každém směru s centrálním řídicím systémem, rovněž v cyklu 10 ms.

Vertikální komunikace operátorských panelů a systému MES je realizována prostřednictvím OPC UA v paralelní cyklické komunikaci s protokolem EAP. Oba protokoly se vzájemně perfektně doplňují: na jedné straně EtherCAT EDP jako ethernetová sběrnice reál­ného času pro stroje a řízení výroby doplněná protokolem EAP pro výměnu dat mezi jednotkami master a na druhé straně OPC UA jako platforma pro snadno rozšiřitelnou komunikaci navrženou s ohledem na zabezpečení, umožňující šifrovaný přenos dat do systémů MES a ERP nebo do cloudu.

Shrnutí

Poslední technický vývoj v automatizaci ukazuje na stále rostoucí vertikální integraci komunikačních standardů od průmyslových sběrnic a podnikových sítí nižší úrovně s informačními systémy podniku. Tento trend je potvrzován prosazováním konceptů Industry 4.0 nebo Internet of Things (IoT). EtherCAT Automation Protocol, EAP, specifikovaný sdružením EtherCAT Technology Group, reprezentuje důležitý článek mezi průmyslovou sběrnicí a informační infrastukturou celého podniku. EAP umožňuje cyklickou výměnu dat mezi jednotkami master, s výbornými real-time vlastnostmi a s rozšířenými možnostmi diagnostiky při použití běžných ethernetových síťových prvků. Možný je také přenos na dalších protokolech vycházejících z IP, které podporují acyklickou komunikaci a mohou být jednoduše směrovány k zařízením slave na sběrnici EtherCAT pro konfiguraci jejich parametrů nebo získání diagnostických informací.

Více informací zájemci najdou na www.ethercat.org.

Alessandro Figini, EtherCAT Technology Group

(Obrázky: EtherCAT Technology Group a Beckhoff Automation)

Obr. 1. Sběrnice EtherCAT a protokol EDP splňují nejnáročnější požadavky na reálný čas a synchronizaci zařízení na provozní úrovni řízení, zatímco nový protokol EAP je určen zejména pro vertikální komunikaci mezi řídicími systémy, kde sice jsou požadavky na reálný čas, ale minimálně o řád nižší než na provozní úrovni

Obr. 2. Pushed Data Exchange, režim broadcast, spojení N:M, architektura publisher/subscriber

Obr. 3. Polled Data Mode, režim unicast (client se dotazuje pouze jednoho vybraného serveru), spojení 1:1, architektura client/server

Obr. 4. Routovani v komunikačnim systemu EtherCAT

Obr. 5. Příklad použití – výroba solárních panelů