EtherCAT P spojuje ultrarychlou komunikaci a napájení v jediném kabelu

Článek popisuje komunikační síť EtherCAT P, která spojuje do jednoho kabelu komunikační i napájecí síť. Velmi flexibilní topologie usnadňuje návrh modulárních strojů. Současně se snižují náklady na kabeláž u strojů a strojních zařízení. 

S komunikační sítí EtherCAT P navazuje společnost Beckhoff na svůj ethernetový protokol EtherCAT, který se stal uznávaným globálním standardem. EtherCAT P spojuje komunikaci prostřednictvím protokolu EtherCAT s 24V sítí pro napájení řídicího systému a periferních zařízení – a volitelně s doplňkovou možností dalšího napájení. To znamená, že myšlenku One Cable Automation, automatizace prostřednictvím jednoho kabelu, lze nyní realizovat na provozní úrovni, což umožňuje u strojů a dalších zařízení s napájením od 24 V pro napájení snímačů po napětí 600 V, které je potřebné k napájení pohonů, připojit jednotlivé prvky systému metodou plug-and-play bez nutnosti použít rozváděče. EtherCAT P kombinuje v jediném standardním čtyřvodičovém ethernetovém kabelu 24V napájení pro zařízení EtherCAT P slave a pro snímače a akční členy, které jsou na něj připojené. Napájení řídicího systému a snímačů (U_s) a napájení akčních členů (U_p) jsou navzájem elektricky izolované a mohou připojené komponenty napájet proudem až 3 A (obr. 1). 

EtherCAT P – ideální komunikační systém pro snímače, akční členy a měřicí techniku

EtherCAT P umožňuje vést napájení řídicí elektroniky, snímačů i akčních členů přímo ve vodičích komunikační linky o rychlosti 100 Mb/s, čímž je zajištěno vysoce hospodárné a kompaktní připojení. Díky tomu je EtherCAT P ideální pro snímače, akční členy a měřicí techniku. Zvlášť výhodný je při použití podružných I/O rozváděčů a distribuovaných I/O modulů. ProEtherCAT P je nutné použít speciální konektor M8 od firmy Beckhoff, jehož mechanické kódování zabraňuje tomu, aby byl zaměněn za konektor běžných zařízení EtherCAT slave. Aby bylo možné připojit komponenty s většími požadavky na napětí nebo proud, byla navržena kompletní řada konektorů EtherCAT P, která pokrývá všechny požadavky až po pohony s napájením 400 V AC nebo 600 V DC a maximálním proudem do 64 A. Pro připojení I/O jsou k dispozici I/O moduly se stupněm krytí IP20 (do rozváděče) nebo IP67 (do provozu). Systém je také vhodný pro střídavé a stejnosměrné motory, akční členy, ventilové terminály, indukční polohové spínače, světelné závory nebo snímače polohy. U systémů strojního vidění lze připojit kamery, čtečky čárových kódů a 3D skenery (obr. 2). 

EtherCAT P zjednodušuje instalaci kabelových rozvodů

Základní myšlenkou EtherCAT P je zjednodušení kabelových rozvodů prostřednictvím snížení počtu konektorů na automatizačních komponentách a zařízeních (obr. 3). Řešení, které využívá jediný kabel, je vysoce škálovatelné podle individuálních požadavků na napájení a může být použito na všechny úrovně dané průmyslové úlohy. Pro 24V napájení lze použít běžný ethernetový kabel. Při vyšším napětí nebo větším proudu je EtherCAT P integrován do příslušného napájecího kabelu. Beckhoff nabízí pro tyto účely množství různých kabelů a konektorů. Odstranění samostatných elektrických vedení snižuje náklady na materiál a montáž a také riziko chyb při instalaci. Minimalizuje rovněž požadavky na prostor pro kabelové trasy v rozváděčích a v samotných strojích. Mezi další výhody patří menší a jasněji uspořádaná kabeláž a také menší snímače a akční členy, které mají jen rozhraní EtherCAT P. To poskytuje výrobcům strojů více konstrukčních možností, přičemž lze vhodným uspořádáním systémů snížit náklady na hardware. 

Flexibilní topologie díky přesměrování zdroje napájení

Inženýři mohou flexibilně vybírat z topologií, které dobře znají u sítě EtherCAT. Lineární, hvězdicové a stromové topologie lze volně kombinovat a tak dosáhnout nákladově nejúčinnějšího uspořádání systému. Na rozdíl od klasického systému Power over Ethernet (PoE) mohou uživatelé při použití EtherCAT P zapojovat zařízení do kaskád a napájet vše z jednoho zdroje. Zapojení zařízení do kaskád je omezeno pouze poklesem napětí, ale tomu lze předejít dodatečnými napájecími body (obr. 4). Pro vytvoření sítí EtherCAT P je již k dispozici mnoho komponent infrastruktury i modulů I/O se stupněm krytí IP20 a IP67. Vzhledem k tomu, že EtherCAT P může překlenout vzdálenost 50 m a více, lze snadno propojit i vzdálené distribuované moduly. Rovněž je možný bezproblémový přechod ze sítě EtherCAT na EtherCAT P. Naopak lze jednoduchým adaptérem zablokovat periferní napětí v síti EtherCAT P tak, že zařízení EtherCAT poběží na vlastním zdroji napájení. K navržení infrastruktury stroje lze konfiguračním nástrojem v prostředí TwinCAT definovat jednotlivé uživatele a délky kabelů. Vzhledem k tomu, že systém zná data všech uživatelských zařízení, může rovněž vzít v úvahu spotřebu elektřiny jednotlivých zařízení v průběhu času. Jestliže se např. z logických důvodů dva akční členy nikdy nezapnou současně, nikdy také současně nevyžadují plný výkon. To vede k dalším potenciálním úsporám v oblasti dimenzování napájecích zdrojů. 

Automatizace prostřednictvím jednoho kabelu

EtherCAT P byl vyvinut tak, aby umožnil realizovat myšlenku One Cable Automation (automatizace prostřednictvím jednoho kabelu, obr. 5). Vzhledem ke zjednodušení kabeláže je navrhování strojů méně složité a výrazně se snižují projektové a výrobní náklady. Komponenty pro automatizaci, distribuované I/O moduly, a dokonce i jednotlivé strojní moduly a roboty jsou napájeny a ovládány prostřednictvím jednoho kabelu. Velké rozváděče, kterým se dříve nebylo možné vyhnout, mohou být zmenšeny, a nebo dokonce vynechány. Výsledkem je, že modulární stroje a zařízení mohou být nyní zkonstruovány při nižších nákladech na montáž a uvedení do provozu a s co největší flexibilitou.

Koncept One Cable Automation v budoucnu zajistí maximální efektivitu. Jak se rozšiřuje nabídka konektorů EtherCAT P pro různé proudy a napětí, mohou je konstruktéři strojů velmi pružně a s nízkými náklady používat ve strojích a zařízeních podle individuálních požadavků dané úlohy. Takové řešení typu plug-and-play, které vyžaduje pouhé připojení odpovídajícího kabelu EtherCAT P, usnadňuje nejen připojení všech požadovaných senzorů a akčních členů, ale také konstrukci rozváděčů a samostatných strojních modulů. 

EtherCAT P – přednosti a výhody

EtherCAT je otevřená průmyslová ethernetová síť vyvinutá společností Beckhoff, která od roku 2007 odpovídá mezinárodním standardům IEC a SEMI. Verze EtherCAT P, která byla nedávno představena a jejíž specifikace byla publikována skupinou EtherCAT Technology Group (ETG), je plně kompatibilní s tradiční sítí EtherCAT. Výsledkem je, že vynikající charakteristiky sítě EtherCAT, jako jsou např. komunikace rychlostí 100 Mb/s v režimu full duplex až ke snímači nebo akčnímu členu, výměna dat on the fly, přesná synchronizace s funkcí distribuovaného času (distributed clocks) a doby cyklů kratší než 100 μs, jsou i nadále bez omezení dostupné. 

(Beckhoff Automation)

Obr. 1. Jednokabelové zapojení sítě EtherCAT P

Obr. 2. Příklad zapojení sítě EtherCAT P

Obr. 3. EtherCAT P zjednodušuje instalaci napájecí a komunikační sítě na strojích a zařízeních 

Obr. 4. Topologie systému EtherCAT P usnadňuje návrh flexibilní modulární konstrukce strojů

Obr. 5. EtherCAT P umožňuje realizovat myšlenku One Cable Automation

Přednosti komunikačního systému EtherCAT P:

• v jednom čtyřvodičovém kabelu je vedena komunikace EtherCAT plus dva napájecí okruhy 24 V DC, 3 A,
• připojená zařízení jsou napájena po jednom kabelu,
• k dispozici jsou konektory od 24 V DC po 600 V AC a 64 A,
• flexibilní volba topologie díky možnosti kaskádování,
• vynikající výkon komunikace EtherCAT s nízkými náklady na připojení,
• úspora nákladů na hardware a montáž,
• omezení rizika chybného zapojení a snížení nákladů na rozvody,
• lepší využití prostoru u kabelových tras, rozváděčů i na strojích,
• zmenšení rozměrů snímačů a akčních členů (není třeba samostatný napájecí konektor).