Come sfruttare i vantaggi di EtherCAT nelle applicazioni industriali con più rapide misurazioni in tempo reale.

La Sfida

Mentre in tutta l'industria continua l'attenzione sui costi, cresce la necessità di ottenere più rapide misurazioni in tempo reale nelle applicazioni industriali. Si utilizzano già numerosi e diversi sitemi basati sullo standard Ethernet, ma essi sono sovente inefficienti perché resta inutilizzabile una notevole parte della larghezza di  banda disponibile.
Ci sono due ragioni per questa inefficienza. Una è che solo una piccola quantità di dati viene trasmessa volta per volta. L'altra è che i messaggi vengono originati solo quando il dispositivo client o master richiede i dati. Ciò significa che la Ethernet standard opera come un sistema di informazione half-duplex.

La Soluzione

Per superare questo problema, la Beckhoff Automation GmbH ha condotto una ricerca per sviluppare un sistema fieldbus che potesse operare in tempo reale, sfidando la bassa larghezza di banda dei protocolli standard Ethernet.

Il risultato è stato EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology), un protocollo di comunicazione industriale ad alte prestazioni, che amplia lo standard IEEE 802.3 Ethernet, consentendo il trasferimento dei dati con temporizzazione prevedibilesincronizzazione precisa.

Lo sviluppo di EtherCAT significa che i pacchetti Ethernet non vengono più ricevuti, interpretati, elaborati e copiati in ogni dispositivo. Il protocollo EtherCAT trasporta tuttora i dati direttamente all'interno del frame standard  Ethernet, senza cambiare la sua struttura fondamentale.

Tuttavia, gli slave EtherCAT possono leggere i dati ad essi indirizzati mentre la frame passa attraverso il device node. Nel contempo si possono inserire i dati d'ingresso provocando un ritardo di solo alcuni nanosecondi. Dato che i frame EtherCAT comprendono i dati provenienti da molti dispositivi che operano sia in modalità trasmittente che ricevente, la cadenza dati utilizzabile aumenta di oltre il 90 %. Ciò consente di sfruttare completamente le proprietà full-duplex del 100BaseTX, raggiungendo l'effettiva cadenza dati di >100 Mbit/s.

Vantaggi

Un altro vantaggio di EtherCAT è che esso supporta l'intera famiglia CANopen ed il profilo drive Sercos. Questo aiuta l'utente a configurare facilmente le reti  EtherCAT per la specifica applicazione, modificando i profili di base predefiniti.

Inoltre, EtherCAT può supportare quasi ogni topologia rendendolo idoneo per una vasta gamma di applicazioni, compresa la topologia a stella standard Ethernet basata sulla commutazione. Ciò lo rende un sistema molto flessibile in termini di cablaggio e si possono facilmente impiegare cavi diversi. Perciò si può prontamente utilizzare la completa larghezza di banda di una rete Ethernet, in combinazione con i commutatori (switch) o convertitori di media.

Moduli Gateway

QuantumX CX27

Per massimizzare l'efficacia della raccolta delle misurazioni in tempo reale utilizzando EtherCAT, la HBM ha introdotto il modulo CX27 gateway quale componente del proprio sistema QuantumX. Il CX27 dispone di una connessione EtherCAT comprendente l'impostazione one-off modulo / canale per il traffico isocrono dei dati. Ciò consente l'impostazione e configurazione dei singoli canali mediante EtherCAT sia per la configurazione-canale (SDO) che come metodo di assegnazione dei dati di processo (PDO).

Per aiutare gli utenti, la configurazione si ottiene facilmente usando sia lo EtherCAT Studio, basato sul sistema König PA, che TwinCAT, che utilizza i metodi Beckhoff. La configurazione può essere effettuata anche col CD di sistema  QuantumX in dotazione, oppure scaricando il software appropriato dal sito Internet della HBM. Infine, per configurare il dispositivo gli utenti possono usare una interrogazione della rete (network scan) o le informazioni memorizzate nella EEPROM. Ciò fornisce agli utenti una grande flessibilità per configurare facilmente il CX27.

Considerazioni Chiave

Una considerazione importante allorché siano richieste azioni simultanee in processi largamente distribuiti, è che la temporizzazione di tutti i nodi della rete sia esattamente sincronizzata.

Ciò viene ottenuto trasmettendo la temporizzazione dal clock master a tutti i clock slave, ed allineandoli per compensare qualsiasi ritardo utilizzando il metodo di sincronizzazione dei clock distribuiti (IEEE 1588).
Nel raggruppamento EtherCAT, il clock master è situato in un dispositivo slave, dato che il master deve essere deliberatamente mappato dai componenti standard. Tutti i nodi possono essere sincronizzati con un errore inferiore ad 1 ms.

Il CX27 dispone di un'opzione nel Device Description File (DDF) che attiva o disattiva i clock distribuiti; l'impostazione presunta è che i clock distribuiti siano attivati. Quando i clock distribuiti sono attivati, il master temporizzatore inoltra il tempo al QuantumX slave e questi distribuisce la temporizzazione ai moduli. L'impiego dei clock distribuiti è utile quando le misurazioni devono essere effettuate in parallelo mediante Ethernet ed usano lo stesso time stamp quale riferimento.

L'uso del CX27 della HBM come EtherCAT slave, consente un elevato numero di canali od un'alta cadenza di campionamento. Con il potente sistema modulare di acquisizione dati QuantumX, si possono ottenere sul sistema fieldbus fino a 199 segnali sincronizzati nel tempo con una massima cadenza di campionamento di 1.200 Hz, oppure 30 canali con cadenza di campionamento di 4.800 Hz.

Conclusioni

EtherCAT è un protocollo di applicazione aperto ad altissime prestazioni, facile da installare, per applicazioni Ethernet. Il suo inserimento nel CX27 della HBM assicura agli utenti il pieno sfruttamento delle capacità di sincronizzazione mentre si utilizza la completa larghezza di banda, per qualsiasi applicazione idonea. Ciò è particolarmente valido quando è necessario sincronizzare un gran numero di moduli di misura.

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Collegamenti

QuantumX CX27