Czy EtherCAT jest przyszłością sieci Fieldbus?

Wstęp
Przejście do cyfryzacji w sektorze automatyki fabrycznej wciąż przyspiesza, napędzane zarówno przez innowacje i postęp technologiczny, jak i, co ważne, przez rosnącą świadomość i akceptację korzyści, jakie przynosi.

Jednym z ważnych trendów w ramach tej transformacji jest rosnąca rola przetwarzania brzegowego. Przeniesienie inteligencji bliżej monitorowanych i kontrolowanych procesów przynosi oczywiste korzyści, które zostały dobrze udokumentowane. Wraz z obniżeniem kosztów mocy obliczeniowej i wzrostem dostępności wytrzymałego, wysokowydajnego sprzętu, korzyści te są realizowane w coraz większej liczbie przypadków użycia. Trend ten jest przyspieszany przez takie koncepcje jak wirtualizacja. Wykorzystanie hiperwizorów do elastycznego izolowania i przydzielania części zasobów wielordzeniowego komputera brzegowego do różnych, często niepowiązanych ze sobą zadań, jeszcze bardziej zwiększa elastyczność i efektywność kosztową urządzeń brzegowych.

Nieustanne wciskanie edge computingu w głąb procesu przynosi jednak pewne wyzwania.

Potrzeba szybkości
Mówiąc wprost, w miarę jak inteligencja wkracza coraz dalej w procesy produkcyjne, rośnie potrzeba determinizmu i szybkości reakcji na fizycznych interfejsach do czujników i siłowników. Historycznie było to trudne do osiągnięcia przy użyciu technologii opartych na komputerach PC, dlatego też w erze Przemysłu 4.0 nadal stosuje się specjalistyczne urządzenia i "twarde" sterowniki PLC. Jednakże, gdy moc przetwarzania wzrosła, a systemy operacyjne czasu rzeczywistego stały się bardziej popularne, wiele uzasadnień dla stosowania tych specjalistycznych, niszowych urządzeń zniknęło, pozostawiając jedynie pytanie, jak połączyć silnik przetwarzania z fizycznymi czujnikami i elementami wykonawczymi w sposób otwarty, solidny, szybki i deterministyczny. Jest to problem, który rozwiązuje EtherCAT, torując drogę projektom digitalizacji, aby sięgnąć jeszcze głębiej w procesy automatyzacji.

Dlaczego EtherCAT?
Oczywiście, istnieje wiele opcji dostępnych dla użytkowników poszukujących rozwiązania I/O Fieldbus. Jakie są więc cechy sieci EtherCAT, które sprawiają, że jest ona idealnym wyborem dla tej części architektury?

Szybka
Po pierwsze, sieć EtherCAT jest niezwykle szybka. Poprzez osadzenie informacji dla wszystkich podłączonych urządzeń w pojedynczej ramce transmisyjnej, która jest modyfikowana "w locie" przez podłączone urządzenia, jest ona w stanie osiągnąć deterministyczną komunikację z czasem cyklu 276 μS i z synchronizacją zegara w węzłach 1 μS, co czyni ją najszybszą otwartą przemysłową magistralą polową obecnie dostępną.

Otwarta
Jak wspomniano powyżej, sieć EtherCAT jest otwarta i szeroko wspierana przez wielu producentów. Pozwala to na uniknięcie uzależnienia od dostawcy związanego z szeregiem innych popularnych systemów Fieldbus, uwalniając użytkowników od przyjmowania najlepszych rozwiązań dla każdej aplikacji w ich ogólnej architekturze.

Elastyczna
Sieć EtherCAT jest w stanie wspierać wiele różnych topologii połączeń - łańcuch szesnastkowy, gwiazda i pierścień, aby wymienić tylko trzy. Oznacza to, że można ją wdrożyć w prawie każdym środowisku instalacyjnym z minimalnym zakłóceniem.

Solidna strona
W zależności od wdrożonej topologii połączeń, EtherCAT może automatycznie kompensować przerwy w ścieżce transmisji, zapewniając poziom odporności na błędy, który nie jest możliwy w przypadku niektórych innych rozwiązań sieciowych.

Tak jak każda z tych pojedynczych cech może być przekonująca w każdej sytuacji, to kiedy są one rozpatrywane razem, staje się jasne, że istnieje przekonujący powód, aby poważnie rozważyćEtherCAT jako sieć polową do wyboru dla każdego projektu.

Aplikacje
Istnieją zasadniczo dwa różne sposoby, w jakie sieć EtherCAT jest wykorzystywana w połączeniu z nowoczesnymi urządzeniami typu edge computing do realizacji projektów digitalizacji:

Soft PLCs
Prawdopodobnie najbardziej oczywistym i znanym zastosowaniem jest rosnące przyjęcie technologii SOFT PLC. W tym przypadku, w przeciwieństwie do dedykowanych urządzeń PLC z przeszłości, środowisko PLC staje się aplikacją działającą na otwartym komputerze brzegowym. EtherCAT zapewnia magistralę I/O dla soft PLC, zapewniając poziom wydajności, który dorównuje najbardziej wydajnym sterownikom PLC, ale z dodatkową zaletą, że komunikacja jest znacznie bardziej elastyczna, a funkcjonalność PLC może być rozszerzona przez dodanie kolejnych aplikacji. Jest to szczególnie istotne ze względu na postępy w wirtualizacji na brzegu, gdzie wydajność aplikacji PLC może być chroniona i gwarantowana w sytuacjach, gdzie inne aplikacje mogą pozwolić na bardziej otwarty dostęp lub nie mają świadomości operacji krytycznych czasowo.

Poprzez interfejsy API
Oczywiście nie wszystkie aplikacje można zaadresować za pomocą sterowników programowych, ale zamiast tego muszą być kodowane w językach takich jak C lub C+ i uruchamiane na systemach operacyjnych czasu rzeczywistego, które nie posiadają natywnego wsparcia dla przemysłowych magistral polowych. W tym przypadku dostępne są rozwiązania w postaci stosów protokołów, które implementują interfejs EtherCAT i udostępniają go zakodowanej aplikacji za pomocą prostych wywołań API. W ten sposób można opracować wysoce złożone rozwiązania niszowe dla aplikacji takich jak obsługa narzędzi półprzewodnikowych, sterowanie robotami oraz, oczywiście, opracować aplikację soft PLC, która jest następnie wdrażana i programowana przez użytkowników końcowych.

Wnioski
Przemysł automatyki znajduje się w środku znaczącego procesu transformacji w związku z przyjęciem Przemysłowego Internetu Rzeczy i projektami digitalizacji, które zrodził. Kluczowa dla przyszłego sukcesu tych inicjatyw jest zdolność do rozszerzenia zasięgu systemów coraz głębiej w monitorowane i kontrolowane procesy. Im większy zasięg tych systemów, tym bardziej krytyczne staje się to, że urządzenia brzegowe są w stanie połączyć się z czujnikami i urządzeniami wykonawczymi w sposób solidny, szybki i deterministyczny. EtherCAT oferuje szereg funkcji i elastyczność implementacji, które czynią go idealnym rozwiązaniem w dużej części przypadków i dlatego powinien być jedną z pierwszych opcji branych pod uwagę przez każdego użytkownika chcącego wdrożyć magistralę polową I/O.