Dzięki rosnącym możliwościom pracy w czasie rzeczywistym, technologie przemysłowego Ethernetu są w stanie coraz bardziej obsługiwać aplikacje sterowania ruchami.
„WIELE, JEŚLI NIE WIĘKSZOŚĆ APLIKACJI STEROWANIA RUCHAMI PRZENIESIE SIĘ W KOŃCU DO PRZEMYSŁOWEGO ETHERNETU”
Inżynierowie projektujący maszyny przemysłowe ciągle muszą zmagać się z mieszaniną różnych technologii sieciowych: może jakiś fieldbus lub dwa dla wejść/wyjść, sieć użytkownika do sterowania ruchami i Ethernet do reszty zastosowań?.
Obsługiwanie tych wszystkich sieci nie jest jednak tanie. Wystarczy pomyśleć tylko o tych wszystkich przewodach (jakie trzeba ułożyć), urządzeniach (które trzeba kupić) i o oprogramowaniu (które należy napisać). Czyż nie byłoby lepiej, gdyby jedna sieć mogła zrobić wszystko?
To właśnie jest zaletą przemysłowego Ethernetu. Z możliwościami, do zredukowania kosztów związanych z wprowadzeniem automatyzacji w fabryce oraz łatwością współpracy z korporacyjnymi systemami informatycznymi, przemysłowa wersja Ethernetu ma ogromne szanse szybkiego wzrostu w najbliższych latach. Według ostatnich badań, wykonanych przez Harry’ego Forbs’a – głównego analityka w RC Advisory Group, rynek przełączników do przemysłowego Ethernetu i związanej z tym infrastruktury sieciowej, wzrośnie w ciągu najbliższych pięciu lat do wartości blisko 1 miliarda USD, startując z poziomu 260 milionów USD w 2006 r.
To jednak nie informatycy będą napędzać ten wzrost. Jak twierdzi Scott Hibbard, wiceprezes ds. technologii w Bosch-Rexroth Drives and Controls: „Inżynierowie uważają, że jeśli mogliby przejść na przemysłowy Ethernet, to będą mogli podłączyć wszystko w fabryce przy pomocy kabla CAT5 i urządzeń sieciowych, które mogą zakupić w najbliższym sklepie z elektroniką – a po chwili dodaje – Jest to rzeczywiście utopijna wizja automatyzacji”.
„Używanie Ethernetu do sterowania ruchami oznacza robienie rzeczy, do których Ethernet nigdy nie był przeznaczony” twierdzi natomiast Hibbart przypominając, że Ethernet, tak jak był początkowo zaprojektowany, po prostu nie zapewniał odpowiedniego czasu cyklu, determinizmu lub jakości pracy wymaganej do działania w czasie rzeczywistym wysokowydajnych układów regulacji lub korygowania „w locie” skomplikowanych trajektorii. Podobnie wypowiedział się Ed Nicolson, dr inż. elektryk i dyrektor ds. rozwoju technologii w firmie Yaskawa Electric: „Protokół TCP/IP Ethernetu nie był początkowo narzędziem, poprzez które chciałoby się kierować ruchami”..
Jednakże, w ciągu ostatnich siedmiu lat, inżynierowie opracowali sprytne sposoby, aby sieć Ethernet zapewniała parametry w czasie rzeczywistym odpowiednie, nie tylko dla mniej wymagających aplikacji wejść/wyjść, lecz również dla skomplikowanych zadań sterowania ruchami. W rezultacie Harry Forbes przewiduje wspaniałą przyszłość dla sterowania ruchami poprzez Ethernet, licząc, że „Wiele, jeśli nie większość aplikacji sterowania ruchami przeniesie się w końcu do przemysłowego Ethernetu”.
Zanim do tego jednak dojdzie najpierw inżynierowie muszą sprawdzić, które z konkurujących ze sobą rozwiązań dotyczących przemysłowego Ethernetu najlepiej spełniają ich potrzeby w zakresie sterowania ruchami. Nie jest to łatwe zadanie, biorąc pod uwagę liczbę technologii sieciowych reklamujących swoje możliwości pracy w czasie rzeczywistym. Witryna internetowa Real Time Ethernet obecnie przedstawia 22 rozwiązania w tej dziedzinie.
Spośród istniejących obecnie rozwiązań, niewiele będzie miało szansę skutecznie konkurować z sobą i przyjmie się w dużych systemach automatyki, wymagających wielu aplikacji sterowania ruchami. Do rozwiązań tych należy zaliczyć: PROFINET, SERCOS III, Ethernet/IP, EtherCAT, ETHERNET Powerlink i Modbus. Niektórzy eksperci od sterowania ruchami wykluczają spośród nich Ethernet/IP i Modbus do zastosowań pracujących w czasie rzeczywistym, ponieważ nie zapewniają obecnie parametrów dorównujących pozostałym czterem sieciom.
|
Dane w czasie rzeczywistym (MDT + AT) |
Czas cyklu
|
Liczba napedów
|
|
8 + 8 bajtów 12 + 12 bajtów 16 + 16 bajtów 12 + 12 bajtów 32 + 32 bajtów 12 + 12 bajtów 53 + 53 bajtów 32 + 32 bajtów 16 + 16 bajtów 40 + 40 bajtów 65 + 65 bajtów |
31.25 μ 62.5 μ 125 μ 250 μ 250 μ 500 μ 1 ms 1 ms 1 ms 2 ms 3 ms |
8 16 30 72 36 150 100 153 254 254 254 |
Znaczenie ma nie tylko czas cyklu w najlepszych warunkach, lecz również czas cyklu wymagany przy uwzględnieniu liczby osi używanych w danej aplikacji. W tabeli powyżej występuje np. zależność między cyklem czasu i możliwą liczbą napędów w standardzie SERCOS III.
Ethernet/IP, jedna z dominujących wersji przemysłowego Ethernetu w Ameryce Północnej – jak wyjaśnia Matheus Bulho szef produktu w firmie Rockwell Automation – znajduje się w trakcie zwiększania swoich zdolności pracy w czasie rzeczywistym z dodaniem CIP Sync, protokołu synchronizacji zegara w sieci zbudowanego wg standardu IEEE 1588.
Natomiast Bill Seitz – prezes firmy IXXAT produkującej urządzenia i oprogramowanie komunikacyjne do zastosowań w automatyce przemysłowej uważa, że obecnym produktom przeznaczonym do sterowania ruchami i stosującym CIP Sync dużo jeszcze brakuje oraz że, zanim dorównają pozostałym produktom, wiele aplikacji sterowania ruchami znajdzie się poza zasięgiem standardu Ethernet/IP..
„Ethernet/IP oraz Ethernet/IP z CIP Sync należy uważać za dwie różne sieci do zadań sterowania ruchami – podkreśla dobitne Seitz, który zna dobrze Ethernet/IP, ponieważ jego firma działa jako kreujący wartość dodaną partner projektowy firmyRockwell. Tego samego zdania jest Nicolson twierdząc, że „Sytuację Ethernetu/IP może zmienić CIP Sync bez którego nie jest on wystarczająco deterministyczny, aby nadawał się do bardziej złożonych zadań niż wysyłanie prostych rozkazów do elementów wykonawczych”.
Krzykliwa reklama towarzysząca różnym technologiom sieciowym zwiększa tylko dezorientację wokół przemysłowego Ethernetu. Rzecznicy każdego konkurenta tej firmy pracującego w czasie rzeczywistym zaangażowali się w walkę „na specyfikacje techniczne”, żeby tylko wysunąć się na czoło wyścigu. Walka o pierwsze miejsce często sprowadza się do takich form jak „mój czas cyklu jest krótszy niż twój czas cyklu” lub jeszcze bardziej dziwacznych jak „moja sieć jest bardziej deterministyczna niż twoja”.
Czas cyklu i determinizm oczywiście dużo znaczą w aplikacjach sterowania ruchami, lecz tylko te dane techniczne nie odpowiedzą na pytanie, która sieć lepiej nadaje się do danej aplikacji. Poniżej wyjaśnimy, dlaczego tak jest:
Ograniczenia prędkości?
Gdy chodzi o czas cyklu każdej sieci – lub czas, jaki potrzebują węzły sieci, aby się skomunikować – aż korci, żeby myśleć, że szybciej zawsze znaczy lepiej. W obecnym stanie rzeczy, żadna z czterech wysocedeterministycznych technologii sieciowych nie może sobie przypisywać istotnej przewagi w zakresie czasu cyklu, w kontekście nawet nie wszystkich, lecz tylko kilku wymagań dotyczących sterowania ruchami w czasie rzeczywistym (patrz ramka powyżej). „Wszystkie dostępne obecnie rozwiązania Ethernetu oferują parametry wystarczające dla większości aplikacji sterowania ruchami” – twierdzi Seitz.
Przy czasach cyklu około 1 ms i poniżej, wszystkie szybsze sieci oferują więcej niż wystarczające parametry, jeśli uwzględni się czasy odpowiedzi wymagane przez typowe aplikacje maszynowe. Zuri Evans – menedżer produktów SIMOTION w firmie Siemens uważa, że osie hydrauliczne wtryskarek wymagają typowo czasu odpowiedzi od 250 μs do 1 ms, podczas gdy osie maszyn drukarskich wymagają typowo około 3 ms. Maszyny przetwórcze wymagają czasu między 2 a 6 ms, a maszyny pakujące od 2 do 4 ms. „PROFINET z zapasem spełnia te wymagania” – twierdziZuri Evans.
Podobnie jest z pozostałymi trzema najszybszymi sieciami. Należy pamiętać, że różnica między czasami cyklu najszybszych sieci wynosi tylko kilka mikrosekund. Takie małe różnice czasu rzadko kiedy mają znaczenie podczas sterowania ruchami w czasie rzeczywistym, ponieważ to dynamika komponentów mechanicznych i odpowiedź częstotliwościowa wielu maszyn przemysłowych stanowi ograniczenie prędkości, a nie czas cyklu sieci. „Najpierw natkniemy się na problemy związane z dynamiką systemów mechanicznych, zanim zauważymy różnice w mikrosekundach w czasach cyklu Ethernetu”, podkreśla Nicolson i dodaje „Inżynierowie najpierw muszą sobie odpowiedzieć na pytanie, jakich czasów cyklu naprawdę potrzebują”.
I nie jest on odosobniony w takiej ocenie. „Należy pamiętać, że czas rzeczywisty jest pojęciem względnym – przypomina Wayne Baron, prezes i były dyrektor techniczny w firmie Galil Motion Control – Wszystko zależy od tego, czego aktualnie wymaga dana aplikacja”.
Rozważmy determinizm
Ze zdolnością sieci do dostarczenia komunikacji w dokładnym momencie oraz określeniem jej determinizmu jest podobnie jak z czasem cyklu w tym sensie, że cztery główne sieci zdolne do sterowania ruchami zapewniają podobne parametry z wartościami rozrzutu mniejszymi niż 1 μs. „W większości aplikacji trochę fluktuacji nie ma większego znaczenia – uważa Baron dodając – Można to łatwo skorygować za pomocą oprogramowania”.
Tym, co rzeczywiście odróżnia różne sieci pracujące w czasie rzeczywistym jest to, w jaki sposób wyrażają determinizm. Hibbard z firmy Bosch-Rexroth, który działa również w grupie nadzorującej standard SERCOS III, zauważa, że istnieje bardzo duża ilość gotowych, technicznych odpowiedzi na widoczny brak determinizmu standardu Ethernet. Można go głównie zlokalizować w oryginalnym mechanizmie Ethernetu wykrywania kolizji i jego tendencji do przypadkowego, nieprzewidywalnego opóźniania dostarczania pakietu danych.
Na jednym krańcu spektrum znajdują się rozwiązania, które próbują zmusić standardowy, niezmodyfikowany Ethernet i TCP/IP do działania w sposób deterministyczny, używając standardu IEEE 1588 do synchronizacji zegarów poprzez sieć. Jest to mniej więcej rozwiązanie stosowane w Ethernet/IP, z zastosowanym CIP Sync.
Hibbard określa drugi kraniec spektrum jako rozwiązanie „spalonej ziemi”. „Rozmontowuje się stary standard Ethernet do momentu, aż pozostanie tylko trochę kabli i złączy” – żartuje. Instaluje on sieć użytkownika, która wykorzystuje tylko fizyczną warstwę Ethernetu w tej kategorii.
Otwarte, deterministyczne standardy sieciowe takie jak SERCOS III, PROFINET IRT, EtherCAT i ETHERNET Powerlink lokują się pośrodku i wykorzystują sprzętowe, programowe stosy, w celu nadania priorytetów i oddzielenia deterministycznej komunikacji, od mniej zależnych od czasu, przesyłów w sieci. „Wszystkie z nich mają przyzwoitą dozę determinizmu”, twierdzi Hibbard. „Rzeczywisty problem polega na tym jak ją wykorzystują. Tu właśnie dochodzi do kompromisów – przyznaje Jeremy Bryant, specjalista ds. sieci w firmie Siemens dodając – Różne rozwiązania, w celu zachowania determinizmu, mają znaczne konsekwencje poza sterowaniem ruchami.”
Konsekwencje te obejmują koszt systemu, ponieważ różne rodzaje sieci wymagają znacznie różnej ilości sprzętu, aby zapewnić determinizm. Rzecznicy każdego typu przemysłowego Ethernetu wdali się w gorące spory, który system jest bardziej efektywny pod względem kosztów. Ze swej strony, Seitz prezes firmy IXXAT szacuje, że różne sieci przemysłowego Ethernetu kosztują około 30 do 50 USD za węzeł, w zależności od tego, jak bardzo specjalizowanego sprzętu i przeróbek wymagają, aby osiągnąć determinizm.
Inna istotna konsekwencja tego, w jaki sposób osiągnięty został determinizm związana jest ze zdolnością sieci Ethernet do radzenia sobie z zadaniami nie związanymi z ruchami, co jest jedną z pierwszych, głównych korzyści przejścia na przemysłowy Ethernet. Podkreśla to Bryant: twierdząc, ze ”sprawą nadrzędną jest implementacja rozwiązań bazujących na Ethernecie, które są wystarczająco silne, aby spełniać wymagania związane ze sterowaniem ruchami i jednocześnie wystarczająco elastyczne, aby spełniać pozostałe wymagania sieci”. Wymagania te mogą obejmować wejścia/wyjścia do sterowania maszyną, dane diagnostyczne, OPC dla gromadzenia danych, dołączalność interfejsów człowiek-maszyna, bezpieczeństwo i inne.
Aby przesyłać wszystkie te dane, wszystkie sieci deterministyczne pracujące w czasie rzeczywistym używają tego samego pasma 100 Mbit/s (100BaseT), „Lecz wszyscy używamy tego pasma mniej lub bardziej efektywnie” zaznacza Helmut Kirnstoetter, wiceprezes w B&R Industrial Automation, firmie która wymyśliła ETHERNET Powerlink. Efektywność ta, która ciągle jest przedmiotem gorących sporów na temat optymalnego rozmiaru i przetwarzania pakietów danych, dotyczy liczby węzłów, jakie system może obsługiwać oraz szerokości pasma pozostawionego dla innych zadań a realizowanych w tej samej sieci.
„Na koniec dnia inżynierowie muszą zadać sobie pytanie: jaki czas cyklu jest mi potrzebny, ile mam węzłów i jakich urządzeń potrzebuję, aby zrealizować to zadanie” – podsumowuje Kirnstoetter. Gdy odpowiemy precyzyjnie na te trzy pytania, droga do wyboru prawidłowej sieci stanie przed nami otworem.
DN
|
W produkcji wyprasek, czas cyklu pracy dużo znaczy
Gdy czas cyklu magistrali komunikacyjnej jest istotny w aplikacjach sterowania ruchami, dochodzi się „do zjawiska zmniejszania zysków, gdy próbuje się sterować systemem mechanicznym” twierdzi Chris Choi, dyrektor ds. technicznych firmy Husky Injection Molding Systems Ltd. Wie co mówi. Jego firma buduje najszybsze na świecie wtryskarki do zastosowań, które obejmują bardzo szybkie produkowanie prefabrykatów do butelek oraz cienkościennych opakowań.
Podobnie jak pozostali eksperci od sterowania ruchami, cytowani w tym artykule, Choi uważa, że niewielkie różnice w zasie cyklu między różnymi sieciami przemysłowego Ethernetu, pracującego w czasie rzeczywistym nie stanowią jakiegoś problemu w kontekście dynamicznej odpowiedzi większości siłowników oraz komponentów mechanicznych stosowanych w maszynach przemysłowych. „W systemach mechanicznych, takie czynniki jak moment bezwładności mają zazwyczaj większe znaczenie niż czas cyklu magistrali Fieldbus”, twierdzi Choi.
Jednak bardzo szybko dodaje, że w świecie szybkich wtryskarek, nawet pozornie niewielka różnica w wartości czasu cyklu może dużo znaczyć.
Celem firmy Husky, w sterowaniu maszyną, jest nie tylko sterowanie ruchami elementów mechanicznych maszyny, lecz sterowanie całym procesem formowania wtryskowego. Aby to wykonać, algorytmy sterowania stosowane przez firmę Husky muszą wywnioskować stan roztopionego tworzywa: jego temperaturę, ciśnienie, naprężenia i inne – z zachowywania się maszyny. „Liczy się każda mikrosekunda, podczas sterowania szybkim procesem takim jak ten” – dodaje Choi.
Z tego powodu, gdy firma Husky rozpoczęła prace nad nową architekturą sterowania szybkich maszyn do produkcji butelek i opakowań, Choi wybrał standard EtherCAT jako nową magistralę komunikacyjną. „W tej chwili jesteśmy w trakcie implementacji EtherCAT” uzupełnia Choi. Stosując EtherCAT firma jest zdolna zapewnić czas reakcji w swoim systemie sterowania procesem na poziomie 100 μs. Choi zaznacza, że firma wybrała EtherCAT nie tylko z powodu szybkości działania sieci komunikacyjnej, lecz również dlatego, że ten standard przetwarza pakiet danych „w locie” bez używania koncentratorów lub innych urządzeń, które mogą wnosić dodatkowe opóźnienie do ogólnego czasu reakcji.
Nawet niewielka przewaga w wartości czasu cyklu może powodować duże różnice w świecie, gdzie próbuje się sterować szybkimi procesami, takimi jak formowanie wtryskowe. Na przebiegach powyżej widać wyraźną poprawę, w zapewnieniu wartości ciśnienia w procesie wtryskiwania, gdy czas cyklu sterowania zmniejsza się z 2 ms do 250 μs. |
|
Opracowania sprzętowe dla przemysłowego Ethernetu
W warunkach wyraźnej tendencji szybkiego wzrostu przemysłowego Ethernetu w najbliższych latach, dostawcy już rozpoczęli opracowywać koncentratory oraz sterowniki przeznaczone do sterowania aplikacjami w czasie rzeczywistym, zaprojektowane do pracy w Ethernecie.
Firma Rockwell Automation wykonała ostatnio duży krok w tym kierunku. Na odbywających się w ostatnim miesiącu targach automatyki firma przedstawiła linię zarządzalnych i niezarządzalnych przełączników dla przemysłowego Ethernetu, włącznie z modelami bazującymi na architekturze Catalyst firmy Cisco Systems. Zarządzane przełączniki w wersji modułowej jak i wbudowanej charakteryzują się zdolnościami, które powinny okazać się użyteczne w wysokowydajnych aplikacja sterowania ruchami poprzez Ethernet/IP. Zdolności te obejmują zgodne z IEEE 1588 synchronizację czasu i przydzielanie priorytetów przesyłom w sieci w celu zapewnienie wyższej jakości działania (QoS). Nowe koncentratory umożliwią ustawianie parametrów pracy oraz wykonywanie diagnostyki w ramach Zintegrowanej Architektury Rockwell’a. Firma przewiduje, że nowe koncentratory będą dostępne od połowy 2008r.
Inne niedawne opracowanie sprzętowe do pracy w czasie rzeczywistym pochodzi z firmy Innovasic Semiconductor, która opracowała 32 bitowy mikrokontroler z wbudowanymi opcjami do pracy z aplikacjami w czasie rzeczywistym. Mikrokontrolery typu „fido”, gdzie „fido” oznacza flexible input, deterministic output (elastyczne wejście, deterministyczne wyjście) charakteryzują się architekturą, która realizuje sprzętowo większość funkcjonalności czasu rzeczywistego zamiast polegać na oprogramowaniu RTOS. „Nazywamy to RTOS Kernel w jednym układzie scalonym”, mówi Dave Alsup, dyrektor ds. badań i rozwoju firmy Innovasic. Zbudowany na zestawie pięciu „sprzętowych kontekstów”, które pracują jak oddzielne, wirtualne CPU, RTOS Kernel realizuje operacje czasu rzeczywistego takie jak szeregowanie zadań, sterowanie priorytetami, ochrona pamięci i sterowanie zegarem.
Rezultatem tego jest niska fluktuacja i determinizm „nawet w obecności ruchu w sieci o niskim priorytecie”, mówi dr inż. elektryk Keith Prettyjohns prezes firmy Innovasic i wskazuje na ostatnie badania laboratoryjne, w których inżynierowie firmy Schneider Electric badali aplikacje Modbus/TCP o wysokim priorytecie na tle przesyłów w sieci Ethernet, wykonane na mikrokontrolerze fido 1100 i na procesorze ARM9. Według wyników wykonanych testów, mikrokontroler fido 1100 osiągnął w najgorszym przypadku czas oczekiwania 1,1 ms oraz fluktuacje 130 μs, podczas, gdy sterownik wykonany na procesorze ARM9 osiągnął w najgorszym przypadku czas oczekiwania 1,8 ms oraz fluktuacje 760 μs. Zwyciężył fido pomimo wolniejszego zegara 66 MHz w porównaniu z zegarem 133 MHz procesora ARM9.
Jak twierdzi Alsup, mikrokontroler fido posiada również inne cechy, które okażą się użyteczne w sterowaniu aplikacjami. Jedną z nich jest deterministyczna pamięć podręczna, która zapewnia ciągłe miejsce na przechowywanie elementów kodu, który musi być szybko wykonywany, przez co eliminuje się fluktuacje związane z chybieniami pamięci podręcznej. Inna cechą są możliwości programowalnych wejść/wyjść w formie czterech uniwersalnych sterowników wejść/wyjść (UIC). Każdy z nich może być tak zaprogramowany, aby obsługiwać różne protokoły wejść/wyjść. |
