EtherCAT pro centrální řízení pohybů

Firma Lenze proto při nejnovějším řešení architektury pro controller based zvolila EtherCAD jako systémovou sběrnici a sběrnici pro připojení pohonu. Tím je k dispozici doladěný kompletní paket, se kterým je možné realizovat i nejnáročnější víceosé aplikace velmi efektivně a cenově výhodně.

CAN si již řadu roků drží pozici spolehlivé datové sběrnice, která využívá relativně snadno pochopitelný protokol, jejíž cena za uzel je velmi nízká a stále ještě představuje dobrou volbu pro širokou škálu automatizačních prvků s rozhraním CAN. To je výhodné, pokud jde o síťové propojení malých a středních strojů s několika osami. Jestliže však stroj s centrální architekturou řízení má koordinovat pohyby většího počtu os, naráží CAN rychle na své meze. Zřetelně je to vidět například na zhoršení dosažitelného minimálního času cyklu při rostoucím počtu účastníků sběrnice. Zatímco u CAN už přidání čtvrté osy v praxi vede k půlení minimálního času cyklu a případně vyžaduje druhý segment sběrnice, při použití EtherCAT téměř neexistují sběrnicí způsobené (pro praxi relevantní) meze, které by závisely na počtu účastníků sběrnice.

Důvod, který rozhoduje o zvláštní vhodnosti EtherCAT jako sběrnicového systému Motion Control, je třeba hledat v architektuře a uspořádání sběrnice, případně protokolu.

EtherCAT pracuje v zásadě na principu Master-Slave a využívá kruhovou strukturu (jak je známa ze sběrnice InterBUS). To znamená, že Master (například řídicí jednotka) vyšle telegram. První slave (pohon, I/O atd.) v kruhu odebere při průchodu pomocí speciálního hardwaru požadované hodnoty, případně přidá skutečné hodnoty, a posílá telegram hned na další místo v kruhu, a to ještě dříve, než začne vlastní zpracování obdržených dat nebo příkazů. Právě toto zpracování „on the fly“ dovoluje extrémně krátké časy průchodu na každou jednotku slave, které leží v řádu několika mikrosekund. U EtherCAT je výhodné také to, že protokol je sestaven tak, že největší část použitelné šířky pásma je k dispozici pro uživatelská data – protože pro každého účastníka (pří-padně pro každé datum) není vysílán vlastní telegram, ale často postačí jediný telegram pro cyklus, dovoluje EtherCAT z principu zvláště efektivní využívání média Ethernet.

Pro realizování dynamických synchronizovaných pohybů v mnoha osách je mechanismus syn-chronizace nejméně stejně důležitý jako velká šířka pásma a krátké doby průchodu. EtherCAT zde sáhl po principu rozdělených hodin (Distributed Clock, DC). Přitom se čas „hlavních hodin“, který je v kruhu fyzicky realizován prvním účastníkem sběrnice se schopností generování DC, přenáší po sběrnici k „vedlejším hodinám“. Vysoká přesnost synchronizace, která je výrazně pod hodnotou 1 ms, je dosažena kompenzováním doby průchodu dodatečnou regulací vedlejších hodin.

Dalším kladným bodem, který oceňují zvláště výrobci řídicích jednotek, je, že u EtherCAT není pro realizaci účastníka Master nutný speciální hardware, ale je vyžadováno standardní rozhraní Ether-net a příslušný software. Mnohým výrobcům automatizačních komponent také pomáhá, že Ether-CAT nabízí CAN application layer over EtherCAT (CoE). S tím je na straně výrobce výrazně usnadněna migrace (přizpůsobení firmwaru a hardwaru) s CAN na EtherCAT. Pro zkušené uživatele, kteří používají CAN open, znamená použití CoE zkrácení času na zapracování, protože známé datové struktury CAN open jako servisní datové objekty (SDO) nebo procesní datové objekty (PDO) jsou také používány v CoE.

Určitě i tyto skutečnosti vedly k vysoké akceptanci EtherCAT v průmyslu, což je pro uživatele nebo výrobce strojů důležitý fakt. Mimo jiné tak i společný stánek ETG (EtherCAT Technology Group) na veletrhu SPS/IPC/DRIVES názorně předvedl každému návštěvníkovi, že EtherCAT dosáhl v průmyslu rozšíření a podpory, pro něž se jen stěží hledá srovnání.

S ohledem na tyto mimořádné vlastnosti EtherCAT se firma Lenze rozhodla u pohonného a automatizačního paketu pro průběžné centrální řízení pohybu vsadit na tuto sběrnici. Proto je Controller 3200 C, jenž je navržen pro víceosé aplikace platformy Motion Control, z výroby vybaven s rozhraním EtherCAT, stejně jako nejnovější pohonný systém Servo-Inverter i700. K řídicí jednotce lze přímo připojit I/O-System 1000, který také může být bez problémů připojen do architektury odděleně přes EtherCAT-Buskoppler.

To znamená, že jak pohony, tak i vstupy/výstupy (I/O) jsou pro řízení zcela transparentní. Tím je možné zjednodušit konstrukční práce a uvádět výrobní zařízení do provozu, stejně jako realizovat rozšířené koncepty diagnostiky a dálkové údržby.

Jestliže uživatel sáhne po paketovém řešení od Lenze, obdrží nejen obvyklou vysokou kvalitu, ale přijde také na chuť dodatečným výhodám, které vyplývají z průběžnosti a transparentnosti architektury.

Pomocí PLC Designeru (projektového a konstrukčního prostředí pro Controller-based Automation) může uživatel realizovat aplikace řízení a pohonů pomocí jediného nástroje. Kromě toho je možné stejným nástrojem provádět kompletní nastavení parametrů vstupů/výstupů (I/O) a pohonů i700 a jejich uvádění do provozu. Navíc jsou v PLC Designeru dostupné všechny technické údaje motorů Lenze, takže je možné optimálně nastavit regulátory točivého momentu. Jestliže tyto údaje výjimečně chybí, mohou být stanoveny automaticky provedením identifikace motoru. Je zde také možnost automatického nastavení kompenzace chyby u resolveru. Posouzení a optimalizace nastavení je podpořena funkcí osciloskopu v invertoru. Tak je možné dosáhnout nejlepšího možného nastavení regulace obratem ruky.

Dalším příkladem pro výhody plynoucí z průběžnosti a transparentnosti, kterými se vyznačuje sou-hrnný paket Lenze pro Controller-based Automation, je centrální elektronický provozní deník (Logbuch). V něm jsou protokolovány veškeré události na připojených měničích. Takto může obsluha nebo vlastní servisní personál kdykoliv a s minimálními náklady získat přehled o stavu stroje.

Centrální ukládání dat a možnost přístupu až k jednotlivým pohonům využívá firma Lenze také k tomu, aby zjednodušila a zrychlila uvádění stroje do provozu i jeho údržbu. Sady parametrů a případně firmware pro připojené pohony i700 jsou uloženy v řídicí jednotce. Proto není nutné před montáží nebo výměnou přístroje nahrávat software do pohonů, ale software se nahraje automaticky z řízení. To znamená, že pohon dostane bez manuálního zásahu všechny softwarové komponenty a data nutná pro provoz, jakmile se přístroj po provedení montáže nebo po výměně ohlásí při ro-zběhu stroje řídicí jednotce. To nejenže zkrátí čas pro uvedení do provozu, ale také dovoluje vyměňovat přístroje a uvádět je do provozu personálu bez speciálních znalostí.

Právě pro sériovou výrobu je zajímavá další význačná vlastnost řešení Controller-based Automation od Lenze. Uvedení do provozu může být provedeno pomocí připravené přenosné USB paměti, v níž je uložen software jak pro řízení, tak pro připojené periferní přístroje (např. I/O 1000, pohony i700). Po připojení paměti k řízení je nutné stroj znovu spustit, aby provedl automatické nahrávání softwaru. Personál, který uvádí stroj do provozu, nemusí provádět žádné další zásahy.

Jestliže má stroj koordinovaně ovládat větší počet os, nabízí se centrální řízení pohybů v kombinaci s výkonnou sběrnicí EtherCAT. Zvláště důležité přitom je, že prvky pohonného a automatizačního systému jsou zde navzájem dobře sladěny. Jen tak je možné využitelný výkonový potenciál stroje vyčerpat, případně se vyhnout zbytečným nákladům. Lenze má v programu na míru řešené automatizační portfolio pro architekturu controller based, které optimálně doplňuje nejnovější pohonný systém Servo-Inverter i700 pro víceosé aplikace. Tím je možné velmi efektivně a cenově výhodně realizovat výkonné víceosé aplikace.

Sören Mirbach

Lenze

petr.pesek@lenze.com

www.lenze.cz