עדכון עודות EtherCAT עבור 2021

יסודות ה-Ethernet עבור טכנולוגיית האוטומציה של בקרה (EtherCAT) נוסדו לפני קרוב ל-40 שנים. כיום, מערכת ה-Fieldbus מבוססת ה-Ethernet מוגדרת סטנדרטים ב-IEC 61158 והיא חיונית במערך רחב של יישומי אוטומציה תעשייתית מתקדמים.

איור 1: זהו הלוגו הסטנדרטי של EtherCAT. (מקור תמונה: EtherCAT Technology Group)

באמצע שנות ה-80, מספר יצרני אוטומציה ראו את התפתחות ה-Ethernet‏ ותהו אם ניתן למנף את היתרונות שלו על רצפת הייצור. חלקם, שהיה להם ניסיון עם מערכות בקרה מבוססות PC, ידעו שחומרת ה-Ethernet לא הוקשחה עבור יישומים תעשייתיים. יותר בעייתי היה שפרוטוקול ה-TCP/IP וכוח המחשוב של אותם ימים היו איטיים מדי עבור האוטומציה המתקדמת ביותר. בנוסף, נתונים על Ethernet‏ לא היו דטרמינסטיים. מצד שני, היה גידול אקספוננציאלי במספר הצמתים המותקנים - וחיבור Ethernet היה פשוט כל כך (אם אפשר היה להתגבר על המגבלות שלו) שגישת Ethernet הייתה יכולה להיות ארכיטקטורה פרקטית יקרה הרבה פחות מ-fieldbuses קיימים.

איור 2: לוח LAN9252 DIGIO זה ‏הוא התקן EtherCAT שניוני חומרה-בלבד, שיכול לעבוד ללא יחידת מיקרו-בקר מצורפת. הלוח מאפשר חיבור שתי רשתות לשקעי RJ45 או ממשקי סיב-אופטי עבור תקשורת דרך מודול SFP. לוח זה מסופק לפני קביעת תצורה ובזמן הפעלה יראה למארח כ-EtherCAT שניוני. (מקור תמונה: Microchip Technology)

מקורות מוקדמים ואלמנטים של ליבה של EtherCAT

שיפור מוקדם אחד ל-Ethernet היה הקשחת החיבור תקע‏ RJ45 לכבל-כחול. עבור שימוש בסביבה תעשייתית, מחבר זה נדרש ליצור חיבור קשיח ואטום למים, מסוגל לעמוד בשחיקה, מכות ומחזורי כיפוף מרובים. יצרני כבלים, שראו ב-Ethernet טכנולוגיה ‏בעלת יכולות, התחילו להכניס לשימוש מחברים כאלה - בתחילה עבור Ethernet תעשייתי (IE) מבוסס על הפרוטוקול הסטנדרטי TCP/IP ועבור סטנדרט שבעת-השכבות Open Systems Interconnection‏ (OSI), שהיו כבר בשימוש.

איור 3: כבלי Ethernet תעשייתי מבטיחים תמסורת נתונים בלתי מתפשרת ויש להם מבנה מוקשח חסין-שחיקה כדי למנוע זמן הדממה יקר ולשמור על עבודת מכונה בטוחה ומאובטחת. (תמונת מקור: Getty Images)

חיבורים פיזיים כגון אלה השלימו צורות חדשות של בקרות תעשייתיות עם כרטיסי איסוף-נתונים על לוחות-האם שלהן — והיו מסוגלים לטפל בנתונים ולספק אותות בקרה עבור תהליכים פשוטים. זה היה צעד לוגי ראשון בכיוון שימוש יתר ב-Ethernet‏ באוטומציה ועבור אירועים שאינם קריטיים בזמן (או משתני תהליכים כגון טמפרטורה, זרימה ולחות, שמשתנים לאט למדי). עבור סידורים כאלה זה עבד באופן מספק.

אולם, בקרת אוטומציה מבוססת מחשבי PC הייתה עדיין מחוץ להישג יד: התנגשויות של חבילות ספרות בינאריות גרמו לתזמון לא-עקבי ולא ניתן היה לסנכרן משימות עם תזמון של חלקי-שניה שהיה דרוש עבור פעולות מתקדמות יותר - כמו בדיקת בקבוקים בפס ייצור מהירות-גבוהה או פעולת סכין-מתעופפת במכונת אריזה. אוטומציה ברמה זו דרשה גישה חדשה ומספר יצרנים באו עם פתרונות שונים. הפתרון שאומץ באופן הנרחב ביותר היה EtherCAT.

ה-EtherCAT, שהושק בפעם הראשונה ב-2003, היה (ועודנו) בעל זמני המחזור מהמהירים ביותר של אפשרויות תקשורת מבוססות Ethernet, כך שהפך במהירות לארכיטקטורת רישות ובקרה מועדפת עבור אוטומציה של מפעלים. אזהרה אחת: לקבל את המרב מ-EtherCAT (כדי למלא דרישות אוטומציה תעשייתית של מהירות ודטרמיניזם) דרוש שהאפיק יושלם בחומרת בקרה מהירה; שבמקרים רבים מסתמכת על מעגלים משולבים ייחודיים-ליישום או ASICs בתוך פונקציונליות ה-EtherCAT של טיפול בבקרות.

מבנה בסיסי של EtherCAT עבור דטרמיניזם

EtherCAT משתמש במבנה הטלגרמה (מברק) של נתוני Ethernet כדי לכונן בקרה ראשית ראשונית ומערכת היחסים שלה עם חיישנים ומפעילים (actuators) של צמתים שניוניים ברצפת הייצור. רכיבי ASIC קטנים ובלתי-יקרים אלה נמצאים בכל צומת כדי להגביר את הביצועים של קונפיגורציה זו.

איור 4: בקרים שניוניים TMC8462 EtherCAT עם שכבות פיזיקליות (PHYs) של ‎100 Mb‏ הם בעלי יכולת תקשורת זמן-אמת. ספק-הכוח מייצב-מתג-כפול שלהם וכניסות/יציאות של ‎24 V משלימים את המהירויות בתנאי סביבה תעשייתיים. בקרי ה-MC8462 השניוניים בדרך כלל מזווגים עם יחידות ראשוניות Watchdog,‏ PWM ו-SPI/I²C עבור יכולות מתקדמות במצב אמולציית-התקן או עם CPU חיצוני. (מקור תמונה: TRINAMIC Motion Control)

כך זה עובד: טלגרמה (מברק) רצה לאורך טופולוגיה טבעתית של EtherCAT, מתחילה בבקר הראשוני ועוברת את כל הצמתים. בכל צומת קיימות הוראות מוכנות לפריקה כמו גם חבילות נתונים המוכנות להוסיף את המידע שלהן לטלגרמה. מבלי להאט כשהטלגרמה עוברת דרך הצומת, ה-ASIC‏ של כל צומת מארגן חילוף מידע מהיר ולאחר מכן הטלגרמה מאיצה לצומת הבא. ברגע שהיא עברה סיבוב שלם, הכל מעודכן בתוך הבקר וחבילת נתונים אחרת נשלחת לאורך המסלול. תכנית זו היא אינהרנטית למבנה ה-EtherCAT ומונעת התנגשויות חבילה תוך הבטחה שנתונים זמינים מידית לבקר בסוף כל מחזור. רק הראשוני (הבקר) מורשה לשחרר טלגרמה.

דוגמה זו משתמשת בטופולוגיה טבעתית, אבל היא מערכת דופלקס-מלא, כך שאם הצומת האחרון בסגמנט פתוח, אותו צומת שולח את החבילה חזרה במעלה הקו לראשוני.

כדי להבטיח נתונים דטרמינסטיים, EtherCAT משתמש בשעון מבוזר. כאן, הבקר הראשוני שולח חבילה לכל הצמתים, שבתגובה נועלים את השעון הפנימי שלהם פעמיים — פעם ראשונה כשהחבילה מתקבלת ולאחר מכן שוב כשהיא חוזרת לראשוני. שגרה כזאת (שבעצם ניתנת לחזרה מספר פעמים) מספקת מדידה ישירה של שיהוי ההתפשטות המשויך עם כל צומת. אחר כך שיהויי התוצאה המחושבים נטענים בשעון היסט (Offset). לבסוף, הראשוני קובע את הצומת הראשון בסדרה כשעון ייחוס עבור כל שאר הצמתים על האפיק.

ניתן להגדיר EtherCAT כך שיעדכן שיהוי זה באופן תקופתי, או אפילו בכל מחזור. השילוב של זמני מחזור מהירים והשעון המבוזר מאפשר למערכת כולה לעבוד עם ריצוד נמוך מ-0.1‎ msec, בקצב נתונים של ‎100 Mbit/sec, יכולת המספיקה עבור מרבית המשימות התעשייתיות.

איור 5: מפתח לבקרה עם ביצועים-עיליים של מכונות אוטומטיות הוא זמן תגובה מינימלי יחד עם איסוף ערכים ויציאה דטרמיניסטיים. אין זה משנה מתי בדיוק מתרחשים חישובים ותקשורת — כל עוד תוצאות זמינות ברכיב היציאה לפני היציאה הדרושה הבאה. EtherCAT מספק פונקציונליות זו כך שעם כניסה מסוימת (איסוף ערך) לתוך חוג בקרה EtherCAT בדיד, ערך זה עובר (תקשורת) לבקר, שלאחר מכן מחשב תגובה. (מקור תמונה: EtherCAT Technology Group)

ל-EtherCAT יש מאפיין ניהול זמן מובנה נוסף גם כן. חיישנים, מפעילים (Actuators‏) ומערכות מסוימים תלויים באופן קריטי בבקרה בזמן-אמת; מנועי סרוו, ציוד בטיחות ומעליות הם רק מספר דוגמאות. ניתן להקים מערכות EtherCAT כדי לתמוך ברכיבים ומערכות אלו על ידי מתן הרשאה לתכנות הבקר הראשוני של המערכת לתת עדיפות לנתונים קריטיים. בעקבות כך רכיבים פחות קריטיים יקבלו פחות בקשות ועדכוני נתונים, בעוד שרכיבים קריטיים יקבלו בקשות ועדכוני נתונים לעתים קרובות יותר.

תאור המאפיינים החדשים ביותר של EtherCAT בסדר כרונולוגי

מוצאו של ליבת ה-EtherCAT הוא ב-Lightbus של Beckhoff Automation (הושק ב-1989) ו-Fast Lightbus (משתמש בכבלי Ethernet) ב-2003. בשנת 2005 פורסמו מפרטי ה-EtherCAT וב-2007 אוגדו ב-IEC 61158 כתקן Fieldbus. עם תקן בינלאומי מוסדר, Beckhoff ויצרנים אחרים היו מהירים לפתח חומרה פיזית ותוכנה כדי למנף יכולות EtherCAT תוך שמירה על תאימות לאחור.

מנהל תקן ה-EtherCAT הוא EtherCAT Technology Group‏ (ETG) - קבוצת תעשייה של יצרני OEM‏ ומשתמשי קצה החולקים פיתוחים ומבטיחים את יכולת הפעולה ההדדית (Interoperability) של התקנים תואמים EtherCAT. בין דברים רבים נוספים, קבוצה זו פיתחה ‏בוחן תאימות שנקרא Conformance Test Tool‏ (CTT) עבור בדיקה שהתקנים חדשים עומדים בתקני יכולת הפעולה ההדדית (Interoperability).

אימוץ נרחב של EtherCAT על ידי רשימה ארוכה של תעשיות תומך בחדשנות המתמשכת שלו.

2008: שעונים מבוזרים עם XFC — מאפיין התזמון המבוזר, שהוא כל כך מרכזי לפעולה של תקשורת EtherCAT, נידון בקטע הקודם של מאמר זה. אף על פי כן, כדאי להוסיף ששעון ה-EtherCAT המבוזר הוא חלק מטכנולוגיית eXtreme Fast Control‏ (XFC) של Beckhoff הדורש שלכל התקני EtherCAT יהיו השעונים שלהם שמסתנכרנים ברציפות עם כל השעונים האחרים במערכת ה-EtherCAT. ה-EtherCAT מפצה עבור ההבדלים בזמני ריצת תקשורת של הרכיבים השונים, כך שסטייה בין שעונים נשמרת מתחת ל-‎100 nsec. נתונים עם חותמת-זמן משמשים לשיפור התזמון של פרמטר בקרה ספציפי בטלגרמה בודדת. שעון המערכת המבוזר מבטיח שכל שעוני המערכת מסונכרנים עד כדי פחות מ-‎,100 nsec והתזמון של ארוע בקרה מוגבל באופן נורמלי על ידי זמן המחזור. עם XFC, נתונים עם חותמת-זמן מאפשרים הפעלה (ואירועים) בין מחזורי נתונים עבור בקרה מהירה ומדויקת ביותר — ובקצב דגימת נתונים של 200‎ kHz עבור רעש נתונים מינימלי.

איור 6: שער (gateway) זה מאפשר את החיבור של רכיבים טוריים RS-232/422/485 למערכות בקרה EtherCAT. מכונה ה-Anybus Communicator, הוא מבצע המרת פרוטוקול חכמה כדי לשלוח נתונים טוריים ל-PLC הראשוני או לבקר כנתוני I/O פשוטים. (מקור תמונה: HMS Connecting Devices)

שנות ה-2010: סביבות שונות של תוכנת-פיתוח EtherCAT — השקה התחלתית של EtherCAT דרבנה שחרור של תוכנה כדי להקל על אינטגרציה, עם היצע של מערך תוכנה נרחב עם מודולים, כדי לפשט את האינטגרציה של פונקציות אוטומטיות ספציפיות ליישום. הראשונים מהמודולים האלה היו מיועדים עבור תעשיית המכונות לעיבוד שבבי ובקרות ה-PLC,‏ NC,‏ CNC והרובוטיקה שתעשייה זו דורשת. כיום, תוכנה המסייעת לשימוש ב-EtherCAT תואמת יותר ויותר עם קוד IEC 61131-3, כמו גם תכנות בסביבות ++C/C,‏ Visual Studio,‏ MATLAB‏ ו-Simulink. הפיתוח המאוחר יותר מאפשר בנייה, סימולציה ומיטוב של מערכות בקרה לפני מימוש.

2011: כבלי EtherCAT לפישוט אספקת-כוח ונתונים לצירי סרוו — במשך שנים, אינטגרטורים של מערכות תנועה (נפוצות באוטומציה) התלוננו אודות העובדה שצירי סרוו דורשים כבלים מרובים עבור בקרה, אספקת-כוח ומשוב. שימוש בכבל יחיד עבור נשיאת כוח וסוגי אותות מעורבים ברמות מתח שונות יכול ליצור רעש אותות, העתקות של רמות וערב-דיבור (crosstalk). אבל בערך לפני 10 שנים, ספקים של רכיבי תנועה (עם תשומת לב זהירה למעטה כבל, סיכוך, הקטנת קיבוליות ומידות מוליכים כמו גם סידורם) התחילו להביא לשוק פתרונות כבל EtherCAT כבל-יחיד (כוח ונתונים). כיום היצעים אלה (כמו כבל EtherCAT P) משרתים צירי מנוע סרוו כמו גם התקני שדה תואמים אחרים.

2014 עד 2017: תמיכה נוספת במערכות מרובות-צירים וראיית-מכונה — שנים אלו ראו תוכנת EtherCAT המאפשרת את הגיבוב של חומרה עבור הרחבה של התקנות מרובות-צירים, עם מערך של פונקציות בטיחות מובנות (כגון STO,‏ SOS,‏ SS1,‏ SS2) שימושיות ביותר בתחומי הרובוטיקה ותפעול Pick-and-Place, שדורשים התפרסות גמישה ומודולרית. שנים אלו ראו גם יותר תמיכה בראיית-מכונה מבוססת EtherCAT — התאמה טבעית עם מתודולוגיית עיבוד מהירות-גבוהה אינהרנטית של EtherCAT התומכת בקלות בדרישות נתוני זמן-אמת של ראיית-מכונה. תוכנה מסוימת אפילו מאפשרת שילוב ישיר של משימות ראיית-מכונה בתכנות מכונות עבור בקרה מבוססת EtherCAT לביצוע משימות פיקוח פשוטות, רובוטיקה ובקרת-איכות.

2018: גרסאות EtherCAT מהירות יותר עם תאימות לאחור — EtherCAT G‏ (עם מהירויות של ‎1 Gb/sec) ו-EtherCAT G10 (עם מהירויות עד 10‎ Gb/sec) משלימים בקרי אוטומציה הולכים ומתחזקים בשוק תוך כדי אפשור שימוש במבנים של EtherCAT מקורי. עם רשתות אלו, כל התהליכים זהים לאיטרציות המקוריות של EtherCAT (כולל מערכת השעון המבוזרת), אך העוקץ כאן הוא שהתקני שדה מסוימים קשה להם להתמודד עם זמני המחזור המהירים יותר. הפתרון לבעיה זו הם בקרי הסתעפות EtherCAT (צמתי חיבור) כדי להתאים לחוגי 1‎ Gb/sec כמו גם למערך של חוגי ‎100 Mb/sec.

מאז 2018: אפשרויות חומרה ותוכנה EtherCAT נוספות ותמיכת IoT— השנים האחרונות זרזו את ההשקה של מערכות משולבות ורכיבים תעשייתיים מרושתים EtherCAT. הן גם ראו תוכנה עם מודולים של למידת-מכונה הממנפת EtherCAT — יחד עם הנדסה מבוססת-ענן וגישה באמצעות שערים (Gateways) תומכי EtherCAT. זה אומר שמשתמשי קצה שבבעלותם מכונה מרושתת EtherCAT או משתמשים במכונה כזו יכולים עתה להחליף קוד מקור, לבצע סימולציה של מערכת ואפילו למנף מידע של מכונה עבור ניתוחי IoT, אופציות שהן שימושיות במיוחד עבור משתמשי קצה המפעילים מכונות באתרי ייצור נפרדים גאוגרפית. עד אמצע אוגוסט 2020 הונפקו לחברות יותר מ-3,000 תעודות חבר ב-ETG.

מסקנה

לפני כמעט 40 שנים, תעשיית האוטומציה התעשייתית התחילה לחפש דרכים למנף את הפופולריות והיכולות של ה-Ethernet עבור תקשורת תעשייתית. כיום תקשורת ובקרה מבוססות Ethernet הן הכל חוץ מאקזוטיות — ובמסגרות רבות הן משמשות כסטנדרט הזהב. שילוב המאפיינים של EtherCAT מעניק לו את אחד מיחסי הביצועים-לעלות הטובים ביותר מכל האפיקים מאופשרי ה-Ethernet הקיימים בשוק היום. EtherCAT, עם התמיכה שלו בתפיסות התקנה של Industry 4.0 ו-IIoT, יישאר חיוני עבור טרנספורמציות עתידיות של אוטומציה.