EtherCAT® ist ein von Beckhoff entwickeltes Hochleistungs-Ethernet-basiertes deterministisches Netzwerkprotokoll. Es hat sich in der Industrie bewährt, eine deterministische Hochgeschwindigkeitssteuerung mit Standard-100-Base-T-Hardware zu liefern und blitzschnelle, konsistente Ergebnisse in anspruchsvollen Anwendungen zu erzielen. EtherCAT ist eine offene Technologie, was bedeutet, dass jeder die Technologie nutzen, implementieren und davon profitieren kann. Infolgedessen sind EtherCAT-Servoantriebe zu einem wesentlichen Bestandteil der Motion-Control-Branche geworden.
EtherCAT ist für alle unsere verfügbar FlexPro™ Familie und viele von uns DigiFlex® Leistung™ (DP-Familie) digitale Servoantriebe, die im Drehmoment-, Geschwindigkeits- und Positionsmodus arbeiten und eine vollständige Tuning-Steuerung aller Servoschleifen bieten, um die höchste Leistung für Ihre Anwendung zu erzielen.
EtherCAT-fähige Servoantriebe zur Leiterplattenmontage werden ebenfalls verwendet ADVANCED Motion Controls einzigartige, proprietäre Hochgeschwindigkeits-Mehrachsen-Kommunikationsschnittstelle und E/A-Erweiterungsfähigkeiten ('DxM'™- und 'DxI/O'™-Technologien). Jetzt ein einzelnes EtherCAT® node kann eine Kombination von bis zu 4 Bewegungsachsen mit jeweils 32 digitalen Eingängen, 32 digitalen Ausgängen, 4 analogen Eingängen und 2 analogen Ausgängen aufnehmen. Das Ergebnis ist eine hochintegrierte hochwertige Bewegungssteuerungslösung für Ein- oder Mehrachsanwendungen.
ADVANCED Die Plug-in-Modul-EtherCAT-Servoantriebe von Motion Controls wurden als Gewinner der jährlichen Golden Mousetrap Awards von Design News in Anerkennung unserer technischen Innovation und Kreativität im Produktdesign ausgezeichnet! ADVANCED Motion Controls neueste Servoantriebsfamilie, FlexPro™, war die erste Servoantriebsfamilie, die von Anfang an mit EtherCAT konzipiert wurde® im Kopf.
Vorteile von EtherCAT®
Maximale Bandbreitennutzung
Das grundlegende Prinzip von EtherCAT ist das Pass-Through-Lesen. Im Gegensatz zu anderen Protokollen, bei denen der Master jeden Knoten einzeln abfragt, sendet EtherCAT eine einzelne Nachricht an einen Knoten, die dann an den nächsten Knoten und nachfolgende Knoten weitergegeben wird, bis alle Knoten im Netzwerk die Nachricht erhalten haben. Dies funktioniert, weil die Nachricht die Informationen und Anweisungen für alle Knoten im Netzwerk enthält. Jeder Knoten liest und antwortet nur auf seine eigenen Daten, und jeder Knoten kann auch Informationen an den Master zurücksenden, indem er Daten in die Nachricht einfügt, während sie durchläuft. Beispielsweise kann es der Nachricht Positions-, Geschwindigkeits- und Statusinformationen hinzufügen. Die hinzugefügten Daten werden vom Master gelesen, sobald die Nachricht alle Knoten durchlaufen hat und zum Master zurückkehrt.
Wenn die Nachricht wieder beim EtherCAT-Master ankommt, hat jeder Knoten im Netzwerk neue Eingangsdaten vom Master erhalten und neue Ausgangsdaten an den Master zurückgesendet. Ein EtherCAT-Netzwerk kann mit einer Eisenbahn verglichen werden, bei der jede Station Waggons aus- und wieder beladen kann, während der Zug in Bewegung bleibt. Ohne den Mangel an kleinen Payloads oder Nachrichten, die an bestimmte Knoten gerichtet sind, kann ein EtherCAT-Servoantriebsnetzwerk eine maximale Bandbreitennutzung erreichen.
Geschwindigkeit und Echtzeit
Alle EtherCAT-Pakete werden vom Master in Vollduplex-Übertragung generiert und versendet. Alle EtherCAT-Motorsteuerungen in einem Netzwerk können Daten aus dem vorbeilaufenden EtherCAT-Paket mit nur einer kurzen konstanten Verzögerung (normalerweise weniger als 500 ns) für jedes Slave-Gerät lesen und schreiben (unabhängig von der Größe des Pakets). Typischerweise kann eine große Anzahl von Slaves mit nur einem Paket untergebracht werden, wodurch die Bandbreitennutzung optimiert und die Unterbrechungsraten verringert werden. Eine Studie zeigte eine minimale Zykluszeit von 50 Mikrosekunden in einem Gigabit-Netzwerk mit 50 Geräten und 100 Byte Nutzlast pro Gerät. Selbst bei diesem Beispiel, bei dem die Anzahl der Knoten und die Nutzlast viel höher sind als bei einem typischen Servosystem, sind die Zykluszeiten immer noch schneller als die Aktualisierungsraten der Positionsschleife und der Stromschleife der Servoantriebe. Das bedeutet, dass das Netzwerk schneller arbeitet als die Bewegungssteuerungsschleifen, was eine echte Echtzeitleistung gewährleistet.
EtherCAT ist schnell genug, um entweder mit verteilter oder zentralisierter Steuerung zu arbeiten
Verteilte Kontrolle
Bei verteilter Bewegungssteuerung arbeiten die Servoantriebe im Geschwindigkeitsmodus oder Positionsmodus (im Gegensatz zum Drehmomentmodus). Dadurch kann sich der primäre Controller auf die äußeren Regelkreise konzentrieren und die Servoantriebe sich um die inneren Regelkreise kümmern. Das Ergebnis ist ein geringerer Rechenaufwand, der für den Controller erforderlich ist, um die Bewegung zu befehlen und zu steuern, da die Servoantriebe einen Teil der Verantwortung teilen, indem sie den Geschwindigkeitsregelkreis und/oder den Positionsregelkreis schließen. Außerdem wird der Netzwerkverkehr zwischen den Servoantrieben und der Steuerung reduziert, da weniger Befehle gesendet werden müssen.
Der Netzwerkverkehr kann weiter reduziert werden, wenn die Laufwerke im PVT-Modus arbeiten. In diesem Modus werden den Antrieben eine Reihe von Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitwerten gesendet. Jeder PVT-Punkt definiert, dass sich der Motor zu einem bestimmten Zeitpunkt an der festgelegten Position befindet und sich mit der festgelegten Geschwindigkeit bewegt. Die „T“-Elemente der PVT-Punkte können über 10 Millisekunden verteilt werden, wodurch der Netzwerkverkehr stark reduziert wird. Die Antriebe interpolieren dann zwischen den Punkten. Mehrere PVT-Punkte können an den Servoantrieb gesendet und in einem Puffer gespeichert werden, um zu den entsprechenden Zeiten verbraucht zu werden. Bei PVT übernehmen die Antriebe alle Bewegungssteuerungsaufgaben, und die Steuerung definiert nur den Bewegungspfad. Langsamere Netzwerke wie CANopen können stark von der PVT-Steuerung profitieren. Mit EtherCAT ist das Netzwerk schnell genug, um entweder mit zentralisierter oder verteilter Steuerung zu arbeiten, wobei es dem Systemdesigner überlassen bleibt, welche Art von Steuerung er wünscht.
Zentralisierte Steuerung
Bei der zentralisierten Steuerung sendet die Steuerung Drehmomentbefehle an die Motortreiber und schließt alle Schleifen. Der Overhead in Bezug auf Rechenanforderungen und Netzwerkverkehr ist bei zentralisierter Steuerung viel höher als bei verteilter Steuerung. Glücklicherweise ist EtherCAT leicht schnell genug, um mit einem zentralisierten Steuerungsschema zu arbeiten. Also, was ist die Auszahlung? Warum mit zentraler Steuerung arbeiten? Bei Hochleistungsanwendungen möchten Systemdesigner möglicherweise spezialisierte Steueralgorithmen, Filter oder Feedforward verwenden oder Bewegungspfaden genauer folgen als mit interpolierten Bewegungen. Die zentralisierte Steuerung gibt dem Systemdesigner die vollständige Kontrolle über die Bewegungssteuerung im System.
Reduzierte Verkabelung für I/O, Feedback und Peripheriegeräte
Vor Hochgeschwindigkeitsnetzwerken in der Bewegungssteuerung mussten die Feedback- und Signalkabel von den Motoren und anderen Geräten den ganzen Weg zurück zur Steuerung führen. Wenn Sie sich eine herkömmliche zentralisierte Mehrachsensteuerung ansehen, wundern Sie sich nicht, wenn Sie 50 bis 100 Klemmen für alle Signalkabel vorfinden. In einem herkömmlichen System benötigt jede Servoachse mindestens 11 Drähte, um zum Controller zurückzukehren:
Encoder mit differentiellen Signalen – A, B, I, Leistung = 8 Drähte
Befehlssignal = 2 Adern
Sperrleitung = 1 Drähte
Zum Beispiel: Ein Roboterarm mit 3 Bewegungssteuerungsachsen kann leicht zu einem Verkabelungs- und Zuverlässigkeitsalptraum werden. Mit den integrierten Servomotoren und Antrieben, die in jedes Gelenk eingebettet sind, müssten Sie mindestens 33 Drähte den Arm hinunter und in die Steuerung führen. Wenn das Kabelbündel das Schultergelenk erreicht, ist es am größten und hat die meisten Drähte. Das gesamte Bündel muss dennoch zuverlässig sein und allen Biegungen und Verdrehungen des Arms standhalten. In einem echten Roboterarm liegt die Zahl tatsächlich eher bei 50-75, wenn man Bremsrelais, Sensoren, Servoantriebsleistung und andere Komponenten berücksichtigt. Jeder zusätzliche Draht verringert die Zuverlässigkeit und erschwert die Installation.
Glücklicherweise ist dies bei Hochgeschwindigkeitsnetzwerken wie EtherCAT kein Problem mehr. Die Anzahl der Signaladern kann für das EtherCAT-Signal plus Logikleistung bei Bedarf auf 6 reduziert werden. Mit den integrierten Servomotoren und Servoantrieben an jedem Armgelenk können die EtherCAT-Servoantriebe als Schnittstelle zwischen allen Peripheriegeräten und der Steuerung fungieren. Die Geräte müssen nicht einmal EtherCAT-kompatibel sein, solange sie mit dem Servoantrieb kompatibel sind. Jedes Signal, das der Servoantrieb sieht, kann interpretiert und an die Steuerung gesendet werden. Einschließlich Motorposition, Geschwindigkeit, Motorstrom und E/A-Status. Sogar analoge Sensoren können als Netzwerk-I/O verwendet werden, indem die analogen Eingänge an den Servoantrieben verwendet werden. Der A/D-Wandler des Antriebs kann das analoge Signal in ein digitales umwandeln und dann den Wert über EtherCAT an die Steuerung senden.
Leistungen
- Basierend auf Standard-Ethernet für 100baseT
- Echtzeit bis auf die I/O-Ebene
- Mehrere Topologien möglich – Linie, Stern, Baum, Daisy-Chain, Stichleitungen – können in beliebiger Kombination verwendet werden
- Erfordert keine spezielle Ethernet-Hardware – Standard-Netzwerkschnittstellenkarten (NIC) können verwendet werden
- CANopen over EtherCAT (CoE) ermöglicht die Verwendung des CANopen-Protokolls und des Funktionssatzes über EtherCAT
- Ethernet over EtherCAT (EoE) ermöglicht andere Ethernet-basierte Dienste und Protokolle im selben physischen Netzwerk
ADVANCED Funktionen der Bewegungssteuerung
- 2x100 Mbit/s max. Geschwindigkeit
- 10 kHz Aktualisierungsrate
- < 1 ms Jitter
Fazit
Aufgrund seiner schnellen Zyklusrate kann EtherCAT in zentralisierten und verteilten Steuerungsschemata in Echtzeit-Bewegungssteuerungssystemen verwendet werden. EtherCAT ist schnell genug, um nicht nur die Bewegungssteuerung zu übernehmen, sondern auch die Daten von Peripheriegeräten zu transportieren. Die Kanalisierung aller Datenanforderungen über EtherCAT kann die Zuverlässigkeit erhöhen, indem die Anzahl der störanfälligen Drähte erheblich reduziert wird. EtherCAT ist eine offene Technologie, die jeder nutzen darf.
