EtherCAT® è un protocollo di rete deterministico basato su Ethernet ad alte prestazioni sviluppato da Beckhoff. L'industria ha dimostrato di poter fornire un controllo deterministico ad alta velocità con hardware standard 100 base-T e di ottenere risultati incredibilmente veloci e coerenti in applicazioni esigenti. EtherCAT è una tecnologia aperta, il che significa che tutti possono usare, implementare e beneficiare di questa tecnologia. Di conseguenza, i servoazionamenti EtherCAT sono diventati una parte essenziale dell'industria del controllo del movimento.
EtherCAT è disponibile per tutti i nostri FlexPro famiglia e molti dei nostri DigiFlex® Prestazioni ™ (DP-Family), che operano in modalità di coppia, velocità e posizione e offrono un controllo completo della sintonizzazione di tutti gli anelli del servo per ottenere le massime prestazioni per la vostra applicazione.
I servoazionamenti abilitati EtherCAT montati su PCB utilizzano anche ADVANCED L'interfaccia di comunicazione multiasse ad alta velocità e le capacità di espansione degli I/O (tecnologie "DxM"™ e "DxI/O"™), uniche e proprietarie di Motion Controls. Ora un singolo EtherCAT® può ospitare una combinazione di fino a 4 assi di movimento con 32 ingressi digitali, 32 uscite digitali, 4 ingressi analogici e 2 uscite analogiche ciascuno. Il risultato è una soluzione di controllo del movimento ad alto valore altamente integrata per applicazioni a uno o più assi.
ADVANCED I servoazionamenti EtherCAT con modulo plug-in di Motion Controls sono stati nominati vincitori dei Golden Mousetrap Awards annuali di Design News, come riconoscimento della nostra innovazione ingegneristica e creatività nel design del prodotto! ADVANCED L'ultima famiglia di servoazionamenti di Motion Controls, FlexProè stata la prima famiglia di servoazionamenti ad essere progettata dall'inizio con EtherCAT® in mente.
Vantaggi di EtherCAT®
Utilizzo massimo della larghezza di banda
Il principio fondamentale di EtherCAT è la lettura pass-through. A differenza di altri protocolli in cui il master interroga ogni nodo individualmente, EtherCAT invia un singolo messaggio a un nodo che viene poi passato al nodo successivo e a quelli successivi finché tutti i nodi della rete non hanno ricevuto il messaggio. Questo funziona perché il messaggio contiene le informazioni e le istruzioni per tutti i nodi della rete. Ogni nodo legge e risponde solo ai propri dati, e ogni nodo può anche inviare informazioni al Master inserendo dati nel messaggio mentre passa. Per esempio, può aggiungere informazioni di posizione, velocità e stato al messaggio. I dati aggiunti saranno letti dal Master una volta che il messaggio passa attraverso tutti i nodi e ritorna indietro al Master.
Quando il messaggio arriva al Master EtherCAT, ogni nodo della rete ha ricevuto nuovi dati in ingresso dal Master e ha restituito nuovi dati in uscita al Master. Una rete EtherCAT può essere paragonata a una ferrovia dove ogni stazione può scaricare e ricaricare i vagoni mentre il treno rimane in movimento. Senza la carenza di piccoli payload o messaggi mirati a nodi specifici, una rete di servoazionamenti EtherCAT può raggiungere il massimo utilizzo della larghezza di banda.
Velocità e tempo reale
Tutti i pacchetti EtherCAT sono generati e inviati dal master utilizzando la trasmissione full duplex. Tutti i controller motore EtherCAT su una rete possono leggere dati da e scrivere dati sul pacchetto EtherCAT al suo passaggio con solo un breve ritardo costante (di solito meno di 500 ns) per ogni dispositivo slave (indipendentemente dalla dimensione del pacchetto). Tipicamente, un gran numero di slave può essere ospitato utilizzando un solo pacchetto, ottimizzando così l'uso della larghezza di banda e diminuendo la frequenza degli interrupt. Uno studio ha mostrato un tempo di ciclo minimo di 50 microsecondi su una rete gigabit con 50 dispositivi e 100 byte di carico utile per dispositivo. Anche con questo esempio in cui il numero di nodi e il carico utile sono molto più alti di un tipico sistema servo, i tempi di ciclo sono ancora più veloci delle velocità di aggiornamento del loop di posizione e del loop di corrente dei servoazionamenti. Questo significa che la rete sta funzionando più velocemente dei loop di controllo del movimento, il che assicura una vera prestazione in tempo reale.
EtherCAT è abbastanza veloce da funzionare sia con un controllo distribuito che centralizzato
Controllo distribuito
Con il controllo distribuito del movimento i servoazionamenti operano in modalità di velocità o di posizione (al contrario della modalità di coppia). Questo permette al controllore primario di concentrarsi sugli anelli di controllo esterni e lascia che i servoazionamenti si preoccupino degli anelli interni. Il risultato è un minore sovraccarico computazionale necessario al controllore per comandare e controllare il movimento perché i servoazionamenti condividono parte della responsabilità chiudendo l'anello di velocità o di posizione. Inoltre, anche il traffico di rete tra i servoazionamenti e il controllore è ridotto, poiché è necessario inviare meno comandi.
Il traffico di rete può essere ulteriormente ridotto se gli azionamenti funzionano in modalità PVT. In questa modalità gli azionamenti ricevono una serie di valori di Posizione, Velocità e Tempo. Ogni punto PVT definisce che in un dato momento, il motore sarà nella posizione designata e si muoverà alla velocità designata. Gli elementi "T" dei punti PVT possono essere distanziati di 10 millisecondi, riducendo così notevolmente il traffico di rete. Gli azionamenti interpolano poi tra i punti. Più punti PVT possono essere inviati al servoazionamento e memorizzati in un buffer per essere consumati al momento opportuno. Con il PVT gli azionamenti gestiscono tutti i compiti di controllo del movimento, e il controllore si limita a definire il percorso del movimento. Le reti più lente come CANopen possono trarre grande vantaggio dal controllo PVT. Con EtherCAT, la rete è abbastanza veloce da funzionare con un controllo centralizzato o distribuito, lasciando al progettista del sistema la scelta del tipo di controllo desiderato.
Controllo centralizzato
Nel controllo centralizzato, il controllore invia i comandi di coppia ai driver del motore e chiude tutti i cicli. L'overhead in termini di requisiti computazionali e di traffico di rete è molto più alto con il controllo centralizzato che con il controllo distribuito. Fortunatamente, EtherCAT è facilmente abbastanza veloce da funzionare con uno schema di controllo centralizzato. Quindi qual è il guadagno? Perché funzionare con il controllo centralizzato? Nelle applicazioni ad alte prestazioni, i progettisti del sistema potrebbero voler usare algoritmi di controllo specializzati, filtri, feedforward, o voler seguire i percorsi di movimento più da vicino rispetto ai movimenti interpolati. Il controllo centralizzato dà al progettista del sistema il controllo completo del controllo del movimento nel sistema.
Cablaggio ridotto per I/O, feedback e periferiche
Prima delle reti ad alta velocità nel controllo del movimento, i fili di feedback e di segnale dai motori e da altri dispositivi dovevano arrivare fino al controllore. Se guardate un tradizionale controllore multiasse centralizzato, non sorprendetevi di trovare da 50 a 100 terminali per tutti i fili di segnale. In un sistema tradizionale ogni asse servo ha bisogno di almeno 11 fili per tornare al controllore:
Encoder con segnali differenziali - A, B, I, potenza = 8 fili
Segnale di comando = 2 fili
Linea di inibizione = 1 fili
Per esempio: un braccio robotico con 3 assi di controllo del movimento può facilmente diventare un incubo di cablaggio e affidabilità. Con i servomotori integrati e gli azionamenti incorporati in ogni giunto si dovrebbero far passare almeno 33 fili lungo il braccio e nel controller. Nel momento in cui il fascio di cavi raggiunge il giunto della spalla sarà il più grande e avrà il maggior numero di fili. L'intero fascio dovrà comunque essere affidabile e sopportare tutti i piegamenti e le torsioni del braccio. In un vero braccio robotico, il numero è in realtà più vicino a 50-75 se si considerano i relè dei freni, i sensori, la potenza del servoazionamento e altri componenti. Ogni filo in più riduce l'affidabilità e rende l'installazione più difficile.
Fortunatamente con le reti ad alta velocità come EtherCAT, questo non è più un problema. Il numero di fili di segnale può essere ridotto a 6 per il segnale EtherCAT più l'alimentazione logica, se necessario. Con i servomotori e i servoazionamenti integrati situati in ogni giunto del braccio, i servoazionamenti EtherCAT possono fungere da interfaccia tra tutti i dispositivi periferici e il controller. I dispositivi non hanno nemmeno bisogno di essere compatibili con EtherCAT, purché siano compatibili con il servoazionamento. Qualsiasi segnale che il servoazionamento vede può essere interpretato e inviato al controllore. Inclusa la posizione del motore, la velocità, la corrente del motore e lo stato degli I/O. Anche i sensori analogici possono essere usati come I/O di rete utilizzando gli ingressi analogici sui servoazionamenti. Il convertitore A/D del drive può convertire il segnale analogico in digitale e poi inviare il valore al controller su EtherCAT.
Vantaggi
- Basato su Ethernet standard per 100baseT
- In tempo reale fino al livello di I/O
- Topologie multiple possibili - linea, stella, albero, catena a margherita, linee a caduta - possono essere usate in qualsiasi combinazione
- Non richiede un hardware Ethernet speciale - si possono usare schede di interfaccia di rete (NIC) standard
- CANopen over EtherCAT (CoE) permette l'uso del protocollo CANopen e del set di funzioni su EtherCAT
- Ethernet over EtherCAT (EoE) permette altri servizi e protocolli basati su Ethernet sulla stessa rete fisica
ADVANCED Capacità di Motion Controls
- Velocità massima 2x100 Mbit/sec
- Frequenza di aggiornamento di 10 kHz
- < 1 ms jitter
Conclusione
Grazie alla sua velocità di ciclo, EtherCAT può essere utilizzato in schemi di controllo centralizzati e distribuiti in sistemi di controllo del movimento in tempo reale. EtherCAT è abbastanza veloce non solo per assumere il controllo del movimento, ma anche per trasportare i dati dai dispositivi periferici. Incanalare tutti i requisiti dei dati attraverso EtherCAT può aumentare l'affidabilità riducendo significativamente il numero di fili che sono suscettibili di guasti. EtherCAT è una tecnologia aperta che tutti possono usare.
