A HMS Industrial Networks becslése szerint a jelenleg újonnan kialakított ipari hálózatok 48 százalékánál még a klasszikus terepi buszokat alkalmazzák, míg az ipari ethernet aránya 46 százalék (2017. márciusi állapot). De ezek az arányok hamarosan drasztikusan meg fognak változni, hiszen a HMS szerint a terepi buszok éves növekedési üteme 4 százalék, és az ipari ethernet növekedési üteme nem kevesebb, mint 22 százalék. Ennek megfelelően az ipari ethernet piaci részesedése 38 százalékról (2016) 46 százalékra (2017) emelkedett. Bár más elemzők ettől eltérő számokat tesznek közzé, abban mindannyian egyetértenek, hogy a piaci trend az ipari ethernet irányában halad.
Az ipari automatizálás jelenlegi igényeinek a technika ama képességnek köszönhetően tesz eleget, hogy egyesíteni lehet a valósidejű teljesítményt és a terepi buszos megoldások terhelhetőségét és biztonságát. Ezenkívül az ipari ethernet folyamatos kommunikációt tesz lehetővé a terepi szinten található aktoroktól vagy érzékelőktől kezdve a vezérlőszinten és a vállalati szinten található rendszerekig, hiszen a vállalatok számítógépes rendszerei már ethernetalapúak.
Jelenleg számos, ám egymással nem kompatibilis alkalmazásnapló áll rendelkezésre, például Ethernet/IP, EtherCAT, SERCOS, Profi net vagy Powerlink. A HMS szerint a legnagyobb piaci részesedéssel jelenleg az EtherNet/IP, a Profinet és az EtherCAT rendelkezik. Számos gép- és berendezésgyártó használja ezeket a teljesítmény fokozása, és a folyamat minél felhasználóbarátabbá tétele érdekében – elsősorban akkor, ha fontos a megbízhatóság és az üzembiztosság.
Gyors és rugalmas: EtherCAT
A messze leggyorsabb technológia az EtherCAT, amely még rendkívüli szinkronizálási pontosságot is biztosít, melynek időtartama a nanoszekundumos tartományban van. A rövid reakcióidőkkel minden alkalmazást felgyorsít, továbbkapcsolási feltételekkel. Mivel a többi buszrendszerhez képest az EtherCAT azonos ciklusidő mellett egyharmaddal kevesebb terhelést jelent a CPU számára, így ez jó alapot biztosít a nagyobb teljesítmény és pontosság számára, alacsonyabb költségek mellett – és ezáltal olyan vezérlési és szabályozási koncepciók számára is, amelyek a hagyományos terepibusz-rendszerekkel nem megvalósíthatók. Ennek érdekében a napló feldolgozása teljes mértékben a hardverben történik, az implementált szoftver futásidejétől függetlenül.
Az adattovábbítás a Master-Slave modellt követi, és az EtherCAT a topológia vonatkozásában tökéletes rugalmasságot kínál: a vonal-, fa- és csillagtopológiát, valamint azok minden kombinációját is támogatja. A csomópontok száma szinte korlátlan. Ezáltal az EtherCAT a terepi buszoknál megismert struktúrákat az ethernet esetében is biztosítja. A napló időkorláttal rendelkező Motion-Control alkalmazásokban is használható, például csomagológépekben, CNC-gépekben, robotikában és hidraulikaszabályozásokban.
Az eredetileg Beckhoff által kifejlesztett technológia fejlesztését és terjesztését az EtherCAT Technology Group (ETG) végzi. A csoport kifejlesztette a Conformance-Test-Tool eszközt, amely biztosítja az EtherCAT készülékek együttműködését és naplókonformitását. Ezenkívül támogatást nyújt tagjainak az implementáláshoz és oktatást is kínál. Az ETG több mint 4400 tagot számlál – közöttük szerepel a Rutronik is –, így a világon a legnagyobb ipari ethernetfelhasználói szervezetnek minősül.
Kemény és puha valósidő
Míg a vezérlőszinten és a vállalati szinten található rendszerek kommunikációja nem rendelkezik szigorú időkorláttal és csupán puha követelményeket támaszt a valósidő tekintetében, a vezérlő- és terepi szinten egyre inkább kemény valósidő a követelmény. Biztonságos és gyors adatcsere szükséges ahhoz, hogy egy sokrétű berendezés különböző rendszerkomponensei tisztán működhessenek együtt. Ehhez a hálózatoknak a gyors valós idejű működésen kívül csekély mértékű eltérést és szinkronizált folyamatokat is kell biztosítani a hálózati csomópontokban. Elsősorban akkor fontos a pontos szinkronizálás, ha a térben elosztott folyamatok azonos időben történő műveleteket követelnek meg, például az olyan alkalmazásokban, amikor több szervohajtásnak azonos időben kell koordinált mozgást végeznie. Elosztott, összehangolt órák, úgynevezett Distributed Clock biztosítják a rendkívül pontos, az egész hálózatban érvényes időalapot.
Ezek a követelmények és funkciók meghaladják az egyszerű ethernetstandardot. Ezek különbözőképpen megvalósítható hardveres megoldásokba építhetők be, például FPGA-kkal, ASIC-kal vagy teljesen integrált vezérlőkkel. A jelekhez kvarc, oszcillátor vagy kiváló jelminőségű és megbízhatóságú, valósidejű óra szükséges.
Pontos és megbízható kvarcok és oszcillátorok
Az EPSON vállalat kínál olyan kvarcot és oszcillátort, amelyek összekapcsolják a puha és a kemény, valósidejű követelményeket a rövid ciklusidővel és az alacsony jitterrel. A gyártó a kiváló minőségű, frekvenciát meghatározó építőelemek széles portfóliójával az aktuális naplók minden igényét kielégíti. A komponensek különböző alkalmazásokhoz használhatók, például Human Machine Interface (HMI), Programmable Logic Controller (PLC) vagy Motion Controller (szervomotorok, FA-kamera, érzékelők) és frekvenciaátalakító.
A MEMS oszcillátorok alapvetően mechanikailag terhelhetőbbnek tekinthetők, ami pont a durva ipari alkalmazások esetén lehet előnyös. Ám a pontosság, a fáziszaj és a hőmérsékleti stabilitás tekintetében a kvarcalapú oszcillátorok még mindig jobbak.
A Beckhoff széles körben elterjedt EtherCAT-ASICs ET1100/ET1200 egységébe a napló számos algoritmusát építették be. Olyan elosztott órákkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik az EtherCAT szolgák rendkívül pontos szinkronizálását (<< 1 μs).
A ±50 ppm és –40 °C–+85 °C követelmény esetén az ipari naplók standard frekvenciáihoz jó megoldás lehet a 2.5x2.0-sorozat SG-210STF, ami ugyanilyen karakterisztikával 7x5 (SG7050) és 5x3.2 (SG5032) kivitelben is elérhető. A 105 °C-ig vagy 125 °C-ig tartó, kibővített hőmérsékleti tartományt az SG-210S*B-sorozat biztosítja.
Nemstandard frekvenciák, kis darabszámok és rövid szállítási idők esetén az SG-8018 és SG-8101 sorozat kvarcoszcillátorai jelenthetik a megoldást, amelyek belső PLL-kapcsolással rendelkeznek, létrehozva a megfelelő frekvenciákat.
Az új sorozat, az SG-8101 kibővített hőmérsékleti tartománya 105 °C-ig terjed, és durva környezeti feltételek esetén is kiválóan használható. További előnye a kb. 66 százalékkal csökkentett frekvenciatolerancia (±50 ppm és ±15 ppm között) és az 50 százalékkal alacsonyabb áramfogyasztás a hasonló termékekkel szemben. Így az SG-8101-sorozat kvarcoszcillátorai jelentős mértékben hozzájárulnak az olyan rendszertulajdonságok megvalósításához, mint a kemény valósidő, alacsony áramfogyasztás és gyorsabb fejlesztési ciklusok. Kisebb gyártási mennyiség esetén is kiválóan használhatók, 7×5 mm és 2,5×2 mm között több méretben is kaphatók, azonban az Epson oszcillátorok esetében mindig igaz, hogy minél kisebb, annál olcsóbb.
Az új sorozat, az SG-8018 az Epson legolcsóbb PLL-sorozata, amely már alapesetben is tartalmazza a ±50 ppm és –40 °C–105 °C specifikációt, és már teljesíti az üzemi hőmérsékletre vonatkozó jövőbeli követelményeket. Itt is elérhető minden építési forma 7×5 mm és 2,5×2 mm között.
Valósidejű órák a legnagyobb pontosság érdekében
Ha még nagyobb pontosságra van szükség, akkor a valósidejű órák (Real Time Clocks, RTC) jelentik a megfelelő megoldást. Ezek a különálló modulok a beépített kvarcnak köszönhetően egyszerű dizájnt, kiváló megbízhatóságot és alacsony áramfelvételt biztosítanak, és például BackUp-funkcióként is használhatók. A legnagyobb pontosság érdekében, ami a hálózati rendszerek esetében egyre fontosabbá válik, az Epson RX8900CE-sorozata beépített hőmérséklet-kompenzációval rendelkezik. Ezáltal képessé válik időben egymáshoz rendelni a különböző eseményeket egymáshoz képest. Az RTC járáspontossága akár ±3,4×10-6 –40 °C és +85 °C közötti hőmérsékleten.
Az oszcillátorok és a valósidejű órák esetében is a gyártó végzi a kvarc szinkronizálását. Így nincs szükség a dizájn komoly vizsgálatára, ami jelentős mértékben lerövidíti a termék piacra kerülésének idejét. Annak érdekében, hogy a kvarcot optimális módon a dizájnhoz igazíthassák – és ezáltal időt és pénzt lehessen megtakarítani –, az EPSON értékelőszolgáltatást is kínál. A Rutronik támogatást nyújt a kiválasztáshoz, és közvetít a gyártó és az ügyfelek között.
