In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die Art und Weise, wie industrielle Systeme kommunizieren, stark verändert. Unternehmen sind von Feldbus-basierten Systemen auf Ethernet-basierte Kommunikationssysteme umgestiegen. Das starke Wachstum der Ethernet-basierten industriellen Kommunikation wird sich voraussichtlich fortsetzen, da die neueste Studie des Analysten MarketsandMarkets herausgefunden hat, dass der globale Industrial Ethernet-Markt voraussichtlich von 9.200 Milliarden US-Dollar im Jahr 2020 auf 13.700 Milliarden US-Dollar im Jahr 2026 steigen wird, was einer CAGR von 7,3 entspricht % während des Forschungszeitraums.
Kein Wunder, dass Industrial Ethernet in relativ kurzer Zeit einen solchen Marktanteil erreicht hat. Obwohl Verbesserungen an feldbusbasierten Systemen vorgenommen wurden, weisen sie noch immer einige Einschränkungen auf. Sie sind ideal für einfache Steuerungsfunktionen, aber da immer mehr Hersteller an der Umsetzung einer Industrie 4.0-Strategie arbeiten, werden diese Einschränkungen schwer zu überwinden. Die offensichtlichste Einschränkung ist die Geschwindigkeit, insbesondere bei Anwendungen, die eine sehr komplexe und präzise Steuerung erfordern, wie z. B. Robotik.
Eine Ethernet-basierte Implementierung ist eine naheliegende Alternative. Ethernet verfügt über genügend Bandbreite, um die überwiegende Mehrheit der industriellen Anwendungsfälle zu bewältigen, selbst für die anspruchsvollsten Industrie 4.0-Anwendungen. Es ist ein anerkannter, kostengünstiger Standard, der weltweit verwendet wird. Es ist flexibel und vielseitig einsetzbar, zumal sich ältere Feldbusabzweigungen einfach und kostengünstig in den Ethernet-Backbone einbinden lassen. Für die Implementierung und Wartung gibt es keinen Mangel an Ingenieuren, die mit der Ethernet-Technologie gearbeitet haben und diese verstehen. Industrie 4.0 erfordert eine starke Verbindung zwischen Industriebetrieb und IT, daher ist es sinnvoll, Kommunikationssysteme zu haben, die auf dem gleichen Standard basieren. Das in IT-Systemen anzutreffende Ethernet ist jedoch nicht deterministisch, und das ist eine der wichtigsten Anforderungen an Steuerungssysteme.
Dieser Mangel hat verschiedene Hersteller und Organisationen dazu veranlasst, einen Ethernet-basierten Standard zu entwickeln, der für den industriellen Einsatz geeignet ist. Die beliebtesten dieser neuen Standards sind Ethernet TSN, EtherNet/IP, PROFINET und EtherCAT. Jedes dieser Protokolle und andere kleinere oder proprietäre Systeme haben seit ihrer ursprünglichen Entwicklung ihre eigene geografische oder technische Nische gefunden.
Alle Protokolle haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Im Allgemeinen nehmen sie das Konzept von Ethernet, wie es in der Computertechnik zu finden ist, und passen es an, um einen Echtzeitbetrieb zu bieten. Eine der Industrial-Ethernet-Implementierungen macht die Dinge etwas anders: EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) behält die standardmäßige Ethernet-Physical-Layer bei und baut ein völlig neues deterministisches Protokoll darauf auf. Das Protokoll verwendet einen Host-Controller, der das einzige Gerät ist, das den EtherCAT-Frame erstellen kann. Der Frame hat immer die gleiche Länge, und jeder Geräteknoten im Netzwerk hat einen adressierbaren Bereich des Frames, der ihm gewidmet ist. Während sich der Frame durch das Netzwerk bewegt, sammelt jeder Knoten die Steuerdaten und hinterlässt die Antwortinformationen beim Passieren in seinem zugewiesenen Bereich, ohne den Frame mehr als die Hardware-Ausbreitungsverzögerung zu verzögern und eine Geschwindigkeit maximaler effektiver Daten nahe der Leitungsgeschwindigkeit zu bieten von 100Mbit/sg.
Bei anderen Industrial-Ethernet-Implementierungen kann das Durchführen der Rahmenprüfung, das Durchführen einer CRC-Prüfung und das Durchlaufen des Stacks Hunderte von Mikrosekunden dauern. EtherCAT ist darauf ausgelegt, den gesamten Vorgang in nur 125 µs abzuschließen. Diese erhöhte Geschwindigkeit macht das System reaktionsschneller, was wiederum die gesamte Steuerungsanwendung effizienter und sicherer macht. Der EtherCAT-Geräteknoten ist auch viel einfacher als andere Industrial-Ethernet-Implementierungen und erfordert nur einen einzigen Stack-Code (SSC), der auf einem bescheidenen Mikrocontroller ausgeführt wird, was auch die Systemkomplexität und -kosten reduziert.
Die EtherCAT-Implementierung ist jedoch nicht die einfachste. Die schwierigste Hürde für Designer ist die Einhaltung der Zykluszeitanforderungen. Viele Hersteller, insbesondere diejenigen, die Motoren verwenden, möchten Steueralgorithmen mit 8000 Zyklen pro Sekunde implementieren, was einer Zykluszeit von 125 µs entspricht. Obwohl EtherCAT-Systeme diese Zahl problemlos erreichen sollten, hat sich das Erreichen in der Praxis als schwierig erwiesen und erfordert oft umfangreiche Softwareentwicklung und -optimierung. Außerdem kann es teuer werden: Ein Hutschienen-EtherCAT-Controller, der neben einem Motorcontroller platziert werden soll, kann Hunderte von Euro kosten. Sie können jedoch ein kundenspezifisches Design für fast zehnmal weniger erhalten.
eine neue Lösung
Microchip ist seit 2012 auf dem EtherCAT-Markt tätig. Das Unternehmen stellte 9252 seinen ersten EtherCAT Device Controller (ESC) vor, den LAN2015. Dieser Markteintritt erwies sich als erfolgreich und ermöglichte es dem Unternehmen auch, Informationen darüber zu sammeln, wo sich die Spannungspunkte im Markt. Er stellte fest, dass Benutzer eine einfachere Möglichkeit zum Erfüllen von Zykluszeitanforderungen und eine Reihe von Funktionen wünschten, die es ihnen ermöglichen würden, ihren Implementierungen einen Mehrwert zu verleihen und ihnen einen besseren Einblick in die Funktionsweise von EtherCAT zu geben.
Das erhaltene Feedback veranlasste Microchip zur Entwicklung seiner zweiten Generation von ESC-Lösungen, die im September 2020 auf den Markt kamen. Die LAN9253- und LAN9254-Geräte sind 3-Port-ESCs, die über integrierte Dual-Ethernet-PHYs mit einem Vollduplex-100BASE-TX-Transceiver und einem Betrieb bei 100 Mbit/s verfügen .
Die wichtigste Verbesserung, die das Unternehmen an den neuen ESCs vorgenommen hat, bestand darin, das Design so anzupassen, dass die Konstrukteure die Zykluszeitziele mit sehr wenig Softwareoptimierung erreichen konnten. Die neuen Geräte haben auch die Implementierung von EtherCAT-Knoten vereinfacht, indem sie die Designzeit und die erforderliche Stückliste reduziert haben. Typische EtherCAT-Implementierungen verwenden einen ESC, einen Mikrocontroller und ein EEPROM, und das EEPROM enthält die Konfiguration für den ESC. Microchip hat eine Technik entwickelt, die EEPROM effektiv emuliert. Der ESC verwendet einen Funktionsaufruf, um Anweisungen direkt vom Host-Mikrocontroller zu erhalten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, wodurch das physische EEPROM überflüssig wird.
Die neuen ICs wurden außerdem mit einer Funktion entwickelt, die die Anzahl der für die Synchronisation erforderlichen Quarze reduziert. Viele Industriedesigns verwenden Mehrachsensteuerungen für Anwendungen wie Robotik. Diese Konstruktionen können bis zu sechs verschiedene Steuerkreise erfordern, um einen mehrachsigen Roboterarm zu betreiben. Früher benötigte jede dieser Schaltungen einen eigenen Kristall zur Synchronisation. Die neuen ICs beinhalten ein Verfahren zur genauen Replikation des Timing- und Jitter-Systems für alle sechs Schaltungen unter Verwendung eines einzigen Kristalls, wodurch die Notwendigkeit für fünf zusätzliche Kristalle entfällt und die Systemkosten weiter gesenkt werden.
Beide Geräte bieten darüber hinaus weitere Features, die den Einsatz und Betrieb von EtherCAT-Systemen erleichtern. Das EtherCAT-Protokoll wurde ohne Diagnose der physikalischen Schicht entwickelt, sodass Benutzer erst dann von Fehlern wie Kabelverschlechterung erfahren, wenn CRC-Fehler und andere Probleme auftraten. Microchip hat die Möglichkeit entwickelt, den Kabelstatus jederzeit zu überwachen, sodass Benutzer Fehler sehen können, bevor sie zu einem Problem werden, ein Schlüsselprinzip von Industrie 4.0.
Der LAN9253 ist in einem QFN-Gehäuse untergebracht, das die Pinbelegung des LAN9252-Gehäuses genau nachbildet, sodass Kunden mit minimalem Redesign von Designverbesserungen profitieren können. Der LAN9254 verfügt über zusätzliche 16 E/A-Pins, die es dem ESC ermöglichen, als einfacher Controller zu fungieren, ohne dass ein Mikrocontroller erforderlich ist. Da der vom Geräteknoten genutzte Bereich des Frames und die Laufzeitverzögerung bekannt sind, können die ESC-Bits Offsets im Frame und den 32 I/O-Leitungen zugewiesen werden, damit sich Feldgeräte direkt mit dem EtherCAT-Netzwerk verbinden können.
Viele Kunden haben uns gebeten, einen Controller hinzuzufügen, um eine All-in-One-ESC-Lösung anzubieten. In diesem Jahr hat Microchip den LAN9255 herausgebracht, der einen Cortex-M4F-Mikrocontroller hinzufügt. Die MCU ist schnell genug, um die EtherCAT-Anforderungen zu erfüllen, und fungiert gleichzeitig als Anwendungsprozessor für das Steuerungssystem. Die Gleitkommaeinheit des Prozessors hilft bei komplexeren Algorithmen, wie sie beispielsweise für die Motorsteuerung benötigt werden. Ethernet-Sockets mit Code-Unterstützung für Version 3 von SNMP wurden ebenfalls hinzugefügt, um Designern mehr Flexibilität bei der Verknüpfung von Betriebstechnologie mit IT-Systemen zu geben.
Fazit
Die LAN9253- und LAN9254-ICs von Microchip haben die Bereitstellung und Wartung von EtherCAT-Knoten vereinfacht, Zeit und Kosten reduziert, indem einige unterstützende Komponenten entfallen, der Software-Optimierungsprozess erleichtert und die Fähigkeit zur Analyse des Netzes hinzugefügt wurde. Das neue LAN9255 CI geht diesen Trend noch einen Schritt weiter, indem es die Notwendigkeit eines externen Host-Controllers eliminiert und Entwicklern eine EtherCAT-Knoten- und Feldsteuerungslösung in einem einzigen Paket bietet. Die Verwendung des MPLAB X Harmony-Frameworks von Microchip beschleunigt die Markteinführung weiter, indem Software für die Kommunikation und Steuerung in einer benutzerfreundlichen Einzelbenutzerumgebung geschrieben und optimiert werden kann.
Alle in diesem Artikel beschriebenen Geräte sind jetzt verfügbar, werden in Produktionsmengen ausgeliefert und von den Designverifizierungsdiensten von Microchip unterstützt.
Von Ian Saturley, Director of Strategic Marketing, USB and Networking Group – Microchip Technology
