Achtergrond
Van concept naar serie met Ethercat
8 mei 2009
Ethercat neemt de laatste jaren een vlucht in de industriële automatisering. Ook machinebouwers passen de bustechnologie steeds vaker toe. Bij snelle prototypering komt Ethercat pas goed tot zijn recht, legt Hans Kuppens van CCM uit. Extra meetapparatuur voor de ontwikkeling is makkelijk bij te prikken en de gevonden oplossing is direct voor implementatie geschikt.
Rapid prototyping, een verzamelbegrip voor het snel vervaardigen van fysieke prototypes, zien we in veel verschillende vakdisciplines terug. Wij doelen in dit artikel op rapid prototyping van motion control en machinebesturing. De specificaties en prestaties zijn in veel takken van de machinebouw niet triviaal. Rapid prototyping is dan een onmisbare schakel in de ontwikkeling om tot een deugende implementatie te komen. Bij CCM maken we in vrijwel elk project intensief gebruik van snelle prototypering.
Bij rapid prototyping komen steeds dezelfde aspecten aan bod. Eerst de fysieke werkelijkheid theoretisch modelleren samen met de regelaar die deze werkelijkheid moet gaan besturen. Vervolgens deze regelaar simuleren in combinatie met de nog steeds theoretische werkelijkheid. En ten slotte de ontworpen regelaar experimenteel valideren in een testopstelling. Voor de analyse van deze laatste stap is doorgaans behoefte aan een groot aantal extra meetsignalen zoals posities, snelheden, versnellingen en temperaturen. Een veelgebruikte techniek is bijvoorbeeld het injecteren van ruis via een actuator en vervolgens het meten van de overdrachten (fase en amplitude) op verschillende posities in het systeem. Met deze kennis zijn problemen gericht te detecteren en op te lossen.
Bij één variant van rapid prototyping komt alle I/O samen op een aantal PCI-kaarten in een enkele pc. Hier kleven nadelen aan die we ook al kennen uit de machinebouw: elektronicalay-out en EMC-overspraak lijken in eerste instantie minder problematisch in een rapid-prototypingomgeving, maar vaak blijkt in de praktijk dat niets minder waar is. Daarnaast is het aantal beschikbare PCI-sloten doorgaans beperkt, wat de mogelijkheid tot het binnenhalen van extra – tijdelijke – meetsignalen lastiger maakt als de beschikbare I/O al bezet is, of niet van het juiste signaaltype.
Soms is het dan mogelijk terug te vallen op externe meetinstrumenten zoals oscilloscopen. Daarmee gaat echter de synchroniteit tussen de meetsignalen verloren, bijvoorbeeld de faserelatie tussen de volgfout van een servosysteem en de gemeten versnelling op een strategisch gekozen systeempunt. Het is meestal bittere noodzaak en sowieso altijd handiger om de te ontwikkelen regelaar met alle mogelijke diagnosesignalen in één geďntegreerde softwareomgeving te hebben. In dat geval blijft een enkele pc met meerdere PCI-kaarten als enige alternatief over.
Maar zelfs dan is het niet altijd eenvoudig om deze kaarten onderling op dezelfde klok te synchroniseren, zeker als het kaarten van verschillende fabrikanten betreft die in het ergste geval ook nog eens met externe en gesloten modules moeten samenwerken. Dat is bijvoorbeeld vaak het geval als de motion-controllers onderdeel zijn van een totaalpakket van de motorfabrikant. Ze bieden een hoog plug-and-playgehalte, wat voor eenvoudige toepassingen een belangrijk pluspunt is. Bij complexere machinedynamica waar een totale dynamische systeemanalyse tot het eisenpakket behoort, komen de beperkingen echter aan het lic
Commandoset
In 2003 lanceerde Beckhoff Ethercat: een snelle veldbus gebaseerd op het Ethernet-protocol en draaiend op standaard Ethernet-hardware. Technisch gezien is Ethercat een aantrekkelijk bussysteem, omdat het protocol eenvoudig is opgezet en met lage overhead uit te voeren door de processor. Daardoor zijn hoge updatesnelheden mogelijk tot in de tienduizenden hertz, wat snel genoeg is voor motion-controltaken met closed-loop bandbreedtes van een paar honderd hertz.
Ethercat werkt met een enkel telegram van een vrij te kiezen lengte, zodat de prestaties altijd optimaal zijn bij een gegeven hoeveelheid I/O-data. Elk Ethercat-telegram doorloopt achtereenvolgens alle slaves (de laatste slave stuurt het telegram terug naar de master) zodat telkens alle I/O gelijktijdig een update krijgt. Met overlappende I/O, waarbij inputdata de plaats inneemt van outputdata, kan het telegram worden verkort. Sommige slaves voor extreem tijdkritische applicaties hebben een eigen klok, die met een tijdsynchronisatieprotocol tot op enkele nanoseconden is gelijk te zetten.
Belangrijk is ook dat Ethercat een open protocol is, waardoor er een grote keuzevrijheid ontstaat. Meerdere fabrikanten hebben een assortiment van slaves beschikbaar en het aantal is sterk groeiende. De Ethercat Technology Group (ETG) is de overkoepelende organisatie waarin OEM’s, eindgebruikers en technology providers zorg dragen voor een gerichte krachtenbundeling, ondersteuning en een grote kennisdatabase.
Naast Ethercat verscheen er een aantal soortgelijke systemen op de markt (zie kader), maar juist Ethercat heeft een aantal aantrekkelijke eigenschappen voor ontwikkeling en prototypering. Bij tijdelijke behoefte aan nieuwe I/O zijn extra Ethercat-slaves gemakkelijk bij te prikken; de Ethercat-topologie is nagenoeg onbeperkt uitbreidbaar. Ook het willekeurig mengen van verschillende I/O-typen, zoals digitaal, analoog, thermokoppels, encoders, relais, pneumatische ventielen, stroomversterkers en andere, is gemakkelijk te realiseren. Bovendien worden steeds alle signalen gelijktijdig gelezen of geschreven, dus zijn ze eenvoudig te correleren.
Als een Ethercat-module niet aan de specificaties blijkt te voldoen, is deze eenvoudig te vervangen door een geschikter type. Dat is in de praktijk nagenoeg net zo simpel als dat het hier staat. Uiteraard zullen er verschillen zijn in bijvoorbeeld elektrische aansluitingen en de Ethercat-master moet deze slave goed herkennen en configureren, maar aan de software is relatief weinig werk nodig voor de verwisseling. Geen nieuwe drivers, geen nieuwe commandoset, geen andere softwarefuncties voor dezelfde taken. Kortom: dankzij Ethercat is de software in essentie een stap dichter bij totale hardwareonafhankelijkheid gekomen.
Als de rapid-prototypingsessie geleid heeft tot een succesvol resultaat, dan zal doorgaans een implementatie volgen in een nieuwe of juist een bestaande machine. Op dat moment is er grote winst te behalen als de rapid-prototypingoplossing niet hoeft te worden omgezet naar een andere software- of hardwareomgeving. De veldbus-I/O kan op de optimale positie worden geplaatst, zonder dat die strenge eisen stelt aan de locatie van de pc met de Ethercat-master. Vooral bij inbouw in een bestaande machine is dat een sterk punt.
Definitieve versie
Een voorbeeld van dit principe is de nieuwste wafer-dicingmachine van Alsi. Het hart van de machine is een snelle waferstage met submicronnauwkeurigheid. De aansturing is volledig gebaseerd op Ethercat. De ontwikkeling en bouw van deze machine hebben we in verschillende fases uitgevoerd, waarbij je de eerste fase gerust een prototype kunt noemen. In deze fase hebben we de waferstage uitvoerig doorgemeten, getest en geoptimaliseerd met tijdelijk extra Ethercat-slaves. Hierbij hoefden we nog geen rekening te houden met de nog niet aanwezige overige modules, waarvan de besturing destijds zelfs nog niet was ontworpen.
Gaandeweg hebben we de modules fasegewijs bijgebouwd en doorlopend getest, waarbij we steeds in elke module een eigen rijtje Ethercat-slaves onderbrachten. Op dit moment zijn de laatste modules nog steeds in ontwikkeling. We overwegen zelfs nog om in de definitieve versie van de machine een aantal Ethercat-versterkers te vervangen door een ander type. Een dergelijke modulair gefaseerde aanpak zou zonder Ethercat een stuk lastiger zijn.
Ondertussen komen er steeds intelligentere Ethercat-slaves beschikbaar die dankzij FPGA-technologie in staat zijn complexe en tijdkritische taken zelf af te handelen. Modelgebaseerde ontwikkeling maakt het mogelijk om de tijdkritische delen eenvoudig te herkennen en geschikt te maken voor toepassing in een FPGA met Ethercat-slave. Denk bijvoorbeeld aan snelle data-acquisitie en signaalreductie, hoogfrequente regellussen, safety monitoring en PLC-functionaliteit. Het gebruik van Ethercat zal in de toekomst dus alleen maar toenemen.
Hans Kuppens is Principle System Designer Mechatronics bij CCM. Hij heeft een achtergrond als fysicus en is intensief betrokken bij de ontwikkeling van besturingssoftware voor Alsi.
Tijdens Hightech Mechatronica 2009 verzorgt CCM een lezing over het gebruik van Ethercat in de machinebouw.
