EtherCAT raggiunge nuovi traguardi

Supplemento a Automazione Oggi n° 331 Gennaio 2010 - Poste Italiane SpA - Spedizione in abbonamento postale D.L. 353/2003 (Convertito in legge 27/02/2004 n. 46 - art.1, Comma 1, DCB Milano) - In caso di mancato recapito inviare al CMP/CPO di Roserio - Milano per la restituzione al mittente previo pagamento resi - ISSN: 0392-8829
Hardware e software per l’automazione distribuita
DOSSIER
Reti per la gestione
di impianti Hvac
Gennaio 2010 • www.ilb2b.it
PRIMO PIANO
Gateway industriali
Fieldbus & Networks
Ethercat
raggiunge nuovi
traguardi
I
16
Fieldbus & Networks - Gennaio 2010
La tecnologia Ethercat offre elevata capacità realtime,
la capacità di gestire piccole quantità di dati e
convenienza economica
rende disponibili le tecnologie di networking al livello degli
I/O. Con Ethercat il controllore può aggiornare le informazioni d’ingresso e/o di uscita appena i dati sono richiesti. Il tempo di risposta degli I/O comprende tutti i ritardi relativi all’hardware (IPC, Ethercat e sistema di I/O) dal segnale d’ingresso fisico alla reazione fisica sull’uscita. Con tempi di risposta inferiori a 100 μs, ciò assicura prestazioni al livello dei PLC
che in precedenza erano disponibilili solo all’interno di servoazionamenti con un processore digitale di segnali (DSP).
Da rete di controllori a rete di fabbrica
La notizia è fresca: Ethercat è diventato anche una rete di fabbrica. Questa tecnologia è molto diffusa per l’implementazione di reti di controllo a livello di macchine. Recentemente, tut-
Iniziativa realizzata in collaborazione con la direzione marketing
fieldbus sono ormai diventati un componente integrato della tecnologia di automazione e dopo un lungo periodo di test e prove su numerose apparecchiature industriali di ogni tipo, hanno superato gli ostacoli iniziali e si sono largamente diffusi. Ed è stata proprio la
tecnologia dei fieldbus a rendere possibile l’applicazione su
larga scala dei sistemi di controllo PC based. Tuttavia, mentre
le prestazioni delle CPU
Ethercat conferma la all’interno dei controllori,
propria vitalità e soprattutto dei PC induestendendosi verso il striali (IPC), aumentano
i sistemi
livello della rapidamente,
fieldbus convenzionali
supervisione, rappresentano ‘colli di
confermandosi una bottiglia’ che limitano le
tecnologia completa per prestazioni raggiungibili
la factory automation dai sistemi di controllo. Un
fattore limitante addizionale è rappresentato dall’architettura di controllo a strati,
comprendente diversi sistemi subordinati (normalmente ciclici): l’effettivo task di controllo, il sistema fieldbus ed eventualmente bus di espansione locali all’interno del sistema di I/O o,
semplicemente, il ciclo del firmware locale nel dispositivo periferico. I tempi di reazione sono tipicamente da tre a cinque volte superiori al tempo di ciclo del controllore, rendendo inadeguata una soluzione di questo tipo.
Al di sopra del livello del sistema fieldbus, ossia per il networking dei controllori, Ethernet rappresenta da qualche tempo
lo stato dell’arte.
Ciò che è relativamente nuovo è la sua applicazione al livello
degli azionamenti o degli I/O, ossia in aree che, in passato, erano dominate dai sistemi fieldbus. I principali requisiti per questo tipo di applicazione sono l’elevata capacità realtime, la
capacità di gestire piccole quantità di dati e, naturalmente, la
convenienza economica.
La tecnologia Ethercat, ad oggi supportata da oltre 1.200
aziende, risponde a tutti questi requisiti e, nello stesso tempo,
Cover story
tavia, il gruppo ETG (Ethercat Technology Group) si è focalizzato anche sulle reti di fabbrica, potenziando la specifica
Ethercat con la definizione di servizi per il livello del controllo
di supervisione. Di conseguenza, Ethercat comprende ora la
comunicazione Ethernet fra sistemi di controllo e anche verso
i sistemi di supervisione. Il nuovo Ethercat Automation
Protocol (EAP) semplifica l’accesso diretto ai dati di processo
dai dispositivi di campo al livello di sensore/attuatore, oltre a
supportare l’integrazione di dispositivi wireless.
Al livello di fabbrica, i protocolli base per la comunicazione dei
dati di processo fanno parte della specifica Ethercat fin dall’inizio. Ora, il gruppo ETG li ha potenziati con servizi per la
comunicazione di parametri fra i sistemi di controllo e per il
routing attraverso i confini dei sistemi. Fanno parte del protocollo EAP anche interfacce uniformi di diagnosi e configura-
zione. EAP può inoltre essere utilizzato in topologie Ethernet
di tipo switched e su Ethernet wireless; i dati di processo vengono comunicati come variabili di rete, ciclicamente o su evento. Sia il classico Ethercat Device Protocol, che utilizza lo speciale principio funzionale Ethercat dell’’elaborazione al volo’,
sia il nuovo EAP fanno uso delle stesse strutture dati e facilitano l’integrazione verticale verso sistemi di controllo di supervisione e controllori di rete.
Lo sviluppo di Ethercat Automation Protocol è stato avviato
nel marzo del 2009. Il corrispondente gruppo di lavoro ETG
prevede di pubblicare la specifica nel gennaio del 2010.
EAP utilizza prevalentemente protocolli e servizi già disponibili, ad esempio quelli già implementati in molti sistemi di controllo Ethercat per l’accesso a dispositivi di campo dall’esterno
tramite TCP/IP, perciò esso rappresenta un potenziamento
totalmente compatibile dello standard. Inoltre, EAP gestisce la
comunicazione nel range del ms al livello del controllo di processo e fra sistemi di controllo, mentre l’Ethercat Device
ETG-Ethercat Technology Group
Protocol gestisce la comunicazione di I/O e motion control a
livello di campo nel range del μs.
Incremento esponenziale dei membri ETG
La rapida crescita dell’Ethercat Technology Group continua a
velocità esponenziale e, dopo il superamento dei mille membri, accelera ulteriormente. Attualmente, gli associati ETG
hanno superato quota 1.200 e sono rappresentati da aziende
di 48 Paesi, equivalenti a una crescita di 314 iscrizioni all’anno. La maggior parte degli iscritti è ubicata in Germania, dove
Ethercat ha avuto origine, seguita da Stati Uniti, Giappone e
Cina/Taiwan. Una grande percentuale degli associati investe
attivamente nella tecnologia Ethercat.
Complessivamente, sono stati venduti oltre 900 kit d’implementazione.
Nello stand ETG alla recente SPS/IPC/Drives di
Norimberga (Germania), una demo multivendor
presentava 30 azionamenti di 20 produttori differenti,
tutti funzionanti in modo sincrono su una singola rete
Ethercat
La grande varietà di controllori, azionamenti, I/O e sensori
Ethercat si è riflessa anche nello stand ETG alla recente
SPS/IPC/Drives di Norimberga (Germania), dove sono stati
esposti oltre 200 dispositivi diversi. Fra gli espositori, anche
una demo multivendor con 30 azionamenti di 20 produttori
differenti, tutti funzionanti in modo sincrono su una singola
rete Ethercat: un potenziale record mondiale.
In un’altra demo sono stati presentati sistemi di controllo di
17 fornitori diversi.
Complessivamente, oltre 50 fornitori stanno già consegnando servoazionamenti Ethercat o hanno annunciato pubblicamente prodotti di questo tipo. Oltre 70 fornitori offrono dispositivi master Ethercat come PLC, controlli PC based, CNC e
Fieldbus & Networks - Gennaio 2010
17
Le ragioni
del successo
Abbiamo parlato con Martin
Rostan, direttore esecutivo
Ethercat Technology Group, del
presente e soprattutto del futuro
della tecnologia Ethercat.
Laureatosi nel 1992, Martin
Rostan ha studiato Ingegneria
Aerospaziale alle Università di
Stoccarda (Germania) e di
Southampton (Regno Unito).
Successivamente, ha diretto il
progetto di ricerca internazionale
che ha sviluppato la tecnologia
Canopen. Dal 1996 al 1998 è stato responsabile marketing e portavoce autorizzato di Selectron
System (Norimberga, Germania).
In un’altra demo a SPS/IPC/Drives sono stati presentati sistemi di controllo di 17
Nel 1998 è entrato in Beckhoff, prifornitori diversi
ma come senior product manager
per Ethernet e i sistemi fieldbus,
controllori embedded, utilizzando oltre 15 sistemi operativi poi, dal 2006, come direttore del marketing tecnologico.
realtime differenti per la loro implementazione.
Rostan partecipa a vari comitati della comunità fieldbus: oltre
Nel campo dei dispositivi di I/O la scelta è altrettanto ampia: a essere direttore esecutivo di ETG, presiede i gruppi Canopen
oltre 30 fornitori hanno infatti dispositivi Ethercat nel loro por- all’interno di CAN in Automation ed è in seno all’associazione
tafoglio di I/O.
Odva e in numerosi comitati di programmazione di congres-
ETHERCAT, OLTRE ETHERNET
La tecnologia Ethercat è stata sviluppata tenendo presenti le caratteristiche e i requisiti di comunicazione dei dispositivi di basso
costo, come terminali di I/O, sensori e controllori embedded. Ethercat utilizza solo frame Ethernet standard, secondo Ieee 802.3.
Tali frame sono trasmessi dal dispositivo master; i dispositivi slave estraggono e/o inseriscono dati nel frame ‘al volo’. Ethercat
utilizza quindi MAC Ethernet standard dove ciò ha più senso, ossia nel dispositivo master. I controllori slave Ethercat sono usati
dove tali chip dedicati hanno più senso, ovvero nei dispositivi slave, dove gestiscono il protocollo dei dati di processo a livello
hardware e offrono le massime prestazioni realtime indipendentemente dalla potenza di elaborazione o della qualità del software
locale.
La tecnologia Ethercat supera i limiti intrinseci di altre soluzioni basate su Ethernet. Ad esempio, i pacchetti Ethernet non sono più
ricevuti per essere interpretati, elaborati e successivamente copiati su ogni dispositivo, ma i dispositivi slave Ethercat leggono i
dati a loro indirizzati mentre il frame di trasmissione attraversa il nodo. Analogamente, i dati d’ingresso sono inseriti durante il
passaggio del telegramma, ritardando i frame di pochi ns. Il frame trasmesso dal master viene passato al dispositivo successivo e
da questo prosegue nello stesso modo, finché raggiunge la fine del segmento (o ‘branch’). L’ultimo dispositivo rileva una porta
aperta e ritrasmette quindi il frame al master.
D’altra parte, un frame Ethercat comprende i dati di molti dispositivi nelle direzioni d’invio e di ricezione. La percentuale di dati
utilizzabili aumenta quindi fino a superare il 90 per cento e, poiché le caratteristiche ‘full duplex’ dei supporti 100baseTX sono
utilizzate pienamente, è possibile raggiungere velocità dati effettive maggiori di 100 Mbps.
Il master Ethercat utilizza MAC (Medium Access Control) Ethernet standard senza processori di comunicazione addizionali. Un
master Ethercat può essere implementato su qualsiasi controllore di apparecchiature dotato di un’interfaccia Ethernet, indipendentemente dal sistema operativo o dall’ambiente applicativo.
A sua volta, lo slave Ethercat utilizza un Ethercat Slave Controller (ESC) per elaborare i dati ‘al volo’. Quindi, le prestazioni della
rete non sono determinate dalle prestazioni del microcontrollore dello slave, ma sono gestite completamente a livello hardware.
Una Process Data Interface (PDI) verso l’applicazione dello slave offre una RAM Dual-Port per lo scambio dei dati.
18
Fieldbus & Networks - Gennaio 2010
Cover story
si. È inoltre esperto tecnico in comitati di standardizzazione ISO e IEC
per la comunicazione
industriale. Attraverso
pubblicazioni su riviste
e libri, congressi e simposi, Rostan contribuisce alla diffusione delle
tecnologie fieldbus ed
Ethernet.
Fieldbus&Networks:
Parliamo del gruppo
Martin Rostan, direttore
di
utenti Ethercat oggi:
esecutivo di ETG
quali sono i principali
cambiamenti avvenuti nel gruppo rispetto al momento
della sua fondazione?
Martin Rostan: Quando abbiamo annunciato l’Ethercat
Technology Group (ETG) nel novembre del 2003, eravamo un
gruppo di 35 aziende. Nessuno di noi prevedeva che il gruppo
si sarebbe sviluppato fino a diventare una grande organizzazione internazionale in un tempo così breve, con sedi non solo
in Europa, ma anche in Giappone, Cina, Corea e negli Stati
Uniti d’America. Abbiamo iniziato con due persone part-time,
io e la mia segretaria, e ora ETG conta un team di 15 persone
occupate a tempo pieno. Non sono però solo le dimensioni in
quanto tali a fare la differenza: ciò che è iniziato
come un piccolo gruppo di
promozione, si è trasformato in un’organizzazione
fieldbus professionale, con
numerosi gruppi di lavoro
tecnici, comitati di marketing, diversi centri di test di
conformità, una task force
regionale e molti eventi in
tutto il mondo. ETG è
diventato partner di standardizzazione ufficiale IEC
ed Ethercat è uno standard
internazionale IEC, ISO e
Semi.
ETG-Ethercat Technology Group
48 Paesi. La Germania, il Paese nel quale la tecnologia è stata
inizialmente introdotta, ha ancora il gruppo di soci più numeroso, seguita da Stati Uniti, Giappone, Cina/Taiwan e, quindi,
dall’Italia, che è il secondo mercato europeo, per importanza,
di costruttori di macchine e dei controlli.
ETG è un’organizzazione di utenti e fornitori. I membri del
nostro gruppo rappresentano una grande varietà di settori,
che spaziano dal classico costruttore di macchine, come macchine CNC, presse, macchine per la plastica, macchine d’imballaggio e per il legno, alla logistica e alla movimentazione di
materiali, passando per la generazione e distribuzione dell’energia, i sistemi medicali, la robotica, la produzione di semiconduttori e l’industria automobilistica. Sul lato dei fornitori,
i nostri ‘member’ implementano Ethercat in controllori di tutti i tipi, azionamenti, sensori, sistemi di I/O, sistemi di
test&measurement e in tutti i tipi di elettronica embedded.
Ethercat è utilizzato in robot di assistenza in Corea, in apparecchiature di intrattenimento a Las Vegas, in macchine per
l’innevamento in Austria, in centrali eoliche in Cina, in fabbriche di semiconduttori in Giappone e in molte macchine di tutte le topologie in Italia.
F.N.: Come spiega il successo che è stato raggiunto da
Ethercat?
M.R.: Ethercat mette a disposizione una straordinaria combinazione di caratteristiche uniche: non solo è la tecnologia
Industrial Ethernet più veloce, ma anche l’unica che rispetta e
F.N.: Può commentare l’evoluzione delle aziende
che fanno capo al gruppo
utenti Ethercat in termini Un evento di formazione su Ethercat
di quantità e settori di
appartenenza dalla Fondazione?
persino supera verso il basso i livelli di costo dei fieldbus: è
M.R.: Dei 35 fondatori, 33 erano aziende europee. Nello stes- quindi una tecnologia molto economica. Offre inoltre la masso tempo, i soci ETG comprendono oggi oltre 1.200 aziende di sima flessibilità in termini di topologia, poiché supporta non
Fieldbus & Networks - Gennaio 2010
19
solo le topologie lineare, ad albero, a stella e ad anello, ma
anche loro combinazioni e questo senza limiti pratici riguardo al numero di nodi. È poi facile da implementare e utilizzare; presenta eccezionali caratteristiche diagnostiche, un robusto strato fisico e, non meno importante, la più ampia scelta di
dispositivi sia sul lato master, sia sul lato slave, perché è una
tecnologia realmente aperta.
F.N.: Quali sono gli standard per i prodotti relativi a
Ethercat?
M.R.: La comunicazione Ethercat è standardizzata come i profili dei dispositivi Ethercat. Il protocollo supporta i profili degli
azionamenti Canopen e Sercos ed è uno standard di comunicazione IEC ufficiale per entrambe le tecnologie. Tuttavia, il fatto che tutto sia standardizzato non è di per sé ancora sufficiente
a garantire l’interoperabilità. Per questo ETG ha stabilito test
e certificazioni d’interoperabilità e conformità, gestisce le
cosiddette ‘plug fest’ in Europa, Asia e Nord America e ha pubblicato diverse linee guida d’implementazione.
F.N.: Che cosa è in atto in questi standard? Come evolveranno?
M.R.: Consideriamo un contributo importantissimo nella
nostra storia di successo il fatto di essere riusciti a mantenere
stabile la base tecnologica: con Ethercat non vi sono cose come
un’altra versione della tecnologia più o meno incompatibile.
Fatta questa premessa, naturalmente, ETG migliora in modo
costante la tecnologia per coprire nuovi campi di applicazione. In linea con questo, abbiamo appena annunciato la soluzione EAP (Ethercat Automation Protocol), che migliora la tecnologia Ethercat portandola al livello del networking di fabbrica. Ciò permetterà di utilizzare Ethercat non solo come rete
di controllo di macchine, ma anche per comunicazioni da controllore a controllore, fra dispositivi wireless, per l’accesso
remoto senza routing e per la semplice integrazione nell’infrastruttura Ethernet esistente.
F.N.: Open source ed Ethercat... qual è il suo commento?
M.R.: Fin dal 2006 vi sono implementazioni ‘open’ e ‘shared
source’ di Ethercat, usate con successo in molte applicazioni
industriali. ETG supporta attivamente queste implementazioni, ma ha assunto la posizione secondo la quale l’‘open source’ non deve compromettere la compatibilità e interoperabilità della tecnologia: l’implementazione di varianti incompatibili della tecnologia non è supportata, indipendentemente dal
modello di licenza dell’implementazione. Esistono quindi delle regole che puntano ad assicurare la compatibilità e l’interoperabilità, nell’interesse migliore dell’apertura della tecnologia.
F.N.: Che cosa può dire circa la Safety over Ethercat?
M.R.: La Safety over Ethercat potenzia la tecnologia Ethercat
con la sicurezza funzionale in modo molto efficace ed efficiente. Dispositivi di sicurezza pienamente certificati che usano
questo protocollo sono disponibili dall’inizio del 2006, quindi,
a differenza di molte tecnologie concorrenti, la Safety over
EtherCAT è disponibile e collaudata. Numerose aziende la supportano già nei loro prodotti e parecchie la stanno attualmente implementando. Tutte le tecnologie ‘safe’ certificate dal TÜV
sono sicure, ma la Safety over EtherCAT garantisce in aggiunta tempi di reazione più brevi, un basso overhead e la possibilità di realizzare prodotti di sicurezza facili da utilizzare.
ETHERCAT TECHNOLOGY GROUP
ETG, Ethercat Technology Group, è l’associazione nella quale
aziende utenti chiave di vari settori e fornitori di automazione di
primo piano uniscono le loro forze per supportare, promuovere e
fare progredire la tecnologia Ethercat.
Poiché si tratta di una tecnologia aperta, il gruppo ETG assicura
che ogni azienda interessata possa implementare e utilizzare
liberamente Ethercat. Nello stesso tempo, si preoccupa di
garantire la compatibilità delle implementazioni Ethercat definendone i requisiti funzionali, i test di conformità e le procedure
di certificazione.
Obiettivo del Technology Group è fare in modo che la tecnologia
Ethercat soddisfi e superi i requisiti del range di applicazioni più
ampio possibile. Al fine di perseguire tale fine, il gruppo combina esperti di controlli e applicativi di costruttori di macchine,
system integrator, utenti finali e fornitori di automazione per
mettere a punto un feedback qualificato sull’applicazione della
20
Fieldbus & Networks - Gennaio 2010
Utenti finali e fornitori di automazione collaborano per
mettere a punto un feedback qualificato sull’applicazione
della tecnologia esistente e proposte per future
estensioni della specifica Ethercat
Cover story
ETG-Ethercat Technology Group
Una ‘plug fest’ Ethercat
F.N.: Che cosa può dire, invece, del controllo realtime su
Ethercat?
M.R.: Il control realtime è il dominio naturale di Ethercat, perché lo standard offre non solo tempi di ciclo e tempi di reazione molto brevi, ma anche una sincronizzazione molto precisa
in un range inferiore al μs, e tutto questo senza alcuno speciale
hardware master, ma solo con il software.
F.N.: Quali sono le future prospettive di Ethercat in quanto fieldbus? Diventerà mai un bus ‘general purpose’ o
rimarrà un bus ad alto livello ed elevate prestazioni?
tecnologia esistente e proposte per future
estensioni della specifica.
L’Ethercat Technology Group organizza incontri fra utenti e fornitori nei quali vengono rivisti e discussi in sessioni periodiche regolari
gli ultimi sviluppi di Ethercat. Ai membri ETG
sono riservati vari benefici, come l’accesso
preferenziale alle specifiche, white paper,
prototipi di valutazione e pre-serie di produzione, ottenendo quindi un vantaggio nella
valutazione, nell’uso o nell’implementazione
della tecnologia Ethercat. Inoltre, i membri
possono partecipare ai gruppi di lavoro e
hanno quindi la possibilità di influenzare i
futuri sviluppi delle specifiche Ethercat.
Infine, ETG rappresenta l’interesse degli associati nei
comitati di standardizzazione internazionali come IEC e
ISO. La membership è gratuita.
M.R.: La sua domanda mette in luce il nostro problema di marketing iniziale: solo perché Ethercat è una rete con prestazioni
così elevate, si tende a considerarla unicamente come una rete
di alto livello.
Una rete però non può mai essere troppo veloce, può essere
solo troppo costosa, troppo difficile da usare, troppo sensibile
o troppo complessa. Ethercat combina ‘veloce’ con ‘a basso
costo’, ‘robusto’ e ‘facile da usare’, perciò è sempre più riconosciuto come bus general purpose.
Non solo Beckhoff, l’inventore originale della tecnologia, ma
anche molti altri fornitori di sistemi di controllo utilizzano
Ethercat come la loro rete general purpose. La mossa più recente in questa direzione è venuta da Omron: l’azienda ha recentemente annunciato di avere selezionato Ethercat non solo
come il suo sistema bus per il motion control, ma anche come
il suo bus di controllo per macchine generiche. Alla fine del
2008 avevamo 17 fornitori di dispositivi I/O Ethercat, oggi ne
abbiamo 37.
F.N.: Quali sono le prospettive future di Ethercat rispetto
ai suoi principali concorrenti, come Profinet, Powerlink,
Ethernet IP e Sercos III?
M.R.: Ethercat è riconosciuto essere fra i primi tre, insieme a
Profinet ed Ethernet IP. Per il motion control, probabilmente è
già al primo posto.
Nel lungo termine, prevedo che Ethercat rimarrà il ‘numero
uno’ nel motion control e diventerà il ‘numero due’ nelle applicazioni generiche tipo PLC. Powerlink e Sercos III saranno i bus
di sistema delle aziende che li hanno inventati.
■
ETG-Ethercat Technology Group readerservice.it n. 01
Valerio Alessandroni
Fieldbus & Networks - Gennaio 2010
21