Martin Rostan, Beckhoff Automation
הבקר הראשון מבוסס PC סיפק כבר בשנת 1986 ביצועים גבוהים בזכות מעבד בעל עוצמה ומהיר יותר באופן משמעותי, ממה שהיה נקרא באותו זמן, בקרי חומרה. ההורדה של עוצמת המחשוב “אל הקרקע”, זאת אומרת, אל החיישנים והאקטואטורים (actuators) של המתקן האמור להיות תחת בקרה, נחשבה לאתגר. על אף שכרטיסי כניסות/יציאות (I/O) נתקעים נחשבו לפתרון, הם הוסיפו מספר מדוד של כניסות ויציאות לכמה חריצי התקנה פנויים, והובילו בדרך הטבע לריבוי חוטים, לחיווט לא גמיש של כל ההתקנים ההיקפיים, אל מחשב PC בארון הבקרה המרכזי. כתוצאה, התעורר הצורך בתקשורת fieldbus טורית – ועדיין בסוף שנות השמונים, טרם הייתה מערכת משכנעת: Interbus ,SERCOS ושותפיהם, היו עדיין בחיתוליהם, ומלכתחילה תמכו או בכניסות ויציאות או בבקרת הינע. פרוטוקולי הרשתות PROFIBUS DP
ו-CANopen טרם הומצאו. חברת Beckhoff הוציאה את המיטב מתוך הכורח ופיתחה את הפרוטוקול Lightbus, שהיה הבסיס לתקשורת Ethernet Fieldbus בזמן אמת שקיימת כיום: EtherCAT.
עיקרון הפעולה של Lightbus לעיבוד הודעות (telegram) תוך כדי עבודה, עם ערוצי תקשורת לוגיים מבוקרי סדרי עדיפות, הוביל כבר בשנת 1989 לנתוני ביצועים מרשימים: זמן עדכון של יותר מ-1000 כניסות/יציאות מבוזרות כל מילי שנייה, באותו זמן, בעזרת Lightbus, אפשר היה לעדכן כמה בקרי הינע מהירים כל 100 מילי שנייה. תקשורת Lightbus הייתה לכן אפילו בעלת עוצמה רבה יותר מיחידות יע”מ (CPU) של מחשבי PC המהירים ביותר באותו זמן, והניחה את היסודות לחיים ארוכים של טכנולוגיית fieldbus זו, המבוססת על סיב אופטי.
יותר מ-20 שנים לאחר פיתוחה, מערכת Lightbus היא עדיין המהירה ביותר, למעשה, מכל צורות תקשורת filedbus האחרות, והיא אף מהירה יותר מהרוב המכריע של הנגזרות התעשייתיות של רשת Ethernet, אשר מייצגות את הדור המתקדם ביותר של אפיקי fieldbus. אך אפילו אפיק Lightbus כבר אינו מהיר דיו, על מנת למפות באופן מלא את יכולת המחשוב של יחידות יע”מ (CPU) של מחשבי PC הקיימים כיום בהתקנים היקפיים במתקנים. אי לכך, פיתחה חברת Beckhoff את EtherCAT, אפשר לומר, הדור הבא של Lightbus. רשת EtherCAT משתמשת גם בעיקרון עיבוד תוך כדי פעולה ותומכת במספר בלתי מוגבל של ערוצי תקשורת לוגיים – אבל במדיום שהוא מהיר פי 40, בתקשורת Fast Ethernet, בקצב של 100 מגה סיביות/שנייה. EtherCAT יכולה ליצור קשר, למשל, עם 100 צירי סרוו כל 100 מיקרו שנייה. עם זאת, גם מחשב PC התעשייתי המהיר ביותר, לא יכול לחשב את אלגוריתמי הבקרה של מספר כזה של צירים כל 100 מיקרו שנייה. לכן Beckhoff שוב הפעם פיתחה מערכת של אפיק שהיא “בטוחה-לעתיד” ולא תהיה צוואר בקבוק במערכת בקרה בעתיד הניתן לחיזוי.
Fieldbus הופכת להיות צוואר הבקבוק של בקרה מבוססת מחשב PC
אפיקי Fieldbus הקלאסיים לא יכולים להתחרות בביצועים של בקרה מבוססת מחשב PC. לכן, למרות הביצועים הגבוהים של הבקר, לעתים קרובות, משתמשים בבקרים מיוחדים מקומיים ובהתקני ויסות נוספים לצורך עיבוד מוקדם מקומי של נתונים, כאשר נבחרים אפיק Fieldbus או מערכת Ethernet תעשייתית איטיים יותר. את הבקרים האלו חייבים לתכנת ולהגדיר באופן נפרד. דוגמאות לכך הן בקרים הידראוליים מיוחדים, בקרי הינע משולבים למיצוב או אפילו הבקרים לזרימה גבוהה שבמפעלים לייצור מוליכים למחצה. המבחר של חלקי חומרה וכלים שנדרשים לצורך כך, מעלים את עלות הרכישה, התכנון ההנדסי והתחזוקה. בקרים מקומיים מבוזרים יכולים להיות אמצעי ניסוי ובדיקה במכונות מודולריות, אך ביישומים רבים הם באופן פשוט למדי צורך שנולד כתוצאה מצוואר הבקבוק שבתקשורת.
אפשר גם לסגור חוגי בקרה מהירים ביותר, דרך אפיקים, על ידי שימוש ברשתות EtherCAT ו-TwinCAT, בקרים מיוחדים מורכבים וכלי התכנות שלהם הופכים למיותרים, ואפשר להחליפם בטרמינלים מהירים של כניסות ויציאות ובבלוק פונקציות של בקר TwinCAT. וזה לא רק פחות יקר, זה גם פותח את “הקופסה השחורה” של הבקר המיוחד: אם נדרש, יצרן המכונה או אינטגרטור המערכת יכולים לבצע אופטימיזציה של תוכנת הבקר עבור היישום שלה, או אפילו להחליף אותה לגמרי באלגוריתמי בקרה, אשר בעזרתם יציבו עצמם מעל לתחרות. עם TwinCAT 3, המשתמשים יכולים גם לפתח באופן אלגנטי את אלגוריתמי הבקרה האלו ולאתר בהם שגיאות באופן מקוון בעזרת
®MatlabR/Simulink אוC/C++.
ארכיטקטורת EtherCAT מאפשרת לבצע תכנוני IPC קומפקטיים
הביצועים היוצאים מן הכלל של EtherCAT הובילו לא רק לארכיטקטורות בקרה מפושטות, אלא גם למבני חומרה מפושטים ב-IPC עצמה: את ממשקי Fieldbus – אשר הם עדיין נדרשים במתקנים רבים מסיבות של הגנה על ההשקעה והגירה אלגנטית ל- EtherCAT או לצורך קישוריות למערכות שכנות – אפשר ליישם כטרמינלי EtherCAT ולכן, הם מחוברים באופן מקומי. מספר חריצי הכרטיס באפיק מחשב PC מקומי כבר לא קובע את המבנה ואת יכולת ההתרחבות של המערכת. התקני IPC הפכו להיות קומפקטיים יותר. כבלי Fieldbus הפכו קצרים יותר וכך מאפשרים קצבים מאוד גבוהים – רווח נוסף בביצועים.
עם זאת, לא רק יישומים עם חוגי בקרה סגורים מפיקים תועלת מהשילוב של בקר בעל ביצועים גבוהים ותקשורת בביצועים גבוהים: כל היישומים עם בקרה תלויית אירועים מואצים אף הם. לעתים קרובות מאוד, הצעד הבא בעבודה תלוי בהתרחשות של אירוע. הוא ימשיך ברגע שחלק העבודה יגיע, הבוכנה הפנאומטית תגיע למיקום היעד שלה, החלק המיועד להתקנה יהיה בפועל בתוך התופסן או שהלחץ הרצוי יהיה זמין. לצורך כך, חיישנים עוברים סריקה רציפה ומחזורית, כאשר הזמן הנדרש לתגובה על התרחשות האירוע, תלוי באופן ישיר בתדירות הסריקה וביעילות התקשורת. בעזרת אפיק מהיר במיוחד כמו EtherCAT, מודולי כניסות ויציאות מהירים, TwinCAT ובקר PC – זמני ההמתנה הקטנים האלו מתקצרים עוד ובאופן משמעותי. התוצאה היא גידול מהותי ביעילות של המתקן בהשוואה לטכנולוגיית בקרה רגילה. במקרה של מתקן הרכבה, נניח עם שני אירועים כאלו בשנייה, ההמרה לבדה “מתקשורת PLC בעזרת fieldbus מסורתי” אל “תקשורת PLC בתוכנה בעזרת EtherCAT” יכולה להשיג תפוקה רבה יותר ב-3%, בערך.
EtherCAT – מהיר, גמיש ולא יקר
EtherCAT הוא אפיק Fieldbus המהיר ביותר ולכן, ערכו מוקטן ל”ביצועים גבוהים” בלבד. עם זאת, כמבוסס מחשבי PC עם TwinCAT, הוא לא רק מהיר ביותר, אלא גם ניתן לשדרוג, גמיש, משולב ברמה גבוהה, ידידותי למשתמש ולא יקר. רבים משתמשים בטכנולוגיית EtherCAT על אף שלא נדרשים להם היתרונות שלה בביצועים. היתרונות מבחינתם הם בעלויות נמוכות, בטופולוגיה הגמישה שלא נדרשים לה רכיבי תשתית אקטיביים, בתצורה הפשוטה, הקצאת הכתובות האוטומטית, מאפייני האבחון המצוינים עם איתור תקלות או בשימוש הנרחב שלה בעולם ובמבחר הגדול של התקני EtherCAT שקיים. או שמא היתרון פשוט גלום בעובדה שמומחה EtherCAT לא זקוק כלל לחומרת עזר; די בממשק Ethernet, שקיים ממילא במחשבי PC. עובדה זו, כשלעצמה, הופכת את טכנולוגיית EtherCAT לשותף הטבעי של טכנולוגיית הבקרה מבוססת מחשבי PC, ושתי הטכנולוגיות אכן “בעלות ביצועים גבוהים”, בכל מקרה.
