EtherCAT vs. PROFINET: Melyik protokoll biztosít gyorsabb PLC ciklusidőket?
Az architekturális különbség, amely meghatározza a teljesítményt
Az ipari kommunikációs protokollok alakítják, hogyan áramlik az adat a vezérlőrendszerben. A PROFINET szolgáltató-fogyasztó modellben működik, ahol az eszközök kapcsolókon keresztül cserélnek adatokat. Ez a megközelítés jól működik nagy gyári hálózatok esetén, de minden kapcsolóponton késleltetést okoz. Az EtherCAT teljesen más utat jár be. Feldolgozás menet közben módszert alkalmaz, ahol a keretek megállás nélkül haladnak át a slave eszközökön. Minden csomópont nanomásodpercek alatt olvas és ír adatokat, miközben a telegram áthalad. Ez az alapvető különbség egyértelmű előnyt biztosít az EtherCAT számára olyan alkalmazásokban, amelyek 100 mikrosecundumnál rövidebb ciklusidőt igényelnek. Ezt többször is tapasztaltuk nagy sebességű gépeknél, ahol minden mikrosecundum számít.
A mozgásvezérlés szempontjából fontos teljesítménymutatók
Az önmagában vett sebesség nem mond el mindent. Az időzítés következetessége, vagy jitter, határozza meg, mennyire simán működnek a többtengelyes rendszerek. Egy nemrégiben vizsgált műanyag fröccsöntő soron a PROFINET IRT 500 µs ciklusidőt és 2 µs jittert produkált egy Siemens S7-1518 vezérlővel. Ez a teljesítmény jól megfelelt az alkalmazásnak. Azonban egy downstream robotos pick-and-place cella, amely hat koordinált tengelyt igényelt, EtherCAT-re váltott. A Beckhoff CX2040 rendszer 100 µs ciklusidőt ért el 0,2 µs alatti jitterrel. Ennek eredményeként simább mozgás és 15%-kal gyorsabb válogatási sebesség valósult meg. Ezért a precíz mozgásvezérléshez az EtherCAT elosztott óra technológiája jobb szinkronizációt biztosít.
Infrastruktúra rugalmassága és telepítési gazdaságosság
A fizikai réteg gyakran meghatározza a teljes projekt költségeit. A PROFINET széles körben használja a szabványos IT infrastruktúrát. Használhatók menedzselt kapcsolók, CAT6 kábelezés és hagyományos hálózati tervek. Ez a megszokottság csökkenti a karbantartó csapatok képzési igényét. Az EtherCAT nagyobb topológiai szabadságot kínál kapcsolók nélkül. Egy nemrégiben tanácsolt autóipari alkatrész utólagos beépítés ezt jól szemléltette. A meglévő üzem régebbi fieldbus rendszerből származó láncolt kábelezéssel rendelkezett. Az EtherCAT bevezetésével az integrátor a meglévő kábelek 85%-át újrahasznosította. Ez a döntés mintegy 18 000 € megtakarítást eredményezett az újrakábelezésen. Ugyanakkor a master interfész speciális PCIe kártyát igényelt, ami magasabb kezdeti beruházást jelentett.
Alkalmazási illeszkedés: protokoll kiválasztása iparági vertikum szerint
Különböző iparágak eltérő hálózati jellemzőket igényelnek. A nagy pontosságú mozgásvezérlési alkalmazások következetesen az EtherCAT-et részesítik előnyben. Nyomdagépek, CNC marók és csomagológépek profitálnak az al-mikrosecundumos szinkronizációból. Egy német nyomdagépgyártó nemrég 18 szervó tengelyt szinkronizált EtherCAT segítségével. 62 µs ciklusidőt értek el minden tengelyen, lehetővé téve 0,1 mm-es nyomtatási regisztrációs pontosságot 300 méter/perc sebességnél. Ezzel szemben a PROFINET uralja a folyamatautomatizálást és a nagyléptékű anyagmozgatást. Egy észak-amerikai autógyár több mint 8 000 I/O pontot kezel PROFINET IRT-vel. A hálózat 150 hegesztő vezérlőt, 400 érzékelőt és 50 robotot integrál egyetlen optikai gyűrűn 4 ms determinisztikával. A diagnosztikai eszközök 70%-kal csökkentették a hibakeresési időt a korábbi Profibus rendszerhez képest.
Valós adatok: félvezető lapka kezelési eset
Egy félvezető berendezésgyártó objektíven akarta összehasonlítani a két protokollt. Egy tesztállványt építettek nyolc szinkronizált tengellyel, ismétlődő pick-and-place ciklusokat végrehajtva. A PROFINET IRT 250 µs ciklusidőt és 1,1 µs jittert produkált. Ez megfelelt a specifikációnak, de kevés tartalékot hagyott. Ugyanazon hardver EtherCAT-re való átkonfigurálása 125 µs ciklusidőre és 0,08 µs jitterre csökkentette az értékeket. A jobb dinamika 22%-kal csökkentette a beállási időt, lehetővé téve 4,3%-kal nagyobb áteresztőképességet. A félvezető gyártásban minden százalékpont áteresztőképesség milliós éves bevételt jelent. A választás egyértelművé vált a következő eszközgenerációhoz.
Diagnosztikai képességek és prediktív karbantartás
A PROFINET vezet a diagnosztikai mélység és az vállalati rendszerekkel való integráció terén. Riasztási modellje részletes információkat nyújt a kábelromlásról, az eszköz állapotáról és a kommunikációs hibákról. Egy európai vegyi üzem PROFINET diagnosztikát használ a kábelhibák előrejelzésére, még mielőtt bekövetkeznének. Ezzel a prediktív megközelítéssel 35%-kal csökkentették a tervezetlen leállásokat. Az EtherCAT diagnosztika inkább a ciklusidő megsértésére és keretvesztésre fókuszál. Bár a legtöbb alkalmazáshoz elegendő, nem rendelkezik a PROFINET átfogó riasztási struktúrájával. Azoknak a létesítményeknek, amelyek erős IIoT kezdeményezésekkel és prediktív karbantartási programokkal rendelkeznek, a PROFINET jelenleg gazdagabb adatfolyamokat kínál.
Szállítói ökoszisztémák és hosszú távú támogatási szempontok
A protokollválasztás gyakran közvetlenül a vezérlőplatformokhoz kötődik. A PROFINET zökkenőmentesen integrálódik a Siemens TIA Portalba. Ha a csapat rendelkezik Siemens tanúsítványokkal, ez az ökoszisztéma ismeret csökkenti a fejlesztési időt. Egy élelmiszer-csomagoló cég a PROFINET-et választotta, mert a belső csapatuk öt év Siemens tapasztalattal bírt. Becslésük szerint 400 mérnöki órát spóroltak az első nagy projektjükön. Az EtherCAT szélesebb körű többgyártós támogatást élvez. A Beckhoff, ABB, Yaskawa és több tucat hajtásgyártó kínál EtherCAT csatlakozást. Ez a nyitottság lehetővé teszi a legjobb komponensek keverését különböző beszállítóktól. Egy gépgyártó, akivel dolgozunk, egy gyártó szervóhajtásait és egy másik I/O-ját választja, mind zökkenőmentesen kommunikálva EtherCAT-en keresztül.
Feltörekvő trendek: TSN és protokollkonvergencia
A Time-Sensitive Networking az ipari Ethernet jövőjét képviseli. Mind a PROFINET, mind az EtherCAT alkalmazkodik a TSN szabványokhoz. A PROFINET over TSN megőrzi diagnosztikai erősségeit, miközben egyszerűsíti a hálózati konfigurációt. Az EtherCAT fejleszti az EtherCAT G és G10 verziókat a sávszélesség növelésére, miközben megőrzi a feldolgozás menet közben mechanizmust. Ezek a fejlesztések azt sugallják, hogy mindkét protokoll évtizedekig együtt fog létezni. A mai választásnál érdemes figyelembe venni a migrációs útvonalakat. Ajánljuk olyan vezérlők választását, amelyek mindkét protokollt támogatják, vagy egyértelmű frissítési lehetőséget kínálnak TSN-alapú rendszerekre.
Részletes alkalmazási esetek mért eredményekkel
1. eset: Nagy sebességű karton csomagolás (EtherCAT)
Alkalmazás: Egy svájci csomagolósor a termelést 180-ról 260 karton/perc sebességre kívánta növelni. A rendszer 14 szervó tengelyt tartalmazott adagoláshoz, hajtogatáshoz és lezáráshoz.
Megvalósítás: A mérnökök a meglévő CAN-alapú hálózatot EtherCAT-re cserélték egy ipari PC-n futó TwinCAT rendszerrel. Elosztott órákat konfiguráltak az összes hajtás között, és integráltak egy látórendszert a nyomtatásellenőrzéshez.
Számadatok: A ciklusidő 3,2 ms-ról 325 µs-ra csökkent. A jitter 0,15 µs volt minden tengelyen. A termelés elérte a 275 kartont percenként, ami 5,8%-kal haladta meg a célt. A selejtszám 2,1%-ról 0,4%-ra csökkent a vágó és adagoló jobb szinkronizációja miatt.
2. eset: Autóipari karosszéria műhely felújítás (PROFINET)
Alkalmazás: Egy Tier 1 autóipari beszállítónak modernizálnia kellett egy hegesztősort 45 robottal és 2 500 I/O ponttal, 300 méteren elosztva.
Megvalósítás: PROFINET IRT-t telepítettek SCALANCE XC kapcsolókkal gyűrű topológiában. A hálózat integrálta a meglévő Profibus eszközöket átjárókon keresztül, és 30 új IRT-képes szervóhajtást adott hozzá.
Számadatok: A rendszer minden biztonsági és vezérlési adat esetén 2 ms ciklusidőt tartott. A hálózati redundancia biztosította, hogy kábelhiba teszt alatt ne legyen termelésleállás. A diagnosztikai eszközök 48 órával a teljes meghibásodás előtt azonosítottak egy hibás csatlakozót, lehetővé téve az ütemezett cserét műszakváltáskor.
3. eset: Intralogisztikai szortírozó rendszer (Összehasonlító)
Alkalmazás: Egy elosztóközpont szortírozó rendszert igényelt, amely 12 000 csomagot kezel óránként 96 elválasztó állomással.
Tesztadatok: A mérnökök mindkét protokollt azonos hardveren értékelték. A PROFINET IRT 4 ms ciklusidőt és 15 µs jittert ért el, sikeresen kezelve az összes 96 elválasztót. Az EtherCAT ugyanazon hardveren 1 ms ciklusidőt és 0,5 µs jittert produkált.
Eredmény: Az ügyfél a PROFINET-et választotta, mert a diagnosztikai eszközök indokolták a kissé magasabb ciklusidőket. A karbantartó csapatok központi HMI-ről tudtak hibát keresni, ami 45%-kal csökkentette az átlagos javítási időt a korábbi rendszerhez képest.
4. eset: Gyógyszeripari töltősor (EtherCAT)
Alkalmazás: Egy steril töltősor 12 tengely szinkronizálását igényelte, hogy 450 fiolát töltsön percenként ±0,5% térfogati pontossággal.
Megvalósítás: Az EtherCAT összekötötte az összes szervóhajtást, I/O blokkot és a töltősúly vezérlőt. A rendszer vonal topológiát használt kapcsolók nélkül, egyszerűsítve a validálási és tisztítási eljárásokat.
Számadatok: Az elosztott órák 0,08 µs-on belül tartották a tengelyek szinkronizációját. A töltési pontosság ±0,3%-ra javult, évente 120 000 €-val csökkentve a termékveszteséget. A sor az átvételi teszten 482 fiolát töltött percenként.
Gyakorlati választási keretrendszer mérnököknek
Kiterjedt terepi tapasztalatok alapján strukturált megközelítést javaslunk a protokoll kiválasztásához. Először dokumentálja a legrosszabb eset ciklusidő követelményét. Ha 250 µs alatt több szinkronizált tengelyre van szükség, az EtherCAT erős megfontolást érdemel. Másodszor, értékelje diagnosztikai igényeit. Ha a prediktív karbantartás és részletes eszközállapot-figyelés a legfontosabb, a PROFINET jobb eszközöket kínál. Harmadszor, vegye figyelembe a csapat meglévő képességeit. Egy Siemens-képzett csapat gyorsabban fejleszt PROFINET alkalmazásokat kezdetben. Negyedszer, mérlegelje az alkatrészbeszerzési stratégiát. Ha több beszállítót szeretne keverni, az EtherCAT szélesebb interoperabilitást biztosít. Végül számolja ki a teljes telepítési költséget, beleértve a kábelezést, kapcsolókat és mérnöki időt. Láttunk olyan projekteket, ahol az EtherCAT 15-20%-kal spórolt az infrastruktúrán, annak ellenére, hogy a master hardver költsége magasabb volt.
Gyakran ismételt kérdések automatizálási szakemberektől
Melyik protokoll biztosít gyorsabb ciklusidőket többtengelyes mozgásvezérléshez?
Az EtherCAT tesztjeinkben következetesen gyorsabb ciklusidőket ér el. 16 tengely esetén általában 100-250 µs alatt frissít az EtherCAT, míg a PROFINET IRT 250 µs-tól 1 ms-ig igényel. Az EtherCAT elosztott óra mechanizmusa teszi lehetővé ezt a teljesítményelőnyt.
Lehet-e keverni szabványos Ethernet eszközöket ugyanazon hálózaton, mint a valós idejű forgalmat?
Igen, de fontos korlátozásokkal. A PROFINET jól kezeli a vegyes forgalmat prioritás címkézéssel rendelkező kapcsolókon keresztül. Az EtherCAT képes szabványos IP forgalmat alagútozni a szegmensein, de ez késleltetést okoz. Kritikus valós idejű vezérléshez külön fizikai hálózatokat javaslunk.
Hogyan befolyásolják a hosszú távolságok a protokollválasztást?
Mindkettő támogatja az optikai szálat 100 méternél hosszabb távolságokra. A PROFINET könnyen integrálható szabványos optikai kapcsolókkal. Az EtherCAT speciális E-bus átalakítókat igényel a száloptikás konverzióhoz. Nagyon hosszú távolságokra a PROFINET általában rugalmasabb lehetőségeket kínál szabványos IT komponensekkel.
Melyik protokoll nyújt jobb diagnosztikai információkat a karbantartó csapatok számára?
A PROFINET jelentősen vezet a diagnosztikai mélységben. Részletes riasztásokat ad a kábelromlásról, eszközállapotról és kommunikációs hibákról közvetlenül a HMI-re. Az EtherCAT diagnosztika a ciklusfigyelésre és kerethibákra koncentrál. Prediktív karbantartási programokhoz a PROFINET gazdagabb adatokat kínál.
Az egyik protokoll költséghatékonyabb-e a másiknál kis rendszerek esetén?
Kis rendszerekben, 5-10 eszközzel a PROFINET gyakran olcsóbb, mert sok PLC integrált PROFINET porttal rendelkezik. Az EtherCAT általában master interfész kártyát igényel, ami 500-1 500 € kezdeti költséget jelent. Azonban 20 eszköz felett az EtherCAT slave gazdaságossága gyakran összességében költséghatékonyabbá teszi.
Következtetés: Protokoll illesztése az alkalmazási követelményekhez
Az ipari Ethernet területén két kiváló választás áll rendelkezésre, eltérő erősségekkel. Az EtherCAT vezet sebességben, szinkronizációs pontosságban és topológiai rugalmasságban. Alkalmas nagy teljesítményű mozgásvezérléshez, csomagológépekhez és félvezető berendezésekhez. A PROFINET kiváló diagnosztikai mélységben, vállalati integrációban és nagyléptékű üzem hálózatokban. Illik autóipari összeszereléshez, folyamatautomatizáláshoz és erős Siemens ökoszisztémával rendelkező létesítményekhez. Egyik protokoll sem rossz választás. A sikeres mérnökök az adott alkalmazási követelményeket, a csapat képességeit és a hosszú távú bővíthetőséget mérlegelik döntés előtt. Ajánljuk, hogy építsenek kapcsolatokat mindkét technológia beszállítóival, hogy megőrizzék a rugalmasságot a jövőbeli projektekhez.
