Passage du CANopen à EtherCAT

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Dans cet article, acontis, souligne certains des avantages clés que leurs clients signalent lors du passage des bus de terrain classiques comme CANopen ou DeviceNet à EtherCAT.

Comme la comparaison directe des réseaux entre eux donnera lieu à une sorte d’analyse théorique des données, acontis met en évidence certaines des différences et des avantages en utilisant des cas d’utilisation réels.

• Pourquoi sélectionnez-vous CAN/CANopen et EtherCAT?
• Comment identifier la raison du changement ?
• Premier avantage : obtenir une meilleure qualité de produit grâce à une plus grande précision
• Y a-t-il d’autres exemples où une communication rapide contribue à améliorer la précision ?

Depuis la seconde moitié des années 1990, CANopen est l'un des bus de terrain les plus importants dans la construction mécanique, la technologie médicale et de nombreuses autres applications, des petits appareils comme les distributeurs automatiques aux systèmes à grande échelle comme les ascenseurs ou l'automatisation des navires. Il a été implémenté dans de nombreux automates programmables et dans encore plus de contrôleurs embarqués ou basés sur PC.

EtherCAT a été lancé en 2003 en tant que « bus de terrain Ethernet » et est aujourd'hui l'implémentation Ethernet industriel la plus réussie - avec plus de 7000 membres de l'organisation d'utilisateurs et près de 80 millions de nœuds sur le terrain. EtherCAT utilise des idées éprouvées du monde des bus de terrain - telles que la topologie de ligne et la prise en charge d'éléments de protocole et de structures de données connus, par exemple CoE (CANopen over EtherCAT) - et les complète avec les possibilités d'Ethernet telles qu'un débit de données très rapide, des latences extrêmement faibles et des supports de transmission optimisés.

Grâce aux concepts de communication et aux structures de données comparables de CoE, EtherCAT est un substitut idéal à CANopen - le changement permet de transférer beaucoup plus de données en toute sécurité avec beaucoup plus de participants dans un temps beaucoup plus court - tandis que le concept du système lui-même peut être conservé : Cela signifie que la même topologie de réseau peut être utilisée et que le contrôleur EtherCAT peut également être configuré comme un maître CANopen sur différentes plates-formes : des petits contrôleurs embarqués pour les systèmes gérables aux PC industriels pour les applications gourmandes en énergie telles que les systèmes de mesure ou les robots multi-axes complexes.

Une simple « comparaison des fiches techniques » de CANopen avec EtherCAT peut être très complète, car il existe de nombreux aspects différents à comparer – et ils ont une signification différente pour tout système utilisant CAN ou EtherCAT, d'autant plus que les deux réseaux sont utilisés dans de nombreuses applications qui diffèrent considérablement – des réseaux simples et petits, par exemple dans les distributeurs automatiques, aux réseaux à grande échelle avec des milliers d'appareils dans des machines complexes comme les navires ou l'automatisation d'étage entièrement intégrée.

Les réseaux rapides sont généralement considérés comme bénéfiques pour les machines rapides, comme les entraînements rapides ou les robots. Cependant, un réseau de communication rapide offre également des avantages significatifs pour les machines qui semblent lentes à première vue. Une communication plus rapide peut être la base pour accélérer la machine elle-même, mais elle peut également être utilisée pour augmenter considérablement la précision des machines, conduisant ainsi à un traitement de meilleure qualité.

L'exemple suivant illustre à quel point les débits de données rapides et surtout le temps de cycle extrêmement court d'EtherCAT peuvent contribuer à une amélioration significative de la précision et donc de la qualité du produit : découpe de matériaux alimentés en continu. Il s'agit d'un processus typique dans de nombreuses applications : couper quelque chose à la longueur exacte, qu'il s'agisse de matériaux rigides ou flexibles. En fonction du mécanisme de coupe et de la durée de coupe, plusieurs axes doivent être étroitement synchronisés.

Ainsi, en tant que concept de base, lors de la découpe d'un matériau alimenté en continu, le temps de réaction du processus de découpe détermine la précision de la découpe.

Par exemple, avec seulement 5 ms lors d'une découpe à une vitesse de convoyeur de 2 m/s signifie des écarts de 10 mm dans le processus de découpe. > Si, par exemple, des bandes de bois d'une longueur de 1 m sont produites, le client n'acceptera pas de marchandises avec des longueurs fluctuantes allant jusqu'à 1 cm et donc une différence de longueur de 1 %, que ce soit visuellement ou techniquement.

Avec un bus de terrain classique tel que CAN/CANopen, la transmission d'un message de 8 octets de données à 250 kbit/s prend dans le cas optimal un peu moins de 500 µs (pas de bourrage de bits, priorité la plus élevée, bus libre). Si le bus est occupé ou si le message n'est pas transmis avec la priorité la plus élevée, le temps de transmission est multiplié - dans un système bien conçu, on peut supposer un temps de transmission moyen de 5 à 10 ms pour les messages importants - ce qui signifie dans l'exemple que la qualité du résultat ne répond pas aux exigences. Dans de nombreux systèmes, des temps de transmission inférieurs à 20 ms ne peuvent pas être atteints et les pics de temps de cycle inévitables conduisent à des rejets.

EtherCAT offre un cycle fiable grâce à la structure de transmission spécifique, etc. et permet des systèmes extrêmement rapides grâce à la vitesse de transmission élevée et aux structures logicielles simples - avec des temps de transmission de l'ordre de la µ-seconde.

Avec un temps de cycle de 250 µs, la précision du processus de découpe peut être considérablement augmentée - en supposant un jitter (logiciel inclus) de 500 µs, une précision de 1 mm peut être atteinte.

Ainsi, même avec des machines à première vue assez simples, les boucles de régulation à grande vitesse et à haute précision possibles avec EtherCAT font la différence – non seulement en termes de « rendement en matières premières », mais aussi en termes de produits précis et de haute qualité.

Bien sûr, il existe de nombreux autres exemples où la communication rapide, les temps de cycle courts et, dans certains cas, la fonction EtherCAT « Distributed Clock » pour un fonctionnement synchrone sont essentiels pour la réalisation de machines :

Fabrication de semi-conducteurs -> Lithographie : les temps d'exposition doivent être extrêmement précis lors de l'exposition des plaquettes de silicium. Même les plus petits écarts peuvent entraîner des erreurs dans les circuits intégrés.
Il en va de même pour les processus de gravure des plaquettes : la durée des processus de gravure doit être contrôlée avec précision pour obtenir la profondeur et la forme souhaitées des structures.

Dans l'automatisation industrielle classique, la production contrôlée par robot n'est qu'un exemple : le mouvement synchronisé de plusieurs robots nécessite une mesure du temps très précise. Et si nous pensons aux robots de soudage, nous ajoutons les processus de soudage eux-mêmes : le temps de soudage doit être précisément adapté aux propriétés du matériau pour garantir une connexion stable et sûre.

Il existe également de nombreux exemples dans le domaine des technologies médicales où le timing est essentiel, comme dans l’irradiation des tumeurs : le moment de l’irradiation doit être précis à quelques millisecondes près pour épargner les tissus sains et combattre efficacement la tumeur.