EtherCAT 轻松实施的先进技术实现中国制造业升级 范斌 中国区代表, EtherCAT 技术协会 b.fan@ethercat.org.cn 18611704950
议题 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 工业 4.0 及物联网 架构 与 OPC 的合作 工业 4.0 的现场总线 EtherCAT 运行原理 EtherCAT 实现中国制造业升级 客户和用户获益 更棒的质量 更高的效率和更高的产量 更低的成本 总结
什么是工业 4.0? 工业 4.0: 第四次工业革命 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
工业 4.0: 智慧工厂内部实现的物联网 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 将物联网及服务引入到制造环境中 信息物理系统 : 智能设备和产线可以自动交换信息, 跟踪动作并彼此独立控制 智能产品实现的智能工厂 : 智能产品可独立识别, 并了解自身历史, 目前状态及转变路径从而实现其目标状态 目的 : 实现灵活, 动态, 透明的生产
工业 4.0 和物联网需要通讯 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 Connectivity to any End Points Common semantic model
一句话表述工业 4.0 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
ETG 倡议实现的工业 4.0 和物联网 工业 4.0 和物联网都是关于 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 EtherCAT 就是具有出色的实时特性的以太网现场总线 OPC UA 是集成了网络安全功能的可扩展通讯 这是两种技术优势互补的理想途径
ETG 和 OPCF: 达成谅解备忘录 ETG 和 OPC 基金会达成谅解备忘录
架构 3. EtherCAT 实现中国 EAP 用于 EtherCAT 领域的横向通讯 Cloud OPC-UA 用于纵向通讯, 以连接非 EtherCAT 系统 制造业升级 MES OPC-UA SCADA EtherCAT Automation Protocol HMI EtherCAT for hard real time EtherCAT Device Protocol (Ethernet on-the-fly)
以太网用于硬实时通讯? 主要通讯问题 : 1. 带宽利用率 2. 堆栈延迟 3. 交换机延迟
1. 工业以太网带宽利用率 最小以太网帧 : 84 Bytes 举例 : 带有 4 Bytes 的过程数据 (32 I/O): 4/84 = 4,75% 应用数据占比 84 Bytes, 任何以太网协议 14 Bytes 过程数据, e.g. 1..4 Bytes 4 B. 14 Bytes Ethernet HDR Process Ethernet Frame Payload: min. 46 Bytes Data FCS CRC Interpacket Gap
2. 工业以太网堆栈延迟 Industrial Ethernet Protocol Stacks are BIG Processing them needs TIME
2. 工业以太网堆栈延迟 EtherCAT is LEAN
3. 工业以太网交换机延迟 所有交换机都采用 存储转发机制, 而线型拓扑意味着交换机叠加 积累延迟及抖动甚至没有缓冲延迟 ( 若交换机空闲 ) 每个交换机典型的 存储并转发 延迟时间 : 帧长 (7 122µs) + 3µs. 例如 : 整个帧, 20 节点, 线型拓扑 : 2,5 ms Switch Internal Switches Switch Internal Switch Internal Switch
工业 4.0 和物联网的现场总线 最快的工业以太网技术 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 1000 个数字量 I/O:30µs 100 个伺服轴 :100 µs 通讯直达 IO 最大化利用标准以太网端口 获得独特性能的原因 : EtherCAT 运行原理 (EtherCAT on the Fly)
运行原理 :Ethernet on the Fly 高效 最佳的带宽利用率获得最高性能
EtherCAT 解决了影响性能的问题 主要性能问题 : 1. 带宽利用率 解决! 2. 堆栈延迟 解决! 1. 交换机延迟 解决!
实现中国制造业升级 EtherCAT 不仅仅超高速, 而且 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 使用简单 低成本 实施轻松 真正开放!
实现中国制造业升级 使用简单? 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 每种总线都声称其使用简单! 但是真正需要关注的是 : 需要多少 IT 专业知识, 且配置的工作是否繁复?
决定性因素 : 使用简单 案例 : 钢铁生产 Danieli, 意大利 : 冷热轧机应用中的 HiPAC 控制系统 In Production as of 3/2015: 20 steel mill plants in China, USA, Italy, Germany and Austria Krzysztof Guzik, Executive Manager Flat Products, Danieli Automation: EtherCAT 显著提高了系统的灵活性, 简化了硬件设计 系统设计和安装 由于包含高速 EtherCAT 的 HiPAC 灵活架构, 缩短了产品上市时间, 并减少了系统调试时间
实现中国制造业升级 低成本? 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 每种总线都声称其节省成本! 但真正需要关注的是 : 需要多少硬件设备? 供应商之间是否有真正的竞争?
实现中国制造业升级 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 更少的硬件! 主站 集成的网口 无需其他硬件 从站 低成本从站控制器 FPGA 或者 ASIC 无需强大的微处理器及大量资金 32 Bit µc 基础架构 无需交换机集线器 标准接插件
实现中国制造业升级 工业中最广泛的产品选择! - 真正的竞争, 广泛的选择, 低价格
实现中国制造业升级 真正开放? 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 每种总线都声称其真正开放! 但真正需要关注的是 : 有多少主站 / 控制器提供商支持该技术?
EtherCAT 主站 ( 控制器 ) 提供商 (Vendors that ship or have 2015 announced 中国工业互联网大会 EtherCAT master devices as of 03/2015. Not all products shipping yet.)
3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 EtherCAT: 一个全球标准!
EtherCAT 技术协会会员发展 3000 2500 Feb 2014 Feb 2015: + 412 2000 1500 1000 500 0 Nov-03 Feb-04 May-04 Aug-04 Nov-04 Feb-05 May-05 Aug-05 Nov-05 Feb-06 May-06 Aug-06 Nov-06 Feb-07 May-07 Aug-07 Nov-07 Feb-08 May-08 Aug-08 Nov-08 Feb-09 May-09 Aug-09 Nov-09 Feb-10 May-10 Aug-10 Nov-10 Feb-10 May-11 Aug-11 Nov-11 Feb-12 May-12 Aug-12 Nov-12 Feb-13 May-13 Aug-13 Nov-13 Feb-14 May-14 Aug-14 Nov-14 Feb-15 31
ETG 会员, 截止到 2015.6.2 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
ETG 会员各大洲分布 ROW EtherCAT 技术协会 : 真正的全球性组织! 亚洲 美国 33 会员 欧洲 w/o Germany > 3200 会员 德国
ETG 亚洲会员发展 1200 1000 800 Asia (others) Japan China+Taiwan Korea 2015 年 6 月 11 日 : 1123 个亚洲会员 600 400 200 0
3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 EtherCAT: 一个中国标准!
ETG 中国区会员 500 450 2015 年 5 月 11 日 : 475 个会员 400 350 300 2014 年 5 月 30 日 2015 年 5 月 11 日 : + 98 (= + 26%)! 250 200 150 100 50 0
EtherCAT 是中国国家标准!
EtherCAT 测试中心 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 北京航空航天大学,2013 年 1 月
EtherCAT 中国路演 Shanghai 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 中国 2012: 600 个参会者!
中国第一次个 ETG 展台 :2006 年 FA/PA 展会 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
EtherCAT @ IA Beijing 2015 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
EtherCAT 在中国的实施情况 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
EtherCAT 在中国的实施情况 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
客户和用户获益 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 更好的总线性能 = 更好的控制精度 = 更好的产品质量
决定因素 : 性能 Example: 机器人 Kuka 机器人, 德国 : Kuka 机器人通过 EtherCAT 和 Safety over EtherCAT 驱动 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
Kuka 机器人 & Beckhoff XTS @ ETG 展台
决定因素 : 性能 案例 : 塑料工业 Husky ( 加拿大 ): HyPAC 注塑机 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级
决定因素 : 性能 转型压力控制塑料机械 3. EtherCAT 实现中国 2500 Actual Value (Fieldbus 2ms) 制造业升级 Pressure (psi) 2250 2000 1750 Command Value Pressure SP 2 ms 250 祍 Actual Value (EtherCAT 0,25ms) 1500 1250 3.4 3.45 3.5 3.55 3.6 3.65 3.7 Time (s) Source: Husky Injection Molding Systems Ltd.
决定因素 : 性能 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 每年节省 100 吨原材料及相应的能源
客户和用户获益 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 更好的总线性能 = 更快的机器运转 = 更高的产量和效率
决定性因素 : 提高性能增加产量 案例 : 包装 E-Star 包装机, 中国 : 热胶贴标机 机器性能 : 每小时 24000 48000 瓶 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 主要挑战是实时并精确检测标签长度, 调整相应的装载速度, 以确保切割点的正确位置 该系统可以确保最终加载精度 <0.01 毫米的偏差
客户和用户获益 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 应用简单, 先进的诊断 + 更少的硬件 = 更低的成本
使用简单 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 网络计划容易 简化配置 默认设置, 无需网络调试 改善的诊断 快速错误定位, 减少停机时间 更快的建网 无需地址编址
功能安全 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 Material feeding Muting Two-Hand control Protection of workspace e.g. with Laser scanner Emergency stop Operator Diagnosis Safely-limited Position / Speed Door guarding with Interlocking Safety guard Setup / Maintenance
决定因素 : 简单实用, 功能安全 舞台和娱乐 Statecore 和 Eventions 产品, 荷兰 : 全球最大的舞会 Sensation 2012 的演出控制系统, 荷兰 Pictures NOT released for any other usage
Selection of new EtherCAT Applications 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 Entertainment Statecore and Eventions Products, the Netherlands: Show Control system for Sensation 2012 EtherCAT Applications Photos and 2015 Images 中国工业互联网大会 not released for any usage outside Pictures this presentation! NOT released for any other usage
决定因素 : 简单实用, 功能安全 Statecore 董事总经理 Erik Berends 表示, : 由于其开放性和普遍性, EtherCAT 十分适合我们的 Sensation 表演 对于控制表演的人来说, 困难和复杂运动序列的执行变得简单许多 由于同时要照顾大量观众和演员的安全, 相应地也就需要复杂的安全技术 EtherCAT 使得高难度复杂的运动控制程序的执行变得简单, 且集成了先进的功能安全技术 Pictures NOT released for any other usage
版本? 稳定性! 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 只有一个 EtherCAT 版本而不是每年一个
灵活的拓扑 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 灵活的树型结构 自由扩展 支持各种拓扑结构, 如线型, 星型, 树型, 总线型 + 可实现多层次拓扑 ; 可自由组合各种拓扑 每个 EtherCAT 网段可容纳 65,535 个节点, 网络规模几乎无限 标准以太网接线 Line Master Star/Tree Drop Line
Synchronization 硬实时性 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 Synchronization Source: konflikty.pl
硬实时性 : 分布时钟 采用 Scope View 长时间监视两个独立的设备 两个设备间距 300 个节点, 线缆长度 120m 3. EtherCAT 实现中国 制造业升级 Interrupt Node 1 Simultaneousness: ~15 ns Jitter: ~ +/-20ns Interrupt Node 300
决定性因素 : 硬同步性 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 樟宜机场, 新加坡 : Kinetik Rain Sculpture by MKT GmbH, 慕尼黑, 德国 Field 1 out of 2
决定性因素 : 硬同步性 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 2 ms Kinetik Rain Sculpture: 总共 1,216 个轴, 每个 EtherCAT 网段 192 208 个轴 2 ms, ~ 10% bus load Field 1 with 608 Axis Field 2 with 608 Axis
总结 当您使用 EtherCAT, 您 3. EtherCAT 实现中国制造业升级 选择了最快速的总线技术 加速您的机器或产线 全面获益于高性能 PC 控制 降低您控制系统成本 没有信息安全问题 采用了一个全球标准 因为开放, 不会受限于某个厂 选择了一个全球的, 也是中国的标准 做了正确的选择!
中国的以太网现场总线 EtherCAT! Beijing Zhengzhou Zhangjiajie Edinburgh Hangzhou Taibei Tianjin Shanghai Wien