Funktionsprinzip

Es gibt viele verschiedene Ansätze, mit denen Ethernet echtzeitfähig gemacht werden kann: So wird z. B. das Zugriffsverfahren CSMA/CD durch überlagerte Protokollschichten außer Kraft gesetzt und durch ein Zeitscheibenverfahren oder durch Polling ersetzt. Andere Vorschläge sehen spezielle Switche vor, die Ethernet-Telegramme zeitlich präzise kontrolliert verteilen. Diese Lösungen mögen Datenpakete mehr oder weniger schnell und exakt zu den angeschlossenen Ethernet-Knoten transportieren – jedoch ist die Bandbreitennutzung speziell bei typischen Automatisierungsgeräten sehr gering, da auch für kleinste Datenmengen stets ein vollständiger Ethernet-Rahmen verschickt werden muss. Zudem sind die Zeiten, die für die Weiterleitung zu den Ausgängen oder Antriebsreglern und für das Einlesen der Eingangsdaten benötigt werden, stark implementierungsabhängig. Speziell bei modularen I/O-Systemen kommt hier in der Regel noch ein Sub-Bus hinzu, der wie der Beckhoff-K-Bus zwar synchronisiert und schnell sein kann, jedoch grundsätzlich kleine Verzögerungen zur Kommunikation hinzufügt.

Mit der EtherCAT-Technologie überwindet Beckhoff diese prinzipiellen Begrenzungen anderer Ethernet-Lösungen: Das Telegramm wird nicht mehr in jeder Anschaltung zunächst empfangen, dann interpretiert und die Prozessdaten weiter kopiert. Der EtherCAT Slave Controller in jedem Teilnehmer – bis hinunter zur I/O-Klemme – entnimmt die für das Gerät bestimmten Daten, während das Telegramm durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in den Datenstrom eingefügt. Die Telegramme werden, bei einer Verzö­gerung um nur wenige Nanosekunden, bereits weitergeschickt. Der Slave erkennt für sich bestimmte Kommandos und führt sie entsprechend aus. Der Vorgang findet hardwareimplementiert im Slave Controller statt und ist daher unabhängig von den Softwarelaufzeiten der Protokollstacks oder der Prozessorleistung. Der letzte EtherCAT-Slave im Segment schickt das bereits vollständig verarbeitete Telegramm zurück, sodass es vom ersten Slave – quasi als Antworttelegramm – zur Steuerung gesendet wird.

Aus Ethernet-Sicht ist ein EtherCAT-Bussegment nichts anderes als ein einzelner großer Ethernet-Teilnehmer, der Ethernet-Telegramme empfängt und sendet. Innerhalb des „Teilnehmers“ befindet sich aber nicht ein einzelner Ethernet-Controller mit nachgeschaltetem µ-Prozessor, sondern eine Vielzahl von EtherCAT-Slaves. Wie bei jedem anderen Ethernet-Teilnehmer auch, kann eine direkte Kommunikation ohne Switch aufgebaut werden, wodurch ein reines EtherCAT-System entsteht.

 

Ethernet bis in die Klemme

Das Ethernet-Protokoll bleibt bis in jeden Teilnehmer – und damit bis in die einzelne I/O-Klemme – erhalten, der Sub-Bus entfällt. Lediglich die Übertragungsphysik wird im Koppler von Twisted-Pair (100BASE-TX) auf E-Bus gewandelt, um den Anforderungen der elektronischen Reihenklemme gerecht zu werden. Die E-Bus-Signalform (LVDS) innerhalb der Klemmenreihe wird auch für 10-GBit-Ethernet genutzt. Am Ende der Klemmenreihe wird die Busphysik wieder auf 100BASE-TX-Standard gewandelt.

Als Hardware in der Steuerung kommen der bereits vorhandene Ethernet-Controller oder sehr preiswerte, handelsübliche Standardnetzwerk-Interfacekarten (NIC) zum Einsatz. Der Datentransfer zum PC erfolgt per DMA (Direct-Memory-Access): Dadurch wird keine CPU-Performance für den Netzwerkzugriff abgezweigt. Dieses Prinzip verwenden auch die Beckhoff-Multiportkarten, die bis zu vier Ethernet-Kanäle auf einem PCI-Steckplatz bündeln.

 

Protokoll

Das für Prozessdaten optimierte EtherCAT-Protokoll wird entweder direkt im Ethernet-Frame transportiert oder in UDP/IP-Datagramme verpackt. Die UDP-Variante wird dann eingesetzt, wenn EtherCAT-Segmente in anderen Subnetzen über Router hinweg angesprochen werden. Ein Ethernet-Rahmen kann mehrere EtherCAT-Telegramme enthalten, die jeweils einen Speicherbereich des bis zu 4 Gigabyte großen logischen Prozessabbildes bedienen. Die datentechnische Reihenfolge ist dabei unabhängig von der physikalischen Reihenfolge der EtherCAT-Klemmen im Netz; es kann wahlfrei adressiert werden. Broadcast, Multicast und Querkommunikation zwischen Slaves sind möglich. Das Protokoll beherrscht auch die typischerweise azyklische Parameterkommunikation. Struktur und Bedeutung der Parameter werden durch die Geräteprofile nach CANopen vorgegeben, die für eine große Vielfalt von Geräteklassen und Anwendungen definiert sind. Zudem unterstützt EtherCAT auch das Servoprofil nach IEC 61800-7-204. Dieses ist auch unter dem Namen SERCOS bekannt und für Motion-Control-Anwendungen weltweit anerkannt. EtherCAT eignet sich, neben dem Datenaustausch nach dem Master/Slave-Prinzip, auch hervorragend für die Kommunikation zwischen Steuerungen (Master/Master). Mit frei adressierbaren Netzwerkvariablen für Prozessdaten und vielfältigen Diensten für Parametrierung, Diagnose, Programmierung und Fernsteuerung wird das ganze Anforderungsspektrum abgedeckt. Dabei sind die Datenschnittstellen bei Master/Slave- und Master/Master-Kommunikation identisch.

 

Performance

Mit EtherCAT werden neue Dimensionen in der Netzwerk-Performance erreicht. Die Update-Zeit für die Daten von 1.000 verteilten Ein-/Ausgängen beträgt nur 30 µs – einschließlich Klemmendurchlaufzeit. Mit einem einzigen Ethernet-Frame können bis zu 1.486 Byte Prozessdaten ausgetauscht werden – das entspricht fast 12.000 digitalen Ein- und Ausgängen. Für die Übertragung dieser Datenmenge werden dabei nur 300 µs benötigt.

Die Kommunikation mit 100 Servoachsen erfolgt in nur 100 µs. Mit dieser Zykluszeit werden alle Achsen mit Sollwerten und Steuerdaten versehen und melden jeweils ihre Istposition und ihren Status. Durch das Distributed-Clock-Verfahren können die Achsen mit einer Abweichung von deutlich weniger als einer Mikrosekunde synchronisiert werden.

Die extrem hohe Performance der EtherCAT-Technologie ermöglicht Steuerungs- und Regelungskonzepte, die mit klassischen Feldbussystemen nicht realisierbar waren. So können auch sehr schnelle Regelkreise über den Bus geschlossen werden. Funktionen, die bislang dedizierte lokale Hardwareunterstützung benötigten, lassen sich nun in Software abbilden. Die enorme Bandbreite erlaubt es, zu jedem Datum z. B. auch Statusinformationen zu übertragen. Mit EtherCAT steht eine Kommunikationstechnologie zur Verfügung, die der überlegenen Rechenleistung moderner Industrie-PCs entspricht. Das Bussystem ist nicht mehr der „Flaschenhals“ im Steuerungskonzept. Verteilte I/Os werden schneller erfasst, als dies mit den meisten lokalen I/O-Schnittstellen möglich ist.

Die Vorteile dieser Netzwerk-Performance werden auch bei kleinen Steuerungen mit vergleichsweise moderater Rechenleistung deutlich. Der EtherCAT-Zyklus ist so schnell, dass er zwischen zwei Steuerungszyklen ausgeführt werden kann. Damit stehen der Steuerung stets aktuellste Eingangsdaten zur Verfügung und die Ausgänge werden mit minimaler Verzögerung angesprochen. Das Reaktionsverhalten der Steuerung verbessert sich erheblich, ohne dass die Rechenleistung selbst erhöht wurde.

Das EtherCAT-Technologieprinzip ist skalierbar und nicht an die Baudrate von 100 MBaud gebunden – eine Erweiterung auf GBit-Ethernet ist möglich.

 

EtherCAT statt PCI

Mit der fortschreitenden Verkleinerung der PC-Komponenten wird die Baugröße von Industrie-PCs zunehmend von der Anzahl der benötigten Steckplätze bestimmt. Die Bandbreite von Fast-Ethernet, zusammen mit der Datenbreite der EtherCAT-Kommunikationshardware (EtherCAT Slave Controller), ermöglicht hier neue Wege zu gehen: Klassisch im IPC vorgesehene Schnittstellen werden in intelligente Schnittstellenklemmen am EtherCAT-System ausgelagert. Über einen einzigen Ethernet-Port im PC können dann, neben den dezentralen I/Os, Achsen und Bediengeräten, auch komplexe Systeme, wie Feldbusmaster, schnelle serielle Schnittstellen, Gateways und andere Kommunikationsinterfaces, angesprochen werden. Selbst weitere Ethernet-Geräte mit beliebigen Protokollvarianten lassen sich über dezentrale Switchport-Klemmen anschließen. Der zentrale IPC wird kleiner und damit kostengünstiger; eine Ethernet-Schnittstelle genügt zur kompletten Kommunikation mit der Peripherie.