EtherCAT – ein rasant schnelles Bussystem

Aufgrund der wachsenden Anforderungen der heutigen Automatisierungstechnik an die Echtzeitfähigkeit der Bussysteme und der hohen Kosten der herkömmlichen Buskomponenten, begannen verschiedene Unternehmen mit der Entwicklung eines echtzeitfähigen Bussystems, welches auf den günstigen Standardkomponenten des Ethernet-Standards IEEE 802.3 aufsetzt. Eines dieser sogenannten Industrial-Ethernet-Bussysteme ist EtherCAT welches von der Firma Beckhoff Automation initiiert wurde und heute von der EtherCAT Technology Group weiterentwickelt wird.

Logo der EtherCAT Technoloy Group

Die Robot Makers GmbH ist Mitglied der EtherCAT Technology Group und entwickelt selbst Master- und Slave-Komponenten

EtherCAT – auf Geschwindigkeit fokussiert

EtherCAT wurde speziell für die Anforderungen von Steuerungen in der Automatisierungstechnik entwickelt und trägt dieser Spezialisierung auch im Namen Rechnung: EtherCAT steht nämlich für Ethernet for Control Automation Technology. Ein Hauptaugenmerk bei der Entwicklung lag vor allem auf der Echtzeitfähigkeit, einer möglichst exakten Synchronisierung und niedrigen Kosten. Echtzeitfähigkeit von Bussystemen wird in der Automatisierung zum Beispiel bei sogenannten Motion-Control-Aufgaben gefordert. Darunter wird eine Regelung der Pose, Geschwindigkeit oder Beschleunigung, oder einer Kombination daraus verstanden. Soll also ein Fahrzeug mit einem Elektromotor exakt einem gewünschten Geschwindigkeitsprofil folgen, sollte das Bussystem echtzeitfähig sein.

EtherCAT gilt als die mit Abstand schnellste Industrial-Ethernet-Technologie, was sich vor allem auf das Funktionsprinzip zurückführen lässt. Im Gegensatz zu anderen Technologien beginnt die EtherCAT-Slave-Komponente schon mit der Datenauswertung, -verarbeitung und -weitergabe, während die Nachricht die Komponente noch durchläuft. Herkömmliche Technologien müssen die komplette Nachricht zuerst empfangen, interpretieren und die Prozessdaten weiterkopieren. Eine sehr anschauliche Visualisierung des Funktionsprinzips findet sich in folgendem Video der EtherCAT Technology Group.

Synchronität durch verteilte Clocks

Eine weitere wichtige Anforderung, die sich aus der Automatisierungstechnik ergibt, ist die exakte Synchronität zweier Befehle. Ist es also nötig, dass zwei räumlich voneinander getrennte Prozesse gleichzeitige Aktionen ausführen, müssen diese entweder über eine Welle, also eine mechanische Verbindung, synchronisiert werden oder aber über zwei Servomotoren, die exakt zur gleichen Zeit beginnen, mit exakt dem gleichen Drehmoment zu drehen (Hier spricht man dann von einer „elektrischen Welle“). Dies ermöglicht EtherCAT durch sogenannte verteilte Uhren (Distributed Clocks). Eine Hauptuhr, die sich in einem EtherCAT-Slave-Gerät befindet, überträgt die aktuelle Uhrzeit an die Nebenuhren, welche dann nachgeregelt werden, indem die Laufzeit, die das Signal durch die Leitung verbraucht hat, eingerechnet wird. So werden Synchronisierungsgenauigkeiten von weit weniger als 1 µs erreicht.

Anlagenstruktur bestimmt Topologie

Die Topologie eines Feldbussystems bestimmt in welcher Reihenfolge die Geräte von der Busleitung durchlaufen werden. So können entweder alle Geräte mit einem Kabel verbunden (Linie), eine Art Stern aufgebaut (Master im Zentrum) oder ein kompletter Ring verwirklicht werden. EtherCAT unterstützt dabei beinahe alle möglichen Topologien sowie deren Kombination, bei einer beliebigen Anzahl an Knoten. Die Topologie wird also nicht vom Bussystem aufgezwungen, sondern kann frei nach der Anlagenstruktur ausgewählt werden. Wird jedoch großer Wert auf die Redundanz eines Systems gelegt, sollte eine Ringtopologie verwendet werden. Hier sind bei einem Ausfall des Bussystems immer noch alle Feldgeräte erreichbar und es kann eine schnelle Eingrenzung des Fehlerverursachers auf ein Gerät erfolgen.

Nicht nur schnell, sondern auch wirtschaftlich!

Von vornherein wurde bei der Entwicklung von EtherCAT auf die Wirtschaftlichkeit geachtet. So ist z.B. für die Verwirklichung eines EtherCAT-Masters nur eine handelsübliche Ethernet-Karte nötig, wie sie in fast jedem modernen PC mittlerweile Standard ist. Selbst beim Aufbau einer Ringtopologie reicht es aus, den Master einfach um eine zweite Ethernet-Karte zu erweitern. Auch bei den Kabeln wird auf kostengünstige Standardprodukte zurückgegriffen, die in jedem Elektronikmarkt erhältlich sind. Die EtherCAT-Slave-Controller existieren auf ASIC, FPGA sowie auf Mikrocontrollerbasis und übernehmen alle zeitkritischen Aufgaben. Dadurch werden keine hohen Anforderungen an die Performance der EtherCAT-Slave-Komponenten mehr gestellt, da diese nur noch von der lokalen Anwendung – z.B. einer Antriebsregelung – vorgegeben werden. Auf diese Weise werden auch die Anschlusskosten zusätzlicher Komponenten gering gehalten.

Fazit

Wie man sieht, bringt der EtherCAT-Standard sehr viele Vorteile mit sich, die vor allem im Bereich der Automatisierungstechnik zum Tragen kommen. Neben dem Erfüllen sowohl der harten als auch der weichen Echtzeitanforderungen und der Synchronisierungsgenauigkeit von weniger als 1 µs, überzeugt EtherCAT auch durch die günstigen Anschaffungskosten von Komponenten und Verkabelung. Deshalb unterstützen unsere Elektronikkomponenten den EtherCAT-Standard. Die Elektroniklinie Modular Control System kann dabei als Slave-Komponente zur Ansteuerung von Motoren oder Hydraulikaktoren oder zur Messwertaufnahme eingesetzt werden. Die zentrale Steuereinheit Generic Control Box ist mit ihren integrierten Softwarewerkzeugen prädestiniert für den Einsatz als EtherCAT-Master.

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