25. SEPTEMBER 2017

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Rasante Verbindung


Bussysteme - Voraussetzung für hochsynchrone und präzise Fertigungsabläufe bei höchster Qualität ist Echtzeitkommunikation auf der Feldebene. Eine deutlich einfachere und kostengünstigere Möglichkeit zur Automatisierung der Antriebstechnik als konventionelle Bussysteme bietet Echtzeit-Ethernet.

Vollständige Automatisierungslösungen erfordern auf der Hardwareseite eine breite Produktpalette und eine durchgängige Systemarchitektur mit einem leistungsfähigen Bussystem sowie auf der Softwareseite eine ganzheitliche, von einer gemeinsamen Datenbasis ausgehende Projektierungssoftware. Erst eine solche Kombination bietet die Flexibilität zum Aufbau von kostengünstigen, möglichst einfachen Applikationen einerseits sowie für eine auf höchste Ansprüche getrimmte Lösung andererseits. Notwendig für eine derartige Lösung ist vor allem ein durchgängiges Bussystem, mit dem sich alle Komponenten beliebig und ohne Systembruch miteinander kombinieren lassen. Die Komplexität dieser Aufgabe zeigt sich am Beispiel einer Verpackungsmaschine für Tabletten: Zugeführt werden der Maschine neben den Tabletten die Bodenfolie, die Deckfolie, das Kartonmaterial für die Faltschachteln sowie die Gebrauchsinformation. Die Bodenfolie muß tiefgezogen, mit Tabletten gefüllt und mit der Deckfolie versiegelt werden. Der versiegelte Blisterstrang wird anschließend perforiert und gestanzt. Nach diversen Qualitätskontrollen werden gestapelte Blister zusammen mit der Gebrauchsanweisung in der nachfolgenden Einschubstation in die vom Kartonierer aufgestellten und verklebten Faltschachteln geschoben. Die weiteren Stationen bündeln zu größeren Verpackungseinheiten bis am Ende eine versandfertige Einheit entsteht, z.B. eine Europalette. Obwohl also jede Station ihre besonderen prozeßtechnischen Ansprüche hat, muß dennoch alles im Verbund arbeiten, selbst wenn zwischendurch Produkte aussortiert werden müssen. Neueste Automatisierungstechnik ermöglicht dazu mit koordinierten Servoantrieben einen pufferlosen Betrieb und eine automatische Geschwindigkeitskorrektur der nachfolgenden Stationen. Damit die einzelnen Stationen ohne Stau und Leerlauf arbeiten können, ist ein leistungsfähiges Bussystem notwendig, das sowohl die Datenmenge als auch die Echtzeit der Datenübertragung garantiert bewältigen kann.
Gut geeignet sind für diese Aufgabe offene Systembusse, die auf Echtzeit-Ethernet basieren, insbesondere Ether-CAT. Dieses Protokoll zeichnet sich aus durch eine besonders effiziente Prozeßdatenkommunikation, kombiniert mit einer parallel getunnelten TCP/IP-Kommunikation, die Kollisionen und undefinierte Verzögerungen in der Netzwerk-Infrastruktur verhindert, die bei der Standard-Ethernet-Kommunikation vorkommen können. Der EtherCAT-Systembus benötigt deshalb keine Switches und Hubs, wie sie aus der Bürokommunikation bekannt sind. Das System erlaubt vielfältige Netztopologien, von der einfachen Linien- oder Sternstruktur über die Kammstruktur bis zu komplexen redundanten Systemen. Zusätzlich benötigt wird dann lediglich eine weitere preiswerte Standardnetzwerkkarte im PC und eine den Ring schließende Patchleitung vom letzten Teilnehmer. Auf diese Weise lässt sich der Ring je nach Unterbrechungsfall von beiden Seiten mit Prozeßdaten versorgen.
Sehr einfach gestaltet sich auch ein möglicher Austausch von Netzteilnehmern, da EtherCAT dazu weder IP-Adressen noch MAC-Adressen benötigt. Statt dessen läßt sich die gesamte Systemarchitektur aus dem verdrahteten System auslesen und zentral im sogenannten EtherCAT-Master verwalten. Die von der Bürokommunikation her bekannte Konfiguration der IP-Adressen ist damit bei EtherCAT nicht nötig. Trotz dieser Eigenschaften basiert EtherCAT auf Standardtelegrammen gemäß IEEE 802.3. Als Master genügt deshalb beispielsweise eine Standard-Netzwerkkarte, wie sie heutige PCs bereits integriert haben. Die EtherCAT-Slaves benötigen für die Echtzeit-Kommunikation lediglich ein FPGA bzw. ein ASIC und keine weitere CPU-Leistung, um beispielsweise komplette TCP/IP-Stacks in Echtzeit abzuarbeiten. Die Leistungsfähigkeit eines Systems ist somit unabhängig von der CPU-Leistung des einzelnen EtherCAT-Slaves. Damit können kostengünstige kleine Hardwarelösungen mit hochperformanten Komponenten in einem gemeinsamen EtherCAT-System koexistieren, ohne sich gegenseitig zu bremsen.
Diese Lösung ermöglicht bei geringsten Systemkosten eine verzögerungsfreie Vollduplex-Kommunikation mit 100 MBit/s, mit der sich umfangreiche Prozeßdaten zyklisch und mit hoher Geschwindigkeit austauschen lassen. So ermöglicht ein Netz mit insgesamt 560 EtherCAT-Knoten und 2.000 digitalen und 200 analogen Ein- und Ausgängen auf einer Buslänge von 500 Metern bei einer Anlage mit 40 Antriebsachsen mit je 6 Byte Ein- und Ausgangsdaten und 50 I/O-Punkten den regelmäßigen Austausch von Telegrammen im Abstand von lediglich 230 Mikrosekunden. Selbst bei dieser Leistung ist der Bus nur zu 33 Prozent ausgelastet, die übrige Bandbreite kann zum Beispiel für eine zusätzliche TCP/IP-Kommunikation genutzt werden. Damit ändert selbst eine über dasselbe physikalische Netz laufende Bürokommunikation nichts an der Leistungs- und Echtzeitfähigkeit der Prozeßdatenkommunikation.
Diese Eigenschaften prädestinieren EtherCAT als Systembus für komplexe Anwendungen zum Beispiel in der Kunststoff -, Druck-, Textil- und Verpackungsbranche. Das durchgängige, echtzeitfähige Bussystem ermöglicht mit geringem Aufwand den Aufbau komplexer Maschinenkonzepte, die dennoch sehr gut warten lassen. Besonders überzeugend macht das Konzept die einfache Verdrahtung, seine Offenheit für Fremdprotokolle, die horizontale und vertikale Durchgängigkeit, seine Echtzeitfähigkeit, die Fähigkeit zur Laufzeitkompensation, Redundanz und Diagnose sowie Sicherheit.

FAKTEN
- EtherCAT ermöglicht Echtzeit-Kommunikation mit Zykluszeiten von wenigen Mikrosekunden.
- Der Master benötigt keine spezielle Hardware. Auch Switches werden nicht benötigt.
- Die Durchgängigkeit für Internet-Technologien unterstützt die vertikale Integration in heterogene Netze.

Dr. Georg Sztefka, Baumüller

Sonderausgabe:
DIGEST 2005
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