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Flexibel und kostengünstig – On-the-Fly-Verarbeitung

EtherCAT - Performance, Flexibilität und Kostenvorteile gegenüber anderen Feldbus- oder Industrial-Ethernet-Systemen damit wirbt die EtherCAT Technology Group (ETG). Was leistet die Ethernet Control Automation Technology?

16. Oktober 2007

Typischerweise werden bei Ethernet für jeden Teilnehmer individuelle Ethernet-Frames verwendet. Daher ist die Nutzdatenrate prinzipiell sehr gering: Das kürzeste Ethernet-Frame ist 84 Bytes lang (inkl. Inter Packet Gap IPG). Wenn z. B. ein Antrieb zyklisch 4 Bytes Istwert und Status sendet und entsprechend 4 Bytes Sollwert und Kontrollwort empfängt, so wird bei 100 % Buslast (also unendlich kurzer Antwortzeit des Antriebs) nur eine Nutzdatenrate von 4/84 = 4,7 % erreicht. Bei durchschnittlich 10 μs Antwortzeit sinkt die Rate schon auf 1,9 %. Diese Limitierungen gelten für alle Echtzeit-Ethernet-Ansätze, die an jeden Teilnehmer ein Ethernet-Frame senden bzw. es von ihm erwarten und zwar unabhängig von den verwendeten Protokollen innerhalb des Ethernet-Frames.

Extrem kurze Zykluszeiten mit einer Nutzung der Bandbreite bis zu 97 % werden beim EtherCAT-Protokoll dadurch erreicht, dass die Daten von den einzelnen Teilnehmern im Durchlauf entnommen und wieder eingefügt werden. Der Master sendet ein Standard-Ethernet-Telegramm (IEEE 802.3) mit den Ausgangsinformationen für alle Teilnehmer in das Segment. Dabei wird das Telegramm in den Teilnehmern nur minimal verzögert, denn sie werden nicht erst empfangen, interpretiert und dann kopiert, sondern im Durchlauf, d. h. On-the-Fly, ausgewertet. Aktuelle Eingangsinformationen können gleichzeitig von jedem Teilnehmer eingefügt werden, bevor der Frame direkt zum nächsten Teilnehmer weitergeleitet wird. Der letzte Teilnehmer im Segment erkennt automatisch seine Position und sendet das Telegramm auf der »Rx«-Leitung der Vollduplex-Ethernet-Verbindung ebenfalls wieder durch die anderen Teilnehmer zurück an den Master.

Für die Auswertung der Telegramme im Durchlauf wird in den Geräten ein Ether-CAT-Slave-Controller (ESC) verwendet. Im Master werden handelsübliche MACs (Medium Access Controller) verwendet, weil nur Standard-Ethernet-Frames zum Einsatz kommen. Da die Prozessdatenkommunikation vollständig in Hardware (ESC) abgewickelt wird, ist die Netzwerkperformance nicht von der installierten μC-Leistung der Teilnehmer abhängig und damit vorhersagbar.

Adressierung und Topologie

EtherCAT ist auch bei geringen Datenmengen je Slave-Gerät sehr effektiv, weil nicht für jedes Datum ein eigenes Ethernet- Frame verschickt werden muss. Mehrere Datagramme können in einem Ethernet- Frame eingebettet werden; jedes Datagramm adressiert dabei entweder eine logische Adresse im Segment oder eine direkte Geräteadresse mit einer Register- oder Speicheradresse z. B. zur Konfiguration des Teilnehmers.

Prozessdaten werden i. d. R. logisch adressiert, d. h. dass jeder Slave-Teilnehmer die für ihn relevanten Adressbereiche im logischen, 4 GByte großen Adressraum kennt und entsprechend bedient; verantwortlich ist hierfür die sog. Fieldbus Memory Management Unit (FMMU) innerhalb des ESC. Zusätzlich kann direkt mit jedem Slave auch über Geräte-Adressierung kommuniziert werden etwa zur Konfiguration, für TCP/IP oder andere Ethernet-Protokolle, oder zum gezielten Abruf von Diagnosedaten. Hierzu wird die Adresse im Datagramm-Header in eine 16-Bit-Geräteadresse (die zugewiesene oder die Position im Netz) und in eine 16-Bit-Datenadresse innerhalb des Slave-Gerätes aufgeteilt. So können je nach Slave-Controller-Ausprägung bis zu 64 kByte innerhalb des Gerätes direkt angesprochen werden.

Linie, Baum oder Stern:EtherCAT unterstützt nahezu beliebige Topologien. Die von den Feldbussen bekannte Bus- oder Linienstruktur wird damit auch für Ethernet verfügbar. Bei EtherCAT können beliebig viele Geräte (bis zu 65.535) in einer Linienstruktur verdrahtet werden es gibt keine Einschränkungen durch kaskadierte Switche oder Hubs. Beliebig viele Abzweige und Stichleitungen sind ebenfalls erlaubt. Zwischen jedem Knoten sind, wie bei Fast Ethernet üblich, bis zu 100 m Kabel möglich. Minimale Anforderung an das Kabel ist die CAT-5-Konformität.

Abzweige können auch im laufenden Betrieb vom Netz getrennt werden (Hot Connect). Der letzte Teilnehmer vor dem abgetrennten Teilsegment erkennt, dass die Verbindung (Link) aufgetrennt wurde, und schließt den Loop, indem er intern den Frame automatisch wieder an den vorherigen Teilnehmer zurücksendet.

Das Ethernet-Protokoll gemäß IEEE 802.3 bleibt bis in die einzelne Klemme erhalten, der Sub-Bus entfällt. Lediglich die Übertragungsphysik wird im Koppler von Twisted-Pair bzw. Lichtleiterphysik auf E-Bus (ein alternativer Ethernet Physical Layer) gewandelt, um den Anforderungen der elektronischen Reihenklemme gerecht zu werden. Die Signalform innerhalb der Klemmenreihe (E-Bus) eignet sich für kurze Strecken bis 10 m auch zur Übertragung auf verdrillter Zweidrahtleitung. Damit kann die Klemmenreihe besonders kostengünstig verlängert werden wobei der anschließende Wechsel auf Ethernet jederzeit möglich ist.

Distributed-Clocks

Die Synchronisation der Teilnehmer erfolgt bei EtherCAT in den Teilnehmern selbst. Hierfür wird die Uhrzeit des ersten zu synchronisierenden Teilnehmers zyklisch an alle anderen Synch-Slaves verteilt. Dadurch haben fast alle Teilnehmer die gleiche Uhrzeit: Ein Unterschied zur Masteruhr entsteht noch aus der Verzögerungszeit durch die Leitungen und durch die Slave-Durchlaufzeiten. Dieser Unterschied kann aber unterstützt durch die ESCs hochgenau ausgemessen werden, da jeder Frame den Teilnehmer einmal in der Hinrichtung und später auch wieder auf dem Rückweg durchläuft. Damit ist die Verzögerungszeit genau zu bestimmen und kann individuell in den Teilnehmern berechnet und als Offset ausgeglichen werden. Messungen ergaben eine Synchronisationsgenauigkeit von ~ 20 ns bei 300 verteilten Knoten und 120 m Leitungslänge. Da der maximale Jitter aber von vielen Randbedingungen abhängt (z. B. Anzahl Knoten, Leitungslänge, Temperaturverlauf etc.), wird er konservativ mit < 1 μs angegeben.

Hochauflösende verteilte Uhren dienen aber nicht nur der Synchronisierung, sondern können auch exakte Informationen zum lokalen Zeitpunkt der Datenerfassung liefern. Steuerungen berechnen beispielsweise häufig Geschwindigkeiten aus nacheinander gemessenen Positionen.

Verzicht auf teure Hardware

Speziell bei sehr kurzen Abtastzeiten führt schon ein kleiner zeitlicher Jitter in der Wegerfassung zu großen Geschwindigkeitssprüngen. Konsequenterweise werden mit EtherCAT auch Timestamp-Datentypen eingeführt. Mit dem Messwert wird die hochauflösende Systemzeit verknüpft die große Bandbreite von Ethernet macht das möglich. Da bei EtherCAT hochgenau abgeglichene verteilte Uhren zum Einsatz kommen, muss der Kommunikationszyklus nicht absolut äquidistant sein ein kleiner Jitter ist erlaubt. Damit kann der EtherCAT-Master auf spezielle Hardware verzichten und als Softwarelösung implementiert werden.

Die Konfiguration eines EtherCAT-Netzwerkes ist einfach. Dies triff t insbesondere auf die Netzwerkplanung zu: Da die Prozessdaten-Performance nicht von den ausgewählten Geräten abhängt und auch die Topologie praktisch keinen Einfluss hat, ist hier kaum etwas zu berücksichtigen.

Ebenso kann das bei vielen Feldbussen und Industrial-Ethernet-Lösungen erforderliche »Netzwerk-Tuning« fast immer vollständig entfallen: EtherCAT ist mit den Default-Einstellungen meist schnell genug. Zum Zugriff auf Konfigurations- und Serviceparameter der Teilnehmer ist das CANopen-Kommunikationsprofil auf Ether CAT abgebildet. CANopen-Geräteprofile stehen für eine große Vielfalt von Geräteklassen zur Verfügung. EtherCAT kann die gleichen Kommunikationsmechanismen bereitstellen, wie sie von CANopen bekannt sind: Objektverzeichnis, PDO (Prozess-Daten-Objekte) und SDO (Service-Daten- Objekte) selbst das Netzwerkmanagement ist vergleichbar.

Beliebige Ethernet-Protokolle werden bei EtherCAT volltransparent getunnelt und damit wird ein Verfahren angewendet, das bei Ethernet und den Internet-Technologien üblich ist: Jedes Modem tunnelt Ethernet-Frames ebenso wie WLAN; VPN nutzt diese Technik ebenso wie TCP/IP selbst. Ether-CAT verwendet Standard-Ethernet-Controller dort, wo es tatsächlich Kosten spart: im Master. Da in der Regel nur ein Ethernet- Frame je Zyklus abgeschickt werden muss, kann auf Kommunikations-Coprozessoren verzichtet werden. Es sind also keine Master-Einsteckkarten erforderlich, der On-Board-Ethernet-Controller oder die günstige Standard-NIC-Karte genügen.

Im Slave-Gerät kommt ein kostengünstiges ASIC oder FPGA zum Einsatz. Für einfache Geräte ist kein zusätzlicher μ-Controller erforderlich. Bei komplexeren Geräten ist die Kommunikations-Performance bei Ether CAT nahezu unabhängig von der Leistungsfähigkeit des verwendeten Controllers die Anschaltung wird entsprechend günstig. Die Kommunikations-Funktionalität im Slave-Gerät ist in Hardware implementiert damit entfällt die aufwendige Stack-Integration. Ein kostengünstiges Evaluierungs-Kit samt Slave-Beispielcode steht zur Verfügung, ebenso ein Master-Beispielcode.

Mehr Offenheit

Die EtherCAT Technology Group (ETG) wurde 2003 zur Unterstützung, Weiterentwicklung und Verbreitung der EtherCATTechnologie gegründet und ist heute die weltweit größte reine Industrial-Ethernet-Organisation. Die ETG ist offizieller Normungspartner der IEC: Sie entsendet Experten in die zuständigen internationalen Normungsgremien und darf Normungsvorschläge einreichen. Seit Anfang 2005 ist EtherCAT eine IEC-Norm: IEC/PAS 62407 (Publicly Available Specification).

Aktuell läuft die Integration von EtherCAT in die Normen IEC 61158 (Digitale Datenkommunikation in der Leittechnik Feldbus für industrielle Leitsysteme), IEC 61784-2 (Digitale Datenkommunikation in der Leittechnik Teil 2: Zusätzliche Profi le für ISO/IEC 8802-3-basierte Kommunikationsnetzwerke in Echtzeitanwendungen) und IEC 61800-7 (Profile für Antriebssysteme). EtherCAT ist auch Teil der ISO 15745-4 (Gerätebeschreibungsprofile).

Dr. Guido Beckmann,

EtherCAT Technology Group/ps

Erschienen in Ausgabe: 07/2007