EtherCAT
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EtherCAT ist ein von Beckhoff initiierter Ethernet basierter Feldbus, der als offener Standard propagiert wird. Nach einer Veröffentlichung 2003 gibt es die EtherCAT Technology Group als eine Vereinigung von Interessenten, Herstellern und Anwendern. Diese Vereinigung hatte im Oktober 2004 120 Mitglieder (Stand Juli 2005: 202, Dezember 2006: 421 Mitglieder aus 31 Ländern). Diese Mitglieder tragen in technischen Arbeitskreisen zur Weiterentwicklung der Technologie bei.
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[Bearbeiten] Ziel der Entwicklung
Das Ziel der Entwicklung ist es, einen Bus zu entwickeln, der sowohl harte als auch weiche Echtzeit liefern kann, so dass der Bus für alle Bereiche eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist es interessant, den Bus für z.B. normalen Datenverkehr nutzen zu können.
[Bearbeiten] Übertragungsleistung
Das Funktionsprinzip (die Verarbeitung im Durchlauf) führt zu guter Bandbreitenausnutzung, da nicht für jeden Teilnehmer und jedes Datum stets ein eigener Rahmen benötigt wird. Damit ergeben sich sehr kurze Zykluszeiten.
[Bearbeiten] Übertragungsmedium
Als Übertragungsmedium wird das nach IEEE802.3 standardisierte 100BASE-TX verwendet. Damit sind 100 MBit/s möglich. Für modulare Geräte ist der E-Bus (LVDS nach IEEE802.3ae) als physikalische Schicht vorgesehen. Die Erweiterung auf Gbit Ethernet ist möglich.
[Bearbeiten] Topologie
Linie, Baum oder Stern: EtherCAT unterstützt nahezu beliebige Topologien. Die von den Feldbussen her bekannte Bus- oder Linienstruktur wird damit auch für Ethernet verfügbar. Besonders praktisch für die Anlagenverdrahtung ist die Kombination aus Linien und Abzweigen bzw. Stichleitungen. Die benötigten Schnittstellen sind auf vielen EtherCAT Geräten bereits vorhanden; zusätzliche Switche werden nicht benötigt. Natürlich kann aber auch die klassische, switchbasierte Ethernet-Sterntopologie eingesetzt werden.
Die maximale Flexibilität bei der Verdrahtung wird durch die Auswahl verschiedener Leitungen vervollständigt. Flexible und sehr preiswerte Standard-Ethernet-Patchkabel übertragen die Signale auf Ethernet-Art (100BASE-TX). Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF) werden das System für spezielle Anwendungsfälle ergänzen. Die gesamte Bandbreite der Ethernet-Vernetzung – wie verschiedenste Lichtleiter und Kupferkabel – kann in der Kombination mit Switchen oder Medienumsetzern zum Einsatz kommen. Die Fast-Ethernet-Physik erlaubt eine Leitungslänge von 100 m zwischen zwei Teilnehmern. Da bis zu 65535 Teilnehmer je EtherCAT Segment angeschlossen werden können, ist die Netzausdehnung nahezu unbeschränkt.
Optionale Leitungsredundanz ergänzt das System für Anwendungen mit Hochverfügbarkeits-Anforderungen.
[Bearbeiten] Rahmenaufbau
Die Daten des EtherCAT sind in normale Ethernet Rahmen eingebettet. Hierzu nutzen sie den Datenbereich im Ethernet Rahmen. Die Rahmenlänge wurde hierbei nicht verändert (wie z.B. bei SynqNet), so dass Standard Hardware für das Senden und Empfangen auf Subnetz Ebene eingesetzt werden können. Für EtherCAT gibt es einen neuen Ethertype (88A4h).
[Bearbeiten] Behandlung von Rahmen
Ein Rahmen geht von einem Master aus. Der Rahmen durchläuft dann jeden Teilnehmer. Diese entnehmen die für sie bestimmten Daten, schreiben ihre Ausgangsdaten hinein, und senden die Nachricht an den nächsten Teilnehmer. Dabei wird ein Rahmen nicht vollständig empfangen, bevor er verarbeitet wird, sondern die Bearbeitung wird so früh wie möglich begonnen. Das Versenden erfolgt ebenso mit einem minimalen Versatz von wenigen Bitzeiten.
[Bearbeiten] Synchronisierung
Die Synchronisierung von Teilnehmern erfolgt nach dem Prinzip der verteilten Uhren. Dabei wird die Uhrzeit der Haupt-Uhr via EtherCAT zu den Neben-Uhren übertragen und diese laufzeitkompensiert nachgeregelt. Bei EtherCAT ist die Haupt-Uhr in einem Slave-Gerät, sodass auch hierfür keine spezielle Hardware im Master erforderlich ist. Die Synchronisationsgenauigkeit ist dabei deutlich unter einer µs, bei 300 Teilnehmern und 120 m Leitungslänge wurden Abweichungen von +/- 20ns erzielt.
[Bearbeiten] Routing
Ein Routing ist auf der untersten Ebene nicht möglich. Sollen Rahmen geroutet werden, so müssen sie vom Master in UDP/IP Nachrichten verpackt werden. Dabei ist eine maximale Nutzdatengröße von 1486 Byte möglich. Bei einem Rahmen mit maximaler Länge ergibt sich dadurch eine Verzögerung von etwa 150μs.
[Bearbeiten] Safety
Parallel zur EtherCAT Entwicklung wurde auch ein feldbusunabhängiges Safety-Protokoll entwickelt, das nun für EtherCAT als "Safety over EtherCAT" zur Verfügung steht. Damit lässt sich funktionale Sicherheit mit EtherCAT realisieren. Protokoll und Implementierung sind zertifiziert und erfüllen das Safety Integrity Level 3 nach IEC61508. Geräte mit diesem Protokoll werden seit Ende 2005 ausgeliefert.
[Bearbeiten] Integration
Über Gateways lassen sich bestehende Netze wie CANopen, DeviceNet und Profibus integrieren. Damit werden bestehende Investitionen geschützt. Mit Hilfe des Protokolls "Ethernet over EtherCAT" können beiliebige Ethernet Protokolle in EtherCAT Netzen übertragen werden. Dieses Protokoll unterstützt Fragementierung, sodass auch bei kürzesten Zykluszeiten beiliebige Ethernet Protokolle (z.B. TCP/IP basierte) genutzt werden können. Damit können z.B. embedded Webserver auf verteilten Automatisierungsgeräten eingesetzt werden.
[Bearbeiten] Implementierung
Master lassen sich als Software-Lösung auf beliebigen Ethernet MACs implementieren. Es gibt Code von verschiedenen Herstellern und für verschiedene Betriebssysteme, auch mehrere Open Source Projekte (siehe Links). Für Slave Geräte werden spezielle EtherCAT Slave Controller Chips benötigt, die als FPGA oder auch als ASIC implementiert sind.
[Bearbeiten] Normung
EtherCAT ist seit 2005 IEC Norm: IEC/PAS 62407. Die Integration in die internationalen Standards IEC 61158 (Protokolle und Dienste), IEC 61784-2 (Kommunikationsprofile) und IEC 61800-7 (Antriebsprofile und -kommunikation) ist erfolgt. Die genannten IEC Standards sind aktuell (Dez 2006) im "ADIS" (Approved for FDIS Circulation) Status, die Veröffentlichung als IS (international Standard) wird für Mitte 2007 erwartet.
[Bearbeiten] Siehe auch
[Bearbeiten] Literatur
- IEC/PAS 62407: Real-time Ethernet control automation technology (EtherCAT); International Electrotechnical Commission, Genf 2005.
- IEC 61158 (all parts)/CDV:2006: Digital data communications for measurement and control – Fieldbus for use in industrial control systems; International Electrotechnical Commission, Genf 2006.
- Kafka, Klaus: Ein Erfahrungsbericht über die verschiedenen Realtime Ethernet Systeme. In: SPS IPC DRIVES 2006: Fachmesse & Kongress 28. - 30. Nov. 2006, Nürnberg. Hrsg.: Günther Brandenburg .... - Berlin ; Offenbach : VDE-Verl., 2006, ISBN 978-3-8007-2994-4.
