EtherCAT

Kommunikationslösungen für EtherCAT Netzwerke

  • EtherCAT Embedded Modul KUNBUS-COM

    KUNBUS-COM

    Leistungsfähiges Kommunikationsmodul für EtherCAT Netzwerke

  • EtherCAT Embedded Modul KUNBUS-IC

    KUNBUS-IC

    Kompakte Aufsteckplatine im DIL-32-Format für EtherCAT Netzwerke

  • Modulares Gateway

    Modulares Gateway

    Gateway zur Anbindung eines EtherCAT Netzes an andere Netzwerkprotokolle

  • KUNBUS-TAP 2100 für EtherCAT

    TAP 2100

    Handlicher Netzwerkmonitor für alle gängigen Real-Time Ethernet Netze

Der auf Ethernet basierende Feldbus EtherCAT ist für die Automatisierungstechnik angelegt und trägt sowohl harten als auch weichen Echtzeitanforderungen Rechnung. Wir bieten für diesen Industrial Ethernet Standard in der Kategorie embedded Module sowohl unsere COM-Module also auch unsere IC-Module an. Desweiteren bieten wir Gatewaylösungen an, mit denen Sie eine EtherCAT Netzwerk mit anderen gängigen industriellen Netzwerken verbinden können. Selbstverständlich finden wir im Falle besonderer Anforderungen auch eine kundenspezifische Lösung.

Die EtherCAT Funktion

EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology) wurde von der EtherCAT Technology Group (ETG) entwickelt. Wie bei vergleichbaren Protokollen hatte die EtherCAT Entwicklung kurze Zykluszeiten von weniger als 100 µs, niedrige Hardwarekosten sowie zum Zwecke einer exakten Synchronisierung einen niedrigen Jitter zum Ziel. Dabei basiert die EtherCAT Technologie auf den internationalen Standards IEC 61158 und IEC 61784 bei Normung in ISO 15745-4. Vor allem die Schnelligkeit des Ethernet-Systems EtherCAT überzeugt bei zeitintensiven Anwendungen im Motion-Control-Bereich.

EtherCAT hat in der Vergangenheit neue Maßstäbe bei der Auswertung und Übertragung von Datenpaketen auf Basis des Ethernets gelegt. Dies macht sich insbesondere in der Tatsache bemerkbar, dass bei der EtherCAT Technologie kein schrittweiser Empfang, Interpretation und Weiterkopierung der Prozessdaten durchgeführt wird.

Im Gegenteil findet die Entnahme von für EtherCAT Slave-Geräte bestimmten Daten parallel zum Durchlauf der Telegramme durch das Gerät statt. Auf dieselbe Weise geht die Einführung der Eingangsdaten in das Telegramm vonstatten. Die Verzögerung der jeweiligen Telegramme beläuft sich auf lediglich wenige Nanosekunden. Nicht zuletzt konnte die Nutzdatenrate auf 90 % optimiert werden, da sowohl Sende- als auch Empfangsrichtung vom Ethernet-Frame genutzt werden, um die Daten verschiedener Teilnehmer zu erreichen. Somit gelingt es der EtherCAT Technologie, Datenraten im Bereich von nahezu 200 MBit/s bei Ausnutzung der Vollduplex-Eigenschaften von 100BASE-TX zu erreichen. Daten werden in Form von Prozessdatenobjekten (PDO) zwischen Master und Slaves ausgetauscht. Jedes PDO besitzt eine eigene Adresse, die auf einen oder mehreren Slaves verweist. Die Verbindung von Nutzdaten und Adresse bilden dabei ein EtherCAT-Telegramm. Die Telegramme werden bei der Verarbeitung nur wenige Nanosekunden verzögert. Die Protokolldefinitionen werden mit EtherCAT für verschiedene Bereiche ermöglicht:

  • Taktsynchronisation
  • Einfache Anlagendiagnose
  • Azyklische Bedarfsratenübertragung
  • Zyklische I/O-Datenübertragung

 

Die EtherCAT Topologie

Der Voll-Duplex Charakter von Ethernet bildet die Grundlage für das Übertragungsverfahren von EtherCAT. Stern, Ring, Baum, Linie sowie daraus resultierende Kombinationen sind als Topologien von EtherCAT möglich. Hieraus ergeben sich die vorteilhaften Eigenschaften der industriellen Kommunikation, die EtherCAT auszeichnen:

  • Master Redundanz mit Hot Stand-by
  • Gerätetausch bei aktivem Netzwerk
  • Leitungsredundanz
  • Hot Connect von Segmenten

Mithilfe der Verbindung von unterschiedlichen Netzwerkcharakteristika und den Topologieabwandlungen sind einerseits keine zusätzlichen Switches erforderlich, andererseits ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten aufgrund der Abwandlungen wie benachbarten oder unterlagerten Steuerungskonzepten. Während der E-Bus ausschließlich bei modularen Geräten als physikalische Schicht eingesetzt wird, ermöglicht die Fast-Ethernet-Physik maximale Leitungslängen zwischen den einzelnen Teilnehmern von 100 m. Jedoch können die einzelnen Leitungslängen mit individuellen Signalvarianten versehen werden. Aufgrund der Tatsache, dass maximal 65535 Teilnehmer an ein Netzwerksegment angekoppelt werden können, ergibt sich eine schier unbegrenzte Netzausdehnung bei EtherCAT. Hierbei können auch Lichtwellenleiter für die Überbrückung von Distanzen bis zu 20 km zum Einsatz kommen.

Präzise Diagnosen bei EtherCAT

Das EtherCAT Protokoll ist dafür bekannt, eine sehr schnelle und exakte Problem- und Störungserkennung zu gewährleisten, was nur eine der hervorragenden Diagnoseeigenschaften der Technologie ist. Die CRC-Prüfsumme ist zum Beispiel dafür verantwortlich, Bitfehler in der Übertragung zu erkennen. Die Hamming-Distanz mit einem Wert von 4 ist kennzeichnend für das 32 Bit CRC-Polynom. Weiter ist eine spezifische Qualitätsüberwachung der einzelnen Übertragungsstrecken möglich, die auf die Übertragungsphysik, Topologie sowie das Protokoll von EtherCAT zurückzuführen sind. Kritische Netzwerkabschnitte werden somit mit Hilfe der automatischen Auswertung der Fehlerzähler schnell und präzise erkannt.

Bestehende Geräteprofile können mit unterschiedlichen Softwareschnittstellen kombiniert werden. Auf diese Weise wird es denkbar einfach, eine Migration von Feldbus zu EtherCAT zu ermöglichen, indem sowohl die Firmware als auch die Hardware lediglich angepasst werden.

Folgende Softwareschnittstellen sind über EtherCAT möglich:

CAN application layer

  • Vielfältige Geräte- und Applikationsprofile mit diversen Anwendungen und Geräteklassen
  • Anwendungsprofile, Proportionalventile und Hydraulikregler (CiA 408)
  • Encoder (CiA 406)
  • Antriebsprofil (CiA 402), Norm in IEC 61800-7-201/301

Servodrive-Profile

  • Sercos ermöglicht Echtzeit-Kommunikation als Schnittstelle
  • Für leistungsintensive Motion-Control-Anwendungen geeignet
  • Normung der Servoantriebe in der IEC 61800-7
  • Gleiche Normung des Profils auf EtherCAT (IEC 61800-7-304)

Ethernet

  • mit Hilfe von Switchports können Ethernet-Geräte innerhalb EtherCAT angeschlossen werden
  • Tunnelung der Ethernet Frames durch EtherCAT Protokoll (üblich bei VPN, TCP/IP, PPPoE)
  • Keine Beeinträchtigung der EtherCAT Echtzeit-Kommunikation

File Access

  • ähnlich dem TFTP-Protokoll
  • einheitlicher Firmware Update möglich (keine TCP/IP-Unterstützung erforderlich)
  • möglicher Zugriff auf beliebigen Datenaufbau im jeweiligen Gerät

Safety

  • vom Feldbus unabhängiges Sicherheitsprotokoll
  • steht als Safety over EtherCAT zur Verfügung
  • funktionale, TÜV-zertifizierte Sicherheit nach Safety Integrity Level 3 und IEC 61508
  • seit 2010 in IEC 61784-3-12 weltweit genormt
  • keine Verlangsamung von Zykluszeit oder Übertragungsgeschwindigkeit

Black Chanel (Transportmedium) findet keine Beachtung in der Sicherheitsbetrachtung

 
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