Einsatz von EtherCAT ermöglicht schnellere Echtzeitmessungen in industriellen Anwendungen

Die Herausforderung

Da Kosten weiterhin in allen Industriebereichen ein Haupteinflussfaktor sind, steigt die Nachfrage nach schnelleren Echtzeitmessungen in industriellen Anwendungen beständig.

Es sind bereits zahlreiche unterschiedliche Systeme im Einsatz, die auf dem Ethernet-Standard basieren, der aus der Bürokommunikation bekannt ist. Diese sind jedoch häufig ineffizient, da ein großer Anteil der verfügbaren Bandbreite nicht genutzt werden kann.

Dafür gibt es zwei Gründe:

  • Zum einen werden immer nur kleine Datenmengen auf einmal übertragen.
  • Zusätzlich entstehen jedes Mal Nachrichten, wenn das Client- oder Master-Gerät im System Daten anfordert. Standard-Ethernet funktioniert also als Informationssystem im Halbduplexbetrieb.

Die Lösung

Um dieses Problem zu lösen, führte die Beckhoff Automation GmbH Untersuchungen durch, mit dem Ziel der Entwicklung eines echtzeitfähigen Feldbus-Systems durch Überwindung der niedrigen Bandbreite von Standard-Ethernet-Protokollen.

Das Ergebnis war EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology), ein extrem leistungsfähiges, industrielles Kommunikationsprotokoll, das den Standard IEEE 802.3 Ethernet erweitert und die Datenübertragung mit vorhersagbarer Zeitsteuerung und präziser Synchronisierung ermöglicht.

Mit dem neu entwickelten EtherCAT werden Ethernet-Pakete nicht mehr in jeder Anschaltung zunächst empfangen, interpretiert, verarbeitet und an jedes Gerät weiter kopiert. Das EtherCAT-Protokoll überträgt weiterhin Daten direkt in einem Standard-Ethernet-Frame, ohne Veränderung der Grundstruktur.

Die EtherCAT-Slave-Geräte entnehmen die für sie bestimmten Daten, während der Frame das Gerät durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf mit einem Versatz von nur wenigen Nanosekunden eingefügt. Da EtherCat-Frames Daten von vielen Geräten enthalten, die sowohl im Sende- als auch im Empfangsbetrieb arbeiten, steigt die nutzbare Datenrate auf über 90%. Dadurch können die Vollduplex-Eigenschaften von 100BASE-TX vollständig ausgenutzt und effektive Datenraten von über 100 Mbit/s erreicht werden.

Vorteile

EtherCAT bietet zusätzlich den Vorteil, dass es die gesamte CANopen-Familie und das SERCOS-Antriebsprofil unterstützt. Dies ermöglicht den Anwendern ein einfaches Konfigurieren von EtherCAT-Netzwerken entsprechend der speziellen Anwendung durch Verändern von vordefinierten Grundprofilen.

Darüber hinaus unterstützt EtherCAT nahezu alle Topologien und ist dadurch für einen weiten Anwendungsbereich geeignet, inklusive der Switch-basierten Ethernet-Stern-Topologie, die Standard ist. Dadurch wird das System hinsichtlich der Verschaltung äußerst flexibel und erlaubt die Verwendung unterschiedlicher Kabel. Es kann also ohne weiteres die komplette Bandbreite eines Ethernet-Netzwerks in Kombination mit Switches oder Medienkonvertern genutzt werden.

Gateway-Module

QuantumX CX27

Um mit EtherCAT möglichst effektiv Echtzeitmessungen erfassen zu können, hat HBM das Gateway-Modul CX27 als Teil seines etablierten Systems QuantumX eingeführt.  Das CX27 bietet eine EtherCAT-Anbindung mit einem Modul für Einzelmessungen/ Kanaleinstellungen für isochronen Datenverkehr. Dadurch können über EtherCAT einzelne Kanäle eingestellt und konfiguriert werden, sowohl für die Kanalkonfiguration (SDO) als auch als Verfahren zur Zuweisung von Prozessdaten (PDO).

Nutzer werden bei der Konfiguration unterstützt, und zwar entweder durch EtherCAT Studio, basierend auf dem System von König-PA oder durch TwinCAT, das von Beckhoff verwendete Verfahren einsetzt. Die Konfiguration ist ebenfalls über die mitgelieferte QuantumX-System-CD möglich oder durch Herunterladen der entsprechenden Software von der HBM-Website. Auch durch einen Netzwerk-Scan oder anhand von im EEPROM gespeicherten Informationen können Nutzer das Gerät konfigurieren. Dadurch erhalten sie mit dem CX27 ein äußerst flexibles, leicht konfigurierbares System.

Hauptüberlegungen

Eine wichtige Überlegung, wenn räumlich weit verteilte Prozesse gleichzeitige Aktionen erfordern, geht dahin, dass alle Teilnehmer im Netzwerk zeitlich genau synchronisiert sein müssen.  Dazu wird die Zeit von der Hauptuhr an alle Slave-Uhren übertragen und angeglichen, um mögliche Versätze durch Einsatz der Methode zur Synchronisierung verteilter Uhren (IEEE 1588) zu kompensieren.

In einem EtherCAT-Verbund befindet sich die Hauptuhr in einem Slave-Gerät, da der Master gezielt durch Standard-Komponenten abgebildet werden sollte. Alle Teilnehmer können dann mit einem Fehler von unter 1 ms synchronisiert werden.

Im CX27 gibt es eine Option im Device Description File (DDF), die verteilte Uhren aktiviert oder deaktiviert; in der Werkseinstellung sind verteilte Uhren aktiviert. Sind die verteilten Uhren aktiv, gibt der Zeit-Master die Zeit an den QuantumX-Slave weiter und dieser verteilt sie an die Module. Der Einsatz verteilter Uhren ist hilfreich, wenn über Ethernet parallel Messungen durchgeführt werden müssen und der gleiche Zeitstempel als Referenz herangezogen wird.

Der Einsatz des CX27 von HBM als EtherCAT-Slave ermöglicht hohe Kanalzahlen oder hohe Abtastraten. Bis zu 199 zeitsynchrone Signale mit einer maximalen Abtastrate von 1.200 Hz oder 30 Kanäle mit einer Abtastrate von 4.800 Hz werden mit dem leistungsstarken, modularen Datenerfassungssystem QuantumX im Feldbussystem erreicht.

Schlussbetrachtung

EtherCAT ist ein äußerst leistungsfähiges, einfach zu verwendendes, offenes Protokoll auf Anwendungsebene für Ethernet-Anwendungen, dessen Integration in den CX27 von HBM garantiert, dass Anwender alle Synchronisationsmöglichkeiten und gleichzeitig die komplette Bandbreite für jede passende Anwendung in vollem Umfang nutzen können. Dies ist für die Synchronisierung einer großen Anzahl von Messmodulen von besonderem Nutzen.

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