EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ist ein in der industriellen Automatisierung eingesetztes echtzeitfähiges Feldbusprotokoll. Es läuft auf Standard-Ethernet-Hardware, führt den Datenaustausch jedoch mit einer anderen Methode als die klassische Ethernet-Logik durch. Es wird besonders bei mehrachsigen Motion-Anwendungen und in Systemen bevorzugt, in denen eine hohe Anzahl von I/O-Punkten in kurzen Zyklen gelesen werden muss.
Unterschied zum klassischen Ethernet
Bei Standard-Ethernet empfängt jedes Gerät sein eigenes Paket, verarbeitet es und sendet seine Antwort mit einem separaten Paket zurück. Mit zunehmender Zahl der Geräte im Netzwerk steigen Paketanzahl und Verzögerung. Für Büronetzwerke ist diese Struktur kein Problem; für einen Regelkreis, der zehntausende Male pro Sekunde wiederholt wird, ist sie jedoch ineffizient.
EtherCAT löst dieses Problem mit der Methode der verarbeitenden Frame-Übertragung (processing on the fly). Der Master (in der Regel eine PLC oder ein Industrie-PC) sendet einen einzigen Ethernet-Frame. Während der Frame jedes Slave-Gerät in der Kette durchläuft, liest das Gerät den ihm zugewiesenen Datenbereich, während der Frame in Bewegung ist, und schreibt seine eigenen Daten in denselben Frame. Wenn der Frame das Ende der Kette erreicht, kehrt er um und gelangt zurück zum Master.
Ergebnis: Die Daten aller Geräte im gesamten Netzwerk werden mit einem einzigen Frame-Umlauf ausgetauscht. Es gibt kein separates Paket und kein separates Warten pro Gerät.
Bandbreiteneffizienz
Beim klassischen Ansatz wird selbst für einen wenige Bit umfassenden digitalen Eingang ein vollständiger Ethernet-Frame (mitsamt der Mindestlängenpflicht) verbraucht. Bei EtherCAT belegt jeder Slave innerhalb des Frames nur so viel Platz, wie er benötigt. Dadurch steigt der Nutzdatenanteil des Frames stark an und in I/O-intensiven Systemen, die mit kleinen Datenmengen arbeiten, wird die Bandbreite effizient genutzt.
Topologie
EtherCAT arbeitet logisch auf einem Ring: Der Frame geht hin und kehrt zurück. Physikalisch ist es hingegen flexibel:
- Linie (line): Die häufigste Struktur. Die Geräte werden hintereinander verbunden. Es ist kein zusätzlicher Switch
- Baum / Stern: Mit Abzweigmodulen werden Unterzweige gebildet.
- Ring (redundant ring): Beide Enden der Kette kehren zum Master zurück. Bei einem Kabelbruch
erforderlich, die Verkabelung ist einfach.
läuft die Kommunikation unterbrechungsfrei weiter — wird in kritischen Anlagen bevorzugt.
Ein Standard-Ethernet-Switch wird innerhalb eines EtherCAT-Segments nicht verwendet; die Slave-Geräte selbst übernehmen bereits die Durchleitung.
Adressierung und Inbetriebnahme
EtherCAT-Slaves erhalten keine IP-Adresse. Die Geräte werden automatisch nach ihrer physikalischen Reihenfolge in der Kette adressiert. Das vereinfacht die Inbetriebnahme, hat aber folgende Konsequenz: Die physikalische Reihenfolge der Geräte muss mit der Konfiguration übereinstimmen. Wird ein Slave versetzt oder ein Gerät dazwischengesetzt, muss die Konfiguration aktualisiert werden.
Die Gerätebeschreibungen erfolgen über ESI (EtherCAT Slave Information) XML-Dateien. Der Hersteller stellt diese Datei bereit; nach dem Import in die Master-Software werden die vom Gerät unterstützten Datenobjekte und Einstellungen erkannt.
CoE, FoE und andere Profile
EtherCAT ist eine Transportinfrastruktur; darauf laufen verschiedene Anwendungsprofile:
- CoE (CANopen over EtherCAT): Das am häufigsten verwendete Profil. Das CANopen-
- FoE (File over EtherCAT): Dateiübertragung zum Gerät — wird für Firmware-Updates
- EoE (Ethernet over EtherCAT): Tunnelung des Standard-Ethernet-Verkehrs (z. B. der
- SoE (Servo Drive Profile over EtherCAT): Alternatives Antriebsprofil.
Objektverzeichnis und das Antriebsprofil werden über EtherCAT übertragen. Bei Servoantrieben ist dies der Standardansatz.
verwendet.
Weboberfläche eines Geräts) über dieselbe Leitung.
Diagnose und Fehlersuche
Eine der praktisch wertvollsten Eigenschaften von EtherCAT ist die Diagnosefähigkeit. An jedem Slave-Port werden Zähler für fehlerhafte Frames geführt. Wenn ein Kabel oder Steckverbinder zu versagen beginnt, steigen die Fehlerzähler an, bevor die Kommunikation vollständig abreißt, und es lässt sich feststellen, an welchem Port welches Geräts das Problem liegt. Dies verkürzt die Fehlersuchzeit in langen Maschinenlinien erheblich.
Wo wird es bevorzugt
- Mehrachsige synchrone Motion (elektronische Kurvenscheibe, elektronisches Getriebe, Schnittanwendungen)
- Maschinen mit kurzem Regelzyklus
- Hohe Anzahl verteilter I/O-Punkte
- Wunsch nach einfacher Verkabelung in langen Maschinenlinien
- Systeme, die eine gegen Kabelbruch redundante Struktur erfordern
Was in der Anwendung zu beachten ist
Bei der Verkabelung wird geschirmtes Ethernet-Kabel vom Industrietyp verwendet; die Schirmerdung und die Montagequalität der Steckverbinder beeinflussen die Kommunikationsstabilität direkt. Die Gerätereihenfolge muss dokumentiert werden — bei der späteren Wartung, wenn in die Kette eingegriffen wird, erleichtert diese Dokumentation die Arbeit. Auf der Masterseite wird die Regelzykluszeit nach der Verarbeitungszeit des langsamsten Slaves festgelegt.
Verwandte Produktfamilien: PLC, Servoantrieb, AC-Antrieb, Remote I/O, Kommunikationsmodule, Gateway
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