EtherCat in der elektronischen Reihenklemme

Vor rund 13 Jahren erblickte die von Beckhoff entwickelte elektronische Reihenklemme das Licht der Welt. Das Busklemmensystem hat die Automatisierungstechnik der letzten Jahre maßgeblich mit geprägt und ist zu einem weltweiten Standard geworden, der kontinuierlich weiterentwickelt wird. Waren die Busklemmen im Jahr 1995 noch auf Standardsignale beschränkt, so ist inzwischen ein nahezu lückenloses Produktspektrum mit über 200 Klemmen und über 60 Buskopplern bzw. Controllern entstanden. Der Einzug von Ethernet in das industrielle Umfeld hat auch vor den Busklemmen nicht haltgemacht. Beckhoff setzt auf EtherCat (Ethernet Control Automation Technology), eine Echtzeit-Ethernet-Technologie, die die Grenzen der herkömmlichen Feldbusse sowohl hinsichtlich der Übertragungsgeschwindigkeit als auch bezüglich der Topologie-Freiheit und Ausdehnung deutlich nach oben verschiebt. Damit ist sie für die Next-Generation-Steuerungstechnik ausgelegt. Beckhoff bietet den Anwendern mit dem Busklemmen- und EtherCat-Klemmensystem zwei I/O-Systeme: Äußerlich und vom mechanischen Aufbau sind beide nahezu identisch; die Unterschiede liegen im Inneren, sprich in der Signal- und Protokollverarbeitung. Die EtherCat-Klemmen sind speziell für die hohe Performance und flexible Topologie designt. Hardwareseitig basiert das modulare, IP20-geschützte System auf dem Gehäuse des Busklemmensystems. Im Unterschied zu den Busklemmen, bei denen das Feldbussignal im Buskoppler auf den internen, feldbusunabhängigen Klemmenbus (K-Bus) umgesetzt wird, bleibt das EtherCat-Protokoll bis zur einzelnen Klemme vollständig erhalten. Neben den EtherCat-Klemmen lassen sich auch die Standard-Busklemmen über den Buskoppler BK1120 anschließen; damit sind Kompatibilität und Durchgängigkeit gewährleistet. Bestehende und zukünftige Investitionen werden so geschützt. Grundsätzlich treibt Beckhoff die Entwicklung beider I/O-Systeme voran: Ethernet on the fly Jede einzelne EtherCat-Klemme enthält zur Protokollverarbeitung einen EtherCat-Slave-Controller. Für die schnelle Verarbeitung wird – anders als bei anderen Ethernet-Lösungen – das Ethernet-Paket nicht erst in jeder Anschaltung zunächst empfangen, dann interpretiert und die Prozessdaten weiterkopiert, sondern direkt im Durchlauf bearbeitet. Die EtherCat-Klemmen entnehmen die für sie bestimmten Daten, während das Telegramm die Klemme durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in das Telegramm eingefügt. Die Telegramme werden dabei jeweils nur wenige Nanosekunden verzögert. Da der EtherCat-Frame sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung die Daten für viele Teilnehmer enthält, steigt die Nutzdatenrate auf über 90% an. Dabei werden die Vollduplex-Eigenschaften von 100Base-TX vollständig ausgenutzt, so dass effektive Datenraten von >100MBit/s (>90% von 2x100MBit/s) erreichbar sind. Das Ethernet-Protokoll, gemäß IEEE802.3, bleibt bis in die einzelne Klemme erhalten. Lediglich die Übertragungsphysik wird im Koppler von Twisted-Pair auf E-Bus gewandelt. Die Technik des E-Busses basiert auf LVDS (Low Voltage Differential Signalling)-Übertragung, die die Anforderungen der elektronischen Reihenklemme gut erfüllt. LVDS ist ein schneller und kostengünstiger alternativer Ethernet-Physical-Layer, der auch bei 10Gigabit-Ethernet (IEEE802.3ae) zum Einsatz kommt. Am Ende des modularen Geräts wird einfach wieder auf 100Base-TX gewechselt. Offenheit und Flexibilität Das EtherCat-Protokoll kann weitere Ethernet-basierte Dienste und Protokolle auf dem gleichen physikalischen Netz transportieren – in der Regel nur mit minimalen Performance-Einbußen. Beliebige Ethernet-Geräte können daher ohne Einfluss auf die Zykluszeit innerhalb des EtherCat-Segments via Switchport-Klemme angeschlossen werden. Geräte mit einer Feldbusschnittstelle werden über EtherCat-Feldbusmasterklemmen integriert. Die UDP-Protokollvariante lässt sich auf jedem Socket-Interface implementieren. Große Vorteile hinsichtlich der Systemflexibilität im praktischen Einsatz bietet die Funktion des Hot-Connect/Disconnect von Bussegmenten, denn in vielen Applikationen – beispielsweise bei Bearbeitungszentren mit wechselnden, sensorbestückten Werkzeugsystemen – wird eine Änderung der I/O-Konfiguration während des Betriebs gefordert. Die EtherCat-Protokollstruktur wird diesen Anforderungen gerecht, denn per Hot-Connect lassen sich Teile des Netzwerks im laufenden Betrieb nach Bedarf an- und abkoppeln und umkonfigurieren, um so flexibel auf wechselnde Ausbaustufen zu reagieren. Flexible Topologie und verteilte Anwendungen Das EtherCat-Klemmensystem 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 Linie und Abzweigen bzw. Stichleitungen: Die benötigten Schnittstellen sind auf den EtherCat-Kopplern vorhanden; zusätzliche Switche werden nicht benötigt. Aber auch die klassische Switch-basierte Ethernet-Sterntopologie kann eingesetzt werden. Die Flexibilität bei der Verdrahtung wird durch die Auswahl verschiedener Leitungen vervollständigt. Sehr preiswerte Standard-Ethernet-Patchkabel genügen für die Übertragung nach 100Base-TX im Schaltschrank. Für die Vernetzung außerhalb des Schaltschranks steht ein großes Spektrum an industrietauglichen Kabeln und Steckern zur Verfügung. Verbindungen mit Lichtleitern können mit Standard-Medienumsetzern, Übergänge zu rotierenden Maschinenteilen mit normalen Ethernet-Schleifringen realisiert werden. Die 100Base-TX-Physik erlaubt eine Leitungslänge von 100m zwischen zwei EtherCat-I/O-Stationen und ist daher auch besonders gut für weit verteilte Applikationen, wie z.B. die Fördertechnik, einsetzbar. Da bis zu 65.535 Teilnehmer an einem EtherCAT-Segment angeschlossen werden können, ist die gesamte Netzausdehnung nahezu unbeschränkt. Diagnose und Verfügbarkeit Die Erfahrungen mit Feldbussystemen zeigen, dass die Verfügbarkeit und Inbetriebnahmezeiten entscheidend von der Diagnosefähigkeit abhängen. Nur eine schnell und präzise erkannte und eindeutig lokalisierbare Störung kann kurzfristig behoben werden. Deshalb wurde bei der Entwicklung des EtherCat-Systems besonderer Wert auf vorbildliche Diagnoseeigenschaften gelegt. Bei der Inbetriebnahme gilt es zu prüfen, ob die Ist-Konfiguration der I/O-Klemmen mit der Soll-Konfiguration übereinstimmt. Auch die Topologie sollte der Konfiguration entsprechen. Durch die eingebaute Topologie-Erkennung bis hinunter zu den einzelnen Klemmen kann nicht nur diese Überprüfung beim Systemstart stattfinden – auch ein automatisches Einlesen des Netzwerks ist möglich (Konfigurations-Upload). Neben der Bruchstellenerkennung und -lokalisierung erlauben Protokoll, Übertragungsphysik und Topologie des EtherCat-Systems eine individuelle Qualitätsüberwachung jeder einzelnen Übertragungsstrecke. Die automatische Auswertung der entsprechenden Fehlerzähler ermöglicht die exakte Lokalisierung kritischer Netzwerkabschnitte. Schleichende oder wechselnde Fehlerquellen wie EMV-Einflüsse, fehlerhafte Steckverbindungen oder Kabelschäden werden erkannt und lokalisiert, auch wenn die Störungen sich noch nicht in Fehlfunktionen niederschlagen. Für eine hohe Anlagenverfügbarkeit sorgt zudem die optionale Leitungsredundanz, die bei Bedarf sogar einen Gerätetausch im laufenden Netzwerk zulässt. Sie ermöglicht gerade im Maschinenbau völlig neue Automatisierungsanwendungen und kann dabei sehr einfach mit Standardkomponenten realisiert werden. Auch redundante Master mit Hot-Stand-by-Funktionalität sind mit EtherCat möglich. Da die Slave-Controller das Frame bei Unterbrechung automatisch sofort zurückschicken, führt ein Teilnehmerausfall nicht zum Stillstand des gesamten Netzwerks. So lassen sich beispielsweise Schleppketten-Applikationen gezielt als Stichleitungen ausführen, um für einen Kabelbruch gewappnet zu sein. Anwendervorteile