EtherCAT

EtherCAT ist ein Feldbussystem auf Ethernet-Grundlage für die Automatisierungstechnik. Es wurde 2003 von Beckhoff vorgestellt, wird seitdem von der EtherCAT Technology Group (ETG) gepflegt und ist in IEC 61158 genormt. Die Buchstaben stehen für Ethernet for Control Automation Technology.

Es ist heute neben PROFINET das verbreitetste Echtzeitverfahren über Ethernet, und bei kurzen Zykluszeiten das schnellste der gängigen Systeme.

Verarbeitung im Durchlauf

Der entscheidende Kunstgriff unterscheidet EtherCAT von allem, was auf gewöhnlichem Ethernet aufsetzt.

Üblicherweise nimmt ein Teilnehmer ein Telegramm vollständig entgegen, wertet es aus und sendet ein eigenes zurück. Bei hundert Teilnehmern bedeutet das hundert Telegramme je Richtung, und jede Weiterleitung kostet Zeit.

EtherCAT schickt stattdessen ein einziges Telegramm durch die gesamte Linie. Jeder Teilnehmer liest die für ihn bestimmten Daten während das Telegramm durch ihn hindurchläuft und schreibt im selben Durchlauf seine Antwort an die vorgesehene Stelle hinein. Das Telegramm wird dabei nicht angehalten; die Verzögerung je Teilnehmer liegt im Bereich weniger Nanosekunden.

Am Ende der Linie kehrt das Telegramm um und läuft über den Rückweg desselben Kabels zum Leitgerät zurück — Ethernet überträgt in beide Richtungen gleichzeitig, und EtherCAT nutzt diesen zweiten Weg als Rückleitung. Logisch entsteht so ein Ring.

Die Folge ist ein Wirkungsgrad, den paketweise arbeitende Verfahren nicht erreichen: 1.000 digitale Ein- und Ausgänge lassen sich in etwa 30 Mikrosekunden bedienen, hundert Servoachsen in etwa 100 Mikrosekunden. Ein gewöhnlicher Ethernet-Rahmen, der sonst viel Verwaltung für wenig Nutzlast trägt, ist hier zu großen Teilen mit Prozessdaten gefüllt.

Günstiges Leitgerät, besondere Teilnehmer

Der Master braucht keine besondere Hardware. Eine gewöhnliche Netzwerkkarte genügt, die gesamte Funktion steckt in Software. Das macht Steuerungen und Industrie-PCs ohne Zusatzkarte EtherCAT-fähig.

Die Teilnehmer dagegen brauchen einen eigenen Baustein, den EtherCAT Slave Controller. Nur er kann im Vorbeiflug lesen und schreiben, ohne das Telegramm aufzuhalten — in Software ist das nicht zu leisten.

Das ist die umgekehrte Aufteilung zu Ethernet Powerlink, das vollständig ohne besondere Bausteine auskommt, dafür aber auf Hubs angewiesen ist und nicht an dieselben Zykluszeiten heranreicht.

Topologie und Adressierung

Gewöhnliche Ethernet-Switches sind innerhalb eines EtherCAT-Segments weder nötig noch zulässig — ihre Zwischenspeicherung würde das Verfahren zerstören. Die Verzweigung übernehmen die Teilnehmer selbst: Geräte mit mehreren Anschlüssen bilden Abzweige, sodass neben der Linie auch Baum- und Sternstrukturen entstehen.

Adressiert wird nach der Position in der Linie, nicht nach einer eingestellten Nummer. Das erspart jede Adressvergabe bei der Inbetriebnahme und ist zugleich die Falle: Wer ein Gerät an anderer Stelle einsteckt oder ein zusätzliches Modul einfügt, verschiebt die Adressen aller nachfolgenden. Die Reihenfolge der Klemmen gehört deshalb zur Dokumentation.

Hot Connect erlaubt, einzelne Abschnitte im Betrieb an- und abzukoppeln, etwa Werkzeugwechsler. Wird der letzte Teilnehmer zusätzlich auf das Leitgerät zurückgeführt, entsteht ein geschlossener Ring, der einen Leitungsbruch an beliebiger Stelle übersteht.

Verteilte Uhren

Für Bewegungssteuerungen reicht es nicht, dass die Daten schnell ankommen — mehrere Achsen müssen gleichzeitig handeln.

Dafür führt EtherCAT Distributed Clocks: Alle Teilnehmer halten eine gemeinsame Uhr, die sich an einer Referenz ausrichtet und laufend nachgeführt wird. Die Laufzeit des Telegramms zu jedem Teilnehmer wird dabei gemessen und herausgerechnet. Die Abweichung zwischen zwei Teilnehmern bleibt unterhalb einer Mikrosekunde.

Erst das macht koordinierte Bahnbewegungen über viele Achsen hinweg möglich.

Was darüber läuft

EtherCAT regelt den Transport. Die Bedeutung der Daten legen aufgesetzte Protokolle fest, die über einen Briefkastenmechanismus neben den zyklischen Daten übertragen werden:

• CoE — CANopen over EtherCAT. Das verbreitetste; es übernimmt das Objektverzeichnis von CANopen samt Geräteprofilen. Wer CANopen kennt, findet sich sofort zurecht.
• SoE — Sercos over EtherCAT, für Antriebe nach diesem Profil.
• FoE — Dateiübertragung, etwa für Firmware-Aktualisierungen.
• EoE — Ethernet over EtherCAT, tunnelt gewöhnlichen Netzverkehr zu einem Teilnehmer, ohne den Zyklus zu stören.

Für sicherheitsgerichtete Funktionen besteht mit FSoE (Safety over EtherCAT) ein zertifiziertes Verfahren, das Nothalt und Schutztüren über dieselbe Leitung führt, ohne eine zweite Verkabelung zu verlangen.

Abgrenzung

PROFINET arbeitet mit Switches, hat die größere Herstellerbasis und ist im Siemens-Umfeld gesetzt. In der Grundform ist es langsamer; erst die Ausprägung IRT erreicht vergleichbare Zeiten, dann aber mit besonderen Switches.

Ethernet Powerlink kommt ohne besondere Teilnehmerbausteine aus und ist quelloffen verfügbar, bleibt aber in Verbreitung und Geschwindigkeit zurück.

Modbus TCP ist kein Echtzeitverfahren. Es eignet sich zum Abfragen von Werten, nicht zur Steuerung einer Achse.

OPC UA löst eine andere Aufgabe — selbstbeschreibende Daten für übergeordnete Systeme — und setzt häufig oberhalb von EtherCAT auf.

Normen

• IEC 61158 – Industrielle Kommunikationsnetze, Feldbusse (EtherCAT als Typ 12)
• IEC 61784-2 – Kommunikationsprofile (EtherCAT als CPF 12)
• IEC 61800-7 – Antriebsprofile, einschließlich CoE und SoE
• IEC 61784-3 – Funktionale Sicherheit, einschließlich Safety over EtherCAT