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Was ist EtherCAT?

EtherCAT ist das Protokoll für ein in Echtzeit arbeitendes, industriell nutzbares Ethernet. Im Unterschied zu anderen Industrial Ethernet-Protokollen erfüllt es harte Echtzeitanforderungen. Der Standard verbindet die Vorteile des Ethernet mit Vorzügen bekannter Feldbussysteme. Er wird deshalb auch als "Ethernet-Feldbus" bezeichnet.

Wer entwickelt EtherCAT?

Die Entwicklung wurde von dem Unternehmen Beckhoff gestartet. Heute liegt die Betreuung und Weiterentwicklung des Standards in den Händen der EtherCAT Technology Group (ETG). ETG wurde im Jahre 2003 ins Leben gerufen und ermöglicht allen interessierten Geräteherstellern den Zugang zur EtherCAT-Technologie, zur Teilnahme an dessen Weiterentwicklung, zu Kommunikation und Abgleich mit anderen Geräteherstellern und zur Zertifizierung der von ihnen entwickelten Geräte, wie EtherCAT-Master und EtherCAT-IO-Module. In 2019 bezeichnete ETG sich als jeweils größte Feldbus-Organisation in Asien, Amerika und Europa. Ende 2020 hatte der Verband mehr als 6.000 Mitgliedsunternehmen aus 67 Ländern.

Konformität und Zertifizierung durch EtherCAT Test Center

Mitgliedsunternehmen der ETG können ihre Geräte von einem offiziellen EtherCAT Test Center (ETC) zertifizieren lassen. Im Rahmen des ETG-Konformitätstests werden ein Protokolltest, ein Test der Interoperabilität und ein Physical Layer-Test durchgeführt.

Wie funktioniert EtherCAT?

In einem EtherCAT-Netzwerk kommuniziert ein Master, ein PC oder Industrie-PC, mit den angebundenen Slave-Geräten und versendet dafür Frames. Bildlich gesprochen, funktioniert ein Frame wie ein Postauto. Wenn es vom Postamt, dem Master, losfährt, ist es mit Paketen für die Teilnehmer beladen, die es nacheinander abfährt. So wie bei der realen Post, können im Postauto für eine Auswahl von Teilnehmern Pakete vorhanden sein, die bei Erreichen der Teilnehmer ausgeliefert werden. Hat der Teilnehmer seinerseits ein Paket aufzugeben, nimmt das Postauto es gleich mit.

In der technischen Umsetzung wird ein Frame vom Master durch das Netzwerk geschickt. Jede Station greift darauf zu. Die Verarbeitung in einem Slave, wie einem EtherCAT-IO-Modul, beginnt nicht erst nach Empfang des gesamten Frames, sondern schon bei Eintreffen der ersten Bytes. Jede Station kann dem Frame Daten entnehmen und selbst Daten hinzufügen. Hinzugefügte Daten können für nachfolgende Stationen oder für den Master bestimmt sein. Der Frame wird über einen vordefinierten Pfad durch das gesamte Netzwerk geleitet und schließlich vom Master wieder in Empfang genommen und ausgewertet.

Welche Vorteile hat EtherCAT?

EtherCAT hat eine Reihe von Eigenschaften, die die Nutzung dieses Industrial Ethernet-Protokolls vorteilhaft macht. Der EtherCAT-Master, ein Industrie-PC, muss geringsten Anforderungen genügen. Die Belastung des Netzes ist deutlich geringer als bei anderen Industrial Ethernet-Ansätzen, weil ein Frame für alle Teilnehmer verwendet wird. Komplexe Netzwerkstrukturen können einfach abgebildet werden. Switches und Hubs werden nicht benötigt. Die Kosten und die Aufwände für Installation, Inbetriebnahme und Wartung werden dadurch gesenkt. Mit Hot-Connect können Knoten während des Betriebes eingefügt werden.

Das EtherCAT-Funktionsprinzip macht Netzwerke echtzeitfähig. Frames werden "im Durchlauf" (on the fly) verarbeitet. Die Verzögerung des Frames pro Slave ist minimal. Damit langsame Stationen nicht abgehängt werden, ist die Geschwindigkeit einstellbar. Die Synchronisierung per "Distributed Clocks"-Prinzip ermöglicht hochgenaue Anwendungen mit zeitgleichen I/O-Funktionen auf mehreren Slaves.

Abbildung CUBE 20S EtherCAT-Modul

Störungen im Netzwerk können mit EtherCAT lokalisiert werden. Die Diagnose wird vereinfacht. Kosten und Aufwände für die Diagnose sinken. Zu unseren CUBE 20S Modellen.

Topologie der EtherCAT-Netzwerke

Die Topologie spiegelt die physikalische und logische Struktur der Maschinen und Anlagen im Fertigungsbereich wieder. Sie kann daher eine komplexe Struktur annehmen. Mit EtherCAT ist der Aufbau bekannter Strukturen, wie Linien-Topologie, Baum-Topologie und Stern-Topologie möglich. Sie können frei gewählt und miteinander kombiniert werden. Der Aufbau kann mit und ohne Switches erfolgen. Im EtherCAT-Netzwerk kann ein Master bis zu 65535 Slaves verwalten.

Zu den Kabellängen wird die Einhaltung der Vorgaben nach EN 50173 empfohlen. Der Einfluss von Umgebungstemperatur und Betriebstemperatur der Geräte ist zu beachten. Weitere Einflussgrößen sind die Anzahl der Steckverbindungen und die Eigenschaften der eingesetzten Leitungen.

Abbildung Steckverbinder RJ45 Professional 4-polig

Synchronisierung mit Distributed Clocks

Das "Distributed Clocks"-Prinzip (DC) verbessert die zeitliche Genauigkeit durch den kontinuierlich ablaufenden Synchronisationsprozess. Die Genauigkeit der Synchronisation der Slaves, die mit Distributed Clocks ausgerüstet sind, liegt im Bereich von Nanosekunden.

Redundanz

Ist für eine ausreichende Anlagenverfügbarkeit eine redundante Ausführung erforderlich, kann ein zweiter Master in das Netzwerk eingefügt werden, der bei Ausfall des ersten die Verwaltung und das Senden und Empfangen der Frames übernimmt.

Die Kabelredundanz wird mit dem Aufbau einer Ringstruktur erreicht. Der Frame wird nach dem Durchlaufen aller Geräte vom letzten Gerät, das mit dem zweiten Port des Masters verbunden ist, an diesen weitergeleitet. Wird das Kabel zwischen zwei Geräten unterbrochen, können beide Ports des Masters über die verbleibenden Kabelstränge mit den Geräten kommunizieren.

EtherCAT-IO-Modul in Schaltschrank und Feld

Die im Product Guide der ETG gelisteten Produkte der Mitgliedsunternehmen sind in die Kategorien Master Systems, Slave Devices und weitere eingeteilt. EtherCAT-IO-Module gehören zu den Slave Devices. EtherCAT-IO-Module bauen auf dem EtherCAT-Slave-Controller (ESC) auf. Sie können die Diagnose mit LED und über den Bus unterstützen.

EtherCAT-IO-Module sind für den Einsatz im Schaltschrank und im Feld unter industrieüblichen Bedingungen verfügbar.

Abbildung Impact20, digitales EtherCAT-Modul im Schaltschrank Schutzart IP20

Abbildung Cube67+ EtherCAT-IO-Modul im Feld Schutzart IP67

EtherCAT-Kabel

In geltenden Normen werden voll geschirmte EtherCAT-Leitungen gefordert. EtherCAT-Kabel sind auch für die Übertragung von Leistung verfügbar (EtherCAT Power).

Abbildung M8 Buchse 0° mit Kabel Ethercat Power

Auf die Eignung der Steckverbinder für den Einsatz im Feld (IP65, IP67) beim Anschluss der EtherCAT-IO-Module ist zu achten.

Steckverbinder für EtherCAT-Kabel

RJ45-Steckverbinder für EtherCAT-Kabel sind in 4-poliger Ausführung für 100 MBit/s-Netze und in 8-poliger Ausführung für Gigabit-Netze erhältlich. Mit EtherCAT G sind Übertragungsraten von 1 und 10 GBit/s erreichbar. Das Protokoll des Standards ist dabei unverändert.

Abbildung Stecker RJ45 Professional 45° 8 pol.

Die gewinkelte Ausführung ist in beengtem Bauraum einzusetzen. Auf die Durchgängigkeit der Schirmung ist zu achten. Für EtherCAT G sind auch x-codierte M12-Stecker einzusetzen.

EtherCAT ist eine geschützte Marke.