Im Bereich der industriellen Automatisierung definiert die EtherCAT-Technologie mit ihrer überlegenen Leistung und Flexibilität traditionelle Ansätze der industriellen Kommunikation neu. Als fortschrittliche industrielle Ethernet-Technologie bietet EtherCAT nicht nur schnelle Datenverarbeitungsmöglichkeiten, sondern bringt auch erhebliche Vorteile bei der Systemintegration und Fehlerdiagnose.

Was ist EtherCAT?

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ist eine von Beckhoff erfundene industrielle Ethernet-Technologie. Es revolutioniert die Art und Weise, wie Maschinen und Systeme miteinander verbunden werden, indem es Geschwindigkeit, Einfachheit und Kosteneffizienz erhöht. EtherCAT wird oft als „Ethernet-Feldbus“ bezeichnet, da es die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsfähigkeiten von Ethernet mit der Einfachheit traditioneller Feldbussysteme verbindet und gleichzeitig die für IT-Technologien typische Komplexität vermeidet. Die offenen Standards, die von der 2003 gegründeten EtherCAT Technology Group (ETG) verwaltet werden, gewährleisten ihre Zugänglichkeit und breite Akzeptanz.

Wie funktioniert EtherCAT?

Das Funktionsprinzip von EtherCAT ist effizient und genial zugleich:

• Datenübertragung: Ein EtherCAT-Master sendet einen Datenrahmen (Telegramm), der nacheinander jeden Knoten (Slave-Gerät) durchläuft.
• On-the-fly-Verarbeitung: Jedes Slave-Gerät liest und verarbeitet die an es adressierten Daten direkt aus dem Frame, während es vorbeiläuft, und fügt gleichzeitig Antwortdaten zurück in das ein rahmen.
• Minimale Verzögerung: Der Frame unterliegt nur den Verzögerungszeiten der Hardwareausbreitung. Der einzigartige Ansatz der Verarbeitung im laufenden Betrieb minimiert Verzögerungen, die typischerweise mit der sequenziellen Datenverarbeitung in herkömmlichen Feldbussystemen einhergehen.
• Rückkommunikation: Der letzte Knoten in der Netzwerkkonfiguration erkennt einen offenen Port und sendet das Telegramm zurück an den Master, wobei er die Vollduplex-Fähigkeiten von Ethernet nutzt.

Vorteile von EtherCAT

Echtzeitkommunikation

EtherCAT zeichnet sich als die schnellste verfügbare Industrial-Ethernet-Technologie aus und bietet eine Genauigkeit im Nanosekundenbereich für die Synchronisierung. Dieses präzise Timing ist entscheidend für Anwendungen, bei denen die Steuerung oder Messung von Systemen über das Bussystem integraler Bestandteil ist. Die schnellen Reaktionszeiten reduzieren die Übergangsverzögerungen zwischen Prozessschritten und steigern so die Gesamteffizienz der Anwendung.

Flexible Topologie

EtherCAT unterstützt nahezu jede Topologiekonfiguration, einschließlich Linien-, Baum-, Stern- oder Daisy-Chain-Konfigurationen, ohne die kaskadierenden Switches oder Hubs, die normalerweise für andere Netzwerke erforderlich sind. Diese Flexibilität erleichtert den Entwurf komplexer Netzwerkarchitekturen bei gleichzeitiger Verwendung kostengünstiger Standard-Industrie-Ethernet-Kabel.

Diagnose und Fehlerlokalisierung

Jeder Knoten innerhalb eines EtherCAT-Netzwerks ist in der Lage, die Integrität der Kommunikation mit integrierten Fehlerprüfmechanismen zu überprüfen:

• Fehlererkennung: Wenn ein Bitfehler auftritt, wird dieser protokolliert und über das Netzwerk kommuniziert, wodurch nachfolgende Knoten und der Master über den beschädigten Frame informiert werden.
• Präzise Fehlerlokalisierung: Der Master kann den genauen Ursprung des Fehlers identifizieren, indem er die von jedem Knoten verwalteten Fehlerzähler analysiert. Diese Fähigkeit übertrifft herkömmliche Feldbussysteme deutlich, bei denen die Lokalisierung von Fehlern schwierig und zeitaufwändig sein kann.

Hochpräzise Synchronisation

Für Anwendungen mit räumlich verteilten Prozessen, die gleichzeitige Aktionen erfordern (z. B. koordinierte Bewegungen über mehrere Servoachsen hinweg), bietet EtherCAT eine außergewöhnlich genaue Synchronisierung. Im Gegensatz zu rein synchronen Kommunikationssystemen, die bei Kommunikationsfehlern beeinträchtigt werden können, weisen die verteilten Uhren von EtherCAT eine hohe Toleranz gegenüber Jitter auf und gewährleisten so einen zuverlässigen und konsistenten Betrieb.

Bus vs. Punkt-zu-Punkt-Übertragung

In der modernen industriellen Automatisierung kann die Wahl zwischen Bus- (Netzwerk) und Punkt-zu-Punkt- (Impuls-)Übertragungsmethoden großen Einfluss auf die Effizienz und Zuverlässigkeit des Betriebs haben.

Vorteile der Busübertragung

• Geschwindigkeit: Die Signalübertragung über Ethernet-Kabel ermöglicht eine schnellere Datenverarbeitung und einen schnelleren Datenempfang.
• Interferenzwiderstand: Bietet bessere Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen Interferenzen.
• Einfachheit: Vereinfachte Verkabelungsprozesse erleichtern die Verwaltung.
• Skalierbarkeit: Unterstützt theoretisch eine unbegrenzte Anzahl von Geräten, geeignet für große Netzwerkumgebungen.

Einschränkungen der Punkt-zu-Punkt-Übertragung

• Komplexe Verkabelung: Beinhaltet mehrere und komplexere Verbindungen über Hardware-E/A-Ports.
• Langsamere Verarbeitung: Im Allgemeinen langsamer beim Empfangen und Verarbeiten von Signalen.
• Anfälligkeit gegenüber Störungen: Anfälliger für elektromagnetische Störungen, was zu einer geringeren Stabilität führt.
• Datenverlust: Es ist wahrscheinlicher, dass Daten verloren gehen, nicht geeignet für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit.
• Begrenzte Erweiterung: Begrenzte Anzahl von Motorachsen, nicht für umfangreiche Erweiterungen geeignet.

Aufgrund dieser Unterschiede ist die Bustechnologie, insbesondere EtherCAT, in industriellen Umgebungen weit verbreitet, in denen eine schnelle Datenverarbeitung und hohe Stabilität erforderlich sind. Punkt-zu-Punkt-Systeme eignen sich möglicherweise besser für kleinere Maßstäbe oder Umgebungen, in denen Echtzeitanforderungen nicht so wichtig sind. Dies macht EtherCAT zu einer effizienten Lösung für anspruchsvolle industrielle Automatisierungsanforderungen und bietet ein zuverlässiges und flexibles Kommunikations-Backbone für moderne Maschinen und Systeme.