Übersicht über das EtherCAT-Protokoll und die darauf basierenden Geräte:

EtherCAT ist ein leistungsstarkes Ethernet-basiertes industrielles Kommunikationsprotokoll mit Unterstützung für verschiedene Netzwerktopologien. Es erschien 2003 und ist seit 2007 ein internationaler Standard. Das Protokoll wird von der EtherCAT Technology Group entwickelt.

Wie EtherCAT funktioniert

Während in einem herkömmlichen Ethernet-Netzwerk das Master-Gerät separate Befehle verwendet, um die Slave-Geräte abzufragen, ermöglicht das EtherCAT-Protokoll das Senden nur eines Befehls, um mehrere Slave-Geräte gleichzeitig abzufragen und zu steuern. Slave-Geräte lesen die benötigten Daten direkt aus dem Ethernet-Frame oder schreiben Daten zur Übertragung und leiten den Frame dann an das nächste Gerät weiter. Dieser Mechanismus ermöglicht es, bis zu 65.535 Geräte in einem Netzwerk mit hoher Geschwindigkeit zu verwalten, ohne Einschränkungen in der Netzwerktopologie: Linie, Bus, Baum, Stern oder eine Kombination davon. Darüber hinaus sind zum Organisieren verschiedener Topologien keine Hubs oder Switches erforderlich, da die Slaves selbst über mehrere Ports verfügen. Die Kommunikation mit 1.000 verteilten EtherCAT-Digital-I/Os dauert etwa 30 µs, was typisch für eine 125-Byte-Übertragung bei 100 Mbit/s ist. Daten von 100 Servoantriebsachsen können mit bis zu 10 kHz aktualisiert werden.

Das EtherCAT-Protokoll kann sowohl in zentralisierten als auch in verteilten Automatisierungssystemen verwendet werden. Es unterstützt Master-Slave-, Master-Master- und Slave-Slave-Modi sowie die Integration mit anderen industriellen Protokollen. Auf der obersten Ebene kann das EtherCAT Automation Protocol angewendet werden, das die Arbeit auf Basis einer bestehenden Ethernet-Infrastruktur ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht EtherCAT die Echtzeitübertragung verschiedener Protokolle, ohne die Übertragung von Prozessdaten zu beeinflussen. Das Ethernet over EtherCAT-Profil ermöglicht die Kapselung von FTP, HTTP, TCP/IP usw.

Das EtherCAT-Protokoll basiert auf Ethernet-Technologie und der IEEE 802-Spezifikation. Es verwendet die gleichen Ethernet-Frames und die physikalische Schicht, ermöglicht jedoch zusätzlich:

• Betrieb im harten Echtzeitmodus mit deterministischer Reaktionszeit
• Erstellung vieler Knoten, von denen jeder eine kleine Anzahl von I/O-Punkten verarbeitet
• Reduzierung der Ausrüstungskosten bei der Erstellung einer Datenübertragungsinfrastruktur

Der Initiator des Befehlsversands kann nur das Master-Gerät sein. Alle anderen Geräte verarbeiten nur die Anfrage vom Master und leiten sie weiter, was unvorhersehbare Verzögerungen vermeidet und eine Echtzeit-Datenübertragung gewährleistet.

Master-Geräte verwenden einen standardmäßigen Ethernet Media Access Controller (MAC) und benötigen keine speziellen Netzwerkkarten, was die Implementierung von Master-Geräten auf jeder Ethernet-fähigen Hardwareplattform ermöglicht, unabhängig von ihrem RTOS (Real-Time Operating System) und ihrer Software. Slave-Geräte verwenden einen speziellen EtherCAT Slave Controller (ESC), um Frames direkt auf Hardwareebene zu verarbeiten.

Kurze Beschreibung des EtherCAT-Protokolls

EtherCAT verwendet reguläre Ethernet-Frames für die Datenübertragung. Der EtherCAT-Frame hat die ID 0x88A4 im EtherType-Feld. Da EtherCAT für die schnelle zyklische Übertragung kleiner Datenmengen optimiert ist, verwendet es keine ressourcenintensiven TCP/IP- und UDP/IP-Protokollstapel.

Wenn es erforderlich ist, EtherCAT in eine gemeinsame IT-Infrastruktur zu integrieren, kann TCP/IP-Verkehr über den Mailbox-Mechanismus getunnelt werden, ohne die Echtzeit-Prozessdaten zu beeinträchtigen.

Beim Start konfiguriert das Master-Gerät die Slave-Geräte und definiert eine Liste ihrer Parameter. Die Datenmenge von einem Netzwerkknoten kann von einem Bit bis zu mehreren Kilobyte reichen. Ein EtherCAT-Frame enthält einen Header und mehrere Datagramme. Der Datagramm-Header gibt die Art des Datenzugriffs an:

• Lesen, Schreiben oder beides
• Zugriff auf ein bestimmtes Gerät über direkte Adressierung oder Zugriff auf mehrere Geräte über logische (implizite) Adressierung

Neben der zyklischen Abfrage ist es möglich, Datagramme ereignisbasiert (asynchron) zu senden.

EtherCAT-Netzwerktopologie

EtherCAT unterstützt nahezu alle vorhandenen Netzwerktopologien: Bus, Baum, Stern oder Daisy-Chain. Darüber hinaus können Tausende von Geräten an EtherCAT angeschlossen werden, ohne Switches und andere Zwischengeräte zu verwenden, was Kosten reduziert und Einschränkungen bei der Netzwerkkonstruktion vermeidet.

Die logische Topologie von EtherCAT ist ein Bus, aber die physikalische Verbindung kann beliebig sein. Dies ist möglich, weil jedes EtherCAT-Gerät über mehrere Ports verfügt. Es sieht folgendermaßen aus:

Das Master-Gerät sendet einen Befehl an Port 0 des Slave-Geräts, wo der Befehl direkt von der EtherCAT Processing Unit verarbeitet und dann an den nächsten Port weitergeleitet wird. Wenn der Port nicht mit einem anderen Gerät verbunden ist, wird der Befehl unverändert an den nächsten Port weitergeleitet, bis er zu Port 0 des Master-Geräts zurückkehrt.

EtherCAT ist kompatibel mit Standard-Ethernet-Kabeln. Im Standardmodus 100BASE-TX können beispielsweise Daten mit einer Geschwindigkeit von 100 Mbit/s übertragen werden, wenn die Entfernung zwischen den Geräten 100 m nicht überschreitet. Für Datenübertragungen über Entfernungen von mehr als 100 m kann Glasfaser (100BASE-FX) verwendet werden.

EtherCAT P (P steht für Power) ist eine Erweiterung des EtherCAT-Standards, die es ermöglicht, sowohl Daten als auch Strom über ein einziges Standard-Ethernet-Kabel mit vier Adern zu übertragen. Diese Funktion ist nützlich beim Erstellen eines Sensornetzwerks, bei dem Kommunikation und Stromversorgung mit nur einem Kabel organisiert werden. EtherCAT und EtherCAT P sind in Bezug auf das Protokoll identisch und unterscheiden sich nur in der physikalischen Schicht. EtherCAT P kann im selben Netzwerk wie herkömmliche EtherCAT-Geräte verwendet werden. Zum Konvertieren von EtherCAT zu EtherCAT P und umgekehrt werden spezielle Geräte verwendet.

EtherCAT G/G10 ist eine Erweiterung des EtherCAT-Standards, die die Datenübertragung mit 1 Gbit/s oder 10 Gbit/s ermöglicht. Dies ist besonders relevant beim Übertragen großer Datenmengen in der Bildverarbeitung, bei schnellen Messungen von Parametern oder in komplexen Bewegungssteuerungsanwendungen. EtherCAT G/G10 unterstützt alle EtherCAT-Funktionen und ist vollständig konform mit dem IEEE 802.3-Standard. EtherCAT G fügt dem Standard das Konzept von Zweigen hinzu, das mit Hilfe von EtherCAT Branch Controllers (EBC) implementiert wird. EBCs sind Gateways zwischen Gigabit- und Megabit-Netzwerksegmenten (100 Mbit/s), was die Integration verschiedener Netzwerktypen in ein einzelnes System erleichtert.

EtherCAT-Netzwerkredundanz und Ringtopologie

Ein Kabelbruch oder Ausfall eines der Slave-Geräte sollte nicht zur Unverfügbarkeit des gesamten Netzwerks oder eines Segments führen. Daher verfügt EtherCAT über einen eingebauten Redundanzmechanismus für den Kommunikationskanal. Der zweite Ethernet-Port des letzten Slaves in der Linie wird mit dem zweiten Ethernet-Port des Master-Geräts verbunden, wodurch die Bustopologie in eine Ringtopologie umgewandelt wird. Ein Kabelbruch oder Slave-Ausfall wird auf der Master-Seite erkannt. Slave-Geräte benötigen keine Änderungen, um im Ring zu arbeiten, da dies aus ihrer Sicht nicht vom normalen EtherCAT-Betrieb abweicht.

Die Wiederherstellungszeit des Netzwerks bei Fehlererkennung überschreitet nicht 15 Mikrosekunden, sodass maximal ein Abfragezyklus aufgrund eines Fehlers verpasst wird. Dies bedeutet, dass selbst in Bewegungssteuerungsanwendungen ein gebrochenes Kommunikationskabel nicht zu einem Prozessausfall führt. EtherCAT ermöglicht auch die Organisation eines Hot-Standby für das Master-Gerät. Potenziell unzuverlässige Kommunikationsleitungen (z. B. Kabelkanäle) können nicht an die Hauptleitung, sondern an die EtherCAT-Abzweigleitung angeschlossen werden – dann wird bei einem Kabelbruch der Rest des Systems wie gewohnt weiterarbeiten.

Präzise Zeitsynchronisation in EtherCAT

EtherCAT verwendet die Distributed Clocks (DC)-Technologie.

In einem EtherCAT-Netzwerk wird der Zeitsynchronisationsmechanismus vollständig in Hardware implementiert. Uhren auf Slave-Geräten können die Verzögerung relativ zu anderen Uhren einfach und genau messen, da die Kommunikation die logische und physikalische Ethernet-Ringstruktur mit Vollduplex verwendet, d. h. jedes EtherCAT-Paket durchläuft jeden Slave zweimal (Hin- und Rückweg auf unterschiedlichen verdrillten Adernpaaren). Basierend auf diesem Verzögerungswert wird die verteilte Uhr angepasst, um eine sehr genaue Zeitbasis mit einer Streuung von deutlich unter 1 µs im gesamten Netzwerk zu erreichen.

Sicherheitsprotokoll (SIS) Safety over EtherCAT

Moderne Automatisierungssysteme erfordern nicht nur zeitlich bestimmte Übertragungen von Steuersignalen, sondern auch das Senden kritischer Informationen über denselben Kommunikationskanal. Der EtherCAT-Standard verwendet hierfür das Safety over EtherCAT-Protokoll (FSoE - FailSafe over EtherCAT), das ermöglicht:

• einen einzigen Kommunikationskanal für die Übertragung von Betriebs- und kritischen Daten zu verwenden
• die Architektur des Sicherheitssystems flexibel zu ändern und zu skalieren
• bereits vorhandene zertifizierte Geräte zu verwenden
• erweiterte Diagnosewerkzeuge für Sicherheitsgeräte zu nutzen
• das industrielle Sicherheitssystem nahtlos in das Automatisierungssystem zu integrieren
• die gleichen Werkzeuge zur Erstellung sowohl regulärer Systeme als auch Systeme mit erhöhten Zuverlässigkeitsanforderungen zu verwenden

Safety over EtherCAT wurde gemäß dem IEC 61508-Standard entwickelt, vom TÜV zertifiziert und als IEC 61784-3-Standard anerkannt. Das Protokoll ist geeignet für den Einsatz in Systemen mit funktionalen Sicherheitsanforderungen bis SIL4. Die Verwendung von Safety over EtherCAT ermöglicht es, das Kommunikationssystem als Teil eines Black Channel zu betrachten, der nicht Teil des Sicherheitssystems ist. Die Übertragung kritischer Daten und Steuersignale erfolgt über einen einzigen Kommunikationskanal. Safety over EtherCAT-Protokoll-Frames (auch Sicherheitscontainer genannt) werden als Teil eines EtherCAT-Frames über das Netzwerk übertragen und enthalten kritische Daten.

Der Einsatz von Safety over EtherCAT vereinfacht die Verbindung verschiedener Teile des Steuerungssystems. Der Sicherheitscontainer durchläuft alle Slave-Geräte, was die Organisation eines Notstopps der gesamten Ausrüstung oder einzelner Einheiten erleichtert – selbst wenn einige von ihnen über ein anderes Protokoll verbunden sind. Die FSoE-Unterstützung erfordert keine erheblichen Hardware-Ressourcen. Das Protokoll bietet hohe Leistung und geringe Reaktionszeit. In der Robotik wird FSoE beispielsweise in Regelkreissystemen verwendet, die mit einer Frequenz von 8 kHz arbeiten.

EtherCAT-Kommunikationsprofile

EtherCAT unterstützt azyklischen Zugriff auf Variablen, was nützlich sein kann für die Konfiguration und Diagnose von Slave-Geräten. Dieser Modus verwendet die Mailbox-Technologie mit automatischer Wiederherstellung beschädigter Nachrichten. EtherCAT unterstützt mehrere Kommunikationsprofile:

• CAN Application Protocol over EtherCAT (CoE)
• Servoantriebsprofil gemäß IEC 61800-7-204 (SoE)
• Ethernet over EtherCAT (EoE)
• Dateizugriff über EtherCAT (FoE)
• ADS over EtherCAT (AoE)

Unternehmenskommunikation über EtherCAT Automation Protocol (EAP)

Die Anforderungen an die Kommunikation auf der Ebene der gesamten Produktionssteuerung unterscheiden sich leicht von den Anforderungen an die Kommunikation auf Feldebene. Oft ist es notwendig, Informationen zwischen einzelnen Anlagen und Produktionslinien zu übertragen. Darüber hinaus gibt es normalerweise einen zentralen Controller im System, der den Produktionsprozess auf globaler Ebene verwaltet und Aufgaben an einzelne Produktionslinien verteilt. Das EtherCAT Automation Protocol (EAP) kann verwendet werden, um verschiedene Geräte auf Unternehmensebene zu verbinden.

Das EAP-Protokoll definiert die folgenden Schnittstellen und Dienste:

• Datenaustausch zwischen Master-Geräten
• Datenaustausch mit HMI (Human-Machine Interface)
• Verkehrsweiterleitung über EtherCAT-Protokoll-Gateways zu anderen industriellen Protokollen
• Integration von Software zur Konfiguration von Geräten und Automatisierungssystemen

Die im EAP enthaltenen Kommunikationsprotokolle sind Teil des internationalen IEC 61158-Standards. EAP verwendet Ethernet als physikalische Schicht – einschließlich drahtloser Verbindungsoptionen – was seinen Einsatz in automatisch gesteuerten Fahrzeugen (AGV) ermöglicht, die häufig in der Halbleiterfertigung und in der Automobilindustrie eingesetzt werden.

EAP ermöglicht zyklischen Datenaustausch in Push- und Poll-Modi. Im Push-Modus sendet jedes Gerät Daten mit einer Periode, die seiner Zykluszeit (oder einem Vielfachen dieser Zeit) entspricht. Jedes Gerät kann sich anmelden, um Daten nur von bestimmten Geräten zu empfangen. Sender und Empfänger werden mithilfe des Objektverzeichnisses konfiguriert. Im Poll-Modus sendet jedes Gerät Anfragen an andere Geräte, und jedes dieser Geräte antwortet auf die Anfrage.

Der zyklische Austausch in EAP basiert auf der Verwendung von Standard-Ethernet-Frames mit der Kennung 0x88A4 im EtherType-Feld. Dies ermöglicht die Übertragung häufig wechselnder Daten mit einem Millisekundenzyklus. Wenn ein Datentransfer zwischen Geräten erforderlich ist, die sich in verschiedenen Netzwerksegmenten befinden, können TCP/IP- oder UDP/IP-Protokolle verwendet werden. Darüber hinaus ermöglicht EAP die Verwendung des Safety over EtherCAT-Protokolls für die Übertragung kritischer Daten. Es wird häufig in Steuerungssystemen von Produktionslinien eingesetzt, bei denen einzelne Steuereinheiten kritische Daten für einen synchronen Notstopp austauschen oder Nachrichten an andere Linien weiterleiten müssen, falls eine bestimmte Linie abgeschaltet wird.

Anwendung von EtherCAT in Digitalisierung, Industrie 4.0 und IoT

EtherCAT erfüllt mit seiner Leistung, Flexibilität und Offenheit die hohen Anforderungen des Digitalisierungstrends. EtherCAT kann nicht nur auf Feldebene verwendet werden, sondern auch zur Anbindung an Cloud-Dienste.

Um eine Verbindung zu Cloud-Diensten herzustellen, ohne die Master- und Slave-Geräte neu konfigurieren zu müssen, verwendet EtherCAT ein Kommunikationsgateway, das auf alle Daten zugreifen kann, indem es auf das Postfach des Masters zugreift. Das Kommunikationsgateway kann ein eigenständiges Gerät sein, das mit dem EtherCAT-Master über TCP/IP oder UDP/IP kommuniziert, oder es kann eine Anwendung auf dem Master-Gerät selbst sein. Darüber hinaus ermöglicht die Offenheit des Protokolls die Integration von IT-Protokollen wie OPC UA, MQTT, AMQP und anderen – entweder auf der Seite des Master-Geräts oder direkt auf den Slave-Geräten, was eine direkte Datenübertragung von Sensoren zum Cloud-Dienst mit einem einzigen Protokoll ermöglicht.

EtherCAT kann in TSN IEEE 802.1 (Time-Sensitive Networking)-Netzwerken arbeiten, was den Austausch zwischen Controllern mit Echtzeit-Datenübertragung ermöglicht. Darüber hinaus unterstützt EtherCAT die Integration mit dem OPC UA Pub-Sub-Protokoll, das für die Kommunikation zwischen Maschinen (M2M) und die Kommunikation mit Cloud-Diensten verwendet werden kann.

All dies ermöglicht es uns zu sagen, dass EtherCAT nicht nur bereit für Industrie 4.0 und das Internet der Dinge (IoT) ist, sondern bereits Teil davon ist!

EtherCAT-Geräte

Master-Geräte

Das Master-Gerät kann jedes Gerät mit einer Netzwerkkarte sein, da die Datenverarbeitung direkt auf spezialisierten Controllern in den Slave-Geräten erfolgt. Die häufigste Lösung als Master-Gerät ist die Beckhoff TwinCAT-Software, die auf einem Industriecomputer installiert ist, oder es kann ein spezialisierter Controller sein. Sie können auch eine Open-Source-Implementierung des EtherCAT-Protokolls verwenden. Darüber hinaus liefern Hersteller von EtherCAT-Geräten oft verschiedene Bibliotheken und APIs mit ihren Produkten für die eigenständige Implementierung des Master-Geräts.

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PCIe EtherCAT Master-Karten

Für eine vollständige Liste der PCIe-Karten sehen Sie im Katalog nach.

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Controller

Modellname	CPU	RAM, GB	I/O-Steckplätze	Zykluszeit	Slave-Geräte	Achsen	Programmierung
EMP-9051-16	i5-8365UE	16 GB DDR4	0	500 µs, 1, 2, 4, 8 ms	512	16	C/C++/C#/LabView
EMP-9051-32						32
EMP-9058-16						16	IEC 61131-3 C/C++/C#/LabView
EMP-9058-32						32
EMP-9251-16			2			16	C/C++/C#/LabView
EMP-9251-32						32
EMP-9258-16						16	IEC 61131-3 C/C++/C#/LabView
EMP-9258-32						32	IEC 61131-3 C/C++/C#/LabView
EMP-9091-16	Atom E3950	8 GB DDR4	0			16	C/C++/C#/LabView
EMP-9091-32						32	C/C++/C#/LabView
EMP-9098-16						16	IEC 61131-3 C/C++/C#/LabView
EMP-9098-32						32	IEC 61131-3 C/C++/C#/LabView
EMP-2848M	Cortex-A53	1	0	500 µs	128	16	IEC 61131-3 C/C++/C#/LabView

Modellname	CPU	RAM, GB	Module	Programmierung
AMAX-5580-C300A	Celeron 3955U	4 GB	AMAX-5000 Serie	CODESYS V3 Pure Control
AMAX-5580-54000A	i5-6300U	8 GB		CODESYS V3 Motion
AMAX-5580-74000A	i7-6600U			CODESYS V3 Advanced Motion

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I/O-Module

Für eine vollständige Liste der I/O-Module sehen Sie bitte im Katalog nach.

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Protokoll-Gateways

Weitere Informationen zu Protokoll-Gateways finden Sie im Katalog.

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EtherCAT-Netzwerktopologie-Konverter

Weitere Informationen zu Topologie-Konvertern finden Sie im Katalog.

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Für weitere technische Informationen, Angebotsanfragen oder Bestellungen wenden Sie sich bitte an unser Vertriebsteam unter sales@ipc2u.com