Wie macht man Hochgeschwindigkeitsmessung mit EtherCAT?

„Processing on the fly“ mag wie ein Modewort klingen, aber in der Welt der Echtzeit-Automatisierung ist es eine einzigartige Eigenschaft von EtherCAT. Dank seines cleveren Designs verarbeitet EtherCAT Daten mit minimaler Verzögerung – perfekt für Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsanwendungen. Schauen wir uns einmal genauer an, was EtherCAT ist, wie es funktioniert und wo es eingesetzt wird.

Was ist EtherCAT?

EtherCAT steht für Ethernet for Control Automation Technology und ist ein Ethernet-basiertes Feldbussystem, das speziell für die hochperformante Echtzeitkommunikation in Automatisierungs- und Steuerungssystemen entwickelt wurde. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei EtherCAT um ein optimiertes industrielles Ethernet-Protokoll, das auf die strengen Timing- und Synchronisationsanforderungen moderner Industrieanwendungen zugeschnitten ist.

EtherCAT wurde von Beckhoff Automation entwickelt und erstmals im Jahr 2003 vorgestellt; die offizielle Standardisierung erfolgte im Jahr 2007. Das Protokoll ist in der IEC 61158 – Industrial communication networks – Fieldbus specifications,- genormt und in IEC 61784 – Industrial networks – Profiles– genauer definiert.

Im Gegensatz zu traditionellen Ethernet-Protokollen, die typischerweise unter Latenz und Kommunikationsjitter leiden, wurde EtherCAT von Grund auf für Echtzeit-Performance entwickelt. Sein einzigartiges Arbeitsprinzip minimiert Verzögerungen und reduziert Kommunikationsjitter, wodurch es sich besonders für zeitkritische industrielle Kommunikation eignet.

Wie funktioniert EtherCAT?

Die herkömmliche Ethernet-Kommunikation folgt einem Stop-and-Store-Ansatz. Jedes Gerät innerhalb des Netzes empfängt das komplette Datenpaket, verarbeitet es um zu prüfen ob die Daten für dieses Gerät bestimmt sind, und antwortet dann entsprechend oder leitet das Paket weiter. Diese sequentielle Verarbeitung führt bei jedem Gerät in der Kette zu einer Latenzzeit.

Im Gegensatz dazu verwendet EtherCAT einen „Processing-on-the-fly“-Ansatz. Anstatt an jedem Knoten anzuhalten, durchläuft ein einzelner EtherCAT-Frame nacheinander alle Geräte. Während der Frame durchläuft, liest jedes Gerät seine relevanten Daten und fügt neue Informationen direkt in den Frame ein – ohne jegliche Verzögerung. Dieser Prozess minimiert die Latenzzeit, da sich der Frame ohne Unterbrechung durch das Netzwerk bewegt.

Trotz dieses grundlegenden Unterschieds in der Datenkommunikation verwendet EtherCAT Standard-Ethernet-Kabel, was eine einfache Implementierung in bestehende Infrastrukturen ermöglicht.

Abb. 1: Darstellung der Frame-Verarbeitung von EtherCAT (Quelle: Wikipedia/Timmy Broling)

Einfach ausgedrückt:Ethernet ist wie ein Lieferwagen, der an jedem Haus anhält, um ein Paket zu liefern oder abzuholen. EtherCAT ist wie ein Förderband, das sich durch alle Häuser bewegt – jede Person nimmt ihr Paket entgegen oder legt es dazu, ohne das Band anzuhalten

Was sind die Vorteile von EtherCAT?

EtherCAT bietet eine Reihe von attraktiven Vorteilen, die es besonders für moderne industrielle Automatisierungs- und Messanwendungen geeignet machen. Seine Architektur ist nicht nur schnell und zuverlässig, sondern auch äußerst anpassbar und kostengünstig.

Höchstleistung

EtherCAT bietet eine hohe Geschwindigkeit und Timing-Genauigkeit und ist damit perfekt für anspruchsvolle Echtzeitanwendungen geeignet:

• Ultra-schnelle Kommunikationsgeschwindigkeiten mit Datenaktualisierungszeiten (oder Zykluszeiten) < 100 µs.
• Außergewöhnlich niedriger Kommunikationsjitter von < 1 µs für präzise Synchronisation

Flexible Netzwerktopologie

Im Gegensatz zu vielen anderen Industrieprotokollen bietet EtherCAT eine erhebliche Flexibilität bei der Strukturierung des Netzwerks:

• Unterstützt mehrere Topologien, einschließlich Linie, Baum, Ring, Stern und mehr.
• Keine Notwendigkeit für externe Switches oder Hubs, was die Hardwarekosten reduziert.
• Hochgradig skalierbar, da bis zu 65.535 Geräte an ein einziges Netzwerk angeschlossen werden können.

Robust & verlässlich

EtherCAT enthält integrierte Mechanismen, die eine zuverlässige und sichere Kommunikation gewährleisten:

• Integrierte Diagnosefunktionen ermöglichen die schnelle Erkennung von Kabelbrüchen, Verbindungsproblemen oder Geräteausfällen.
• Die Bitfehlererkennung während der Datenübertragung verbessert die Fehlertoleranz und die Systemstabilität.

Kosteneffiziente Implementierung

Ein weiterer Vorteil von EtherCAT ist die Fähigkeit, High-End-Performance mit Standard-Ethernet-Kabeln und -Controllern zu liefern. Dies macht es zu einer kosteneffizienten Lösung für die industrielle Echtzeitkommunikation, ohne dass spezielle Hardware benötigt wird.

Wo wird EtherCAT verwendet?

Dank seiner Echtzeitleistung, Flexibilität und Präzision wird EtherCAT in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt. Es ist besonders wertvoll in Anwendungen, in denen deterministisches Timing und präzise Synchronisation kritisch sind:

Industrielle Automatisierung

EtherCAT ermöglicht die nahtlose Koordination von Motoren, Sensoren und Steuerungen und ist damit perfekt für Hochgeschwindigkeits-Fließbänder und Förderanlagen.

Prüfstände

In Prüfstandsumgebungen gewährleistet EtherCAT die synchronisierte Erfassung von Hochgeschwindigkeitsdaten von mehreren Sensoren in Echtzeit. Dies ist für genaue Tests in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in industriellen Entwicklungseinrichtungen unerlässlich.

Fertigung

In verschiedenen Fertigungsprozessen (z. B. Halbleiterfertigung, Metallverarbeitung, Elektronikproduktion usw.) sind präzise Bewegungssteuerung und Timing unerlässlich; EtherCAT unterstützt hier die exakte Synchronisation komplexer Maschinenbewegungen.

Energie & Powersysteme

EtherCAT wird zunehmend in Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien, wie z. B. in Windkraft- und Solaranlagen, eingesetzt, um die synchrone Überwachung, Steuerung und Diagnose verteilter Systeme – auch über große Entfernungen – sicherzustellen.

Robotik

In der Robotik spielt EtherCAT eine zentrale Rolle für die Echtzeitkommunikation zwischen mehreren Servoantrieben, Sensoren und Steuerungen. Es sorgt für schnelle und deterministische Reaktionen, die es Robotern ermöglichen, sich mit hoher Präzision und Sicherheit zu bewegen – selbst in dynamischen oder Hochgeschwindigkeitsumgebungen.

Wie wir sehen, kann EtherCAT in unzähligen Systemen in verschiedenen Branchen eingesetzt werden. Die folgenden Beispiele zeigen die Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit von EtherCAT in realen Umgebungen, die von medizinischer Präzisionsrobotik bis hin zu industriellen Hochleistungstests reichen.

• Robotersteuerungssysteme für die Wirbelsäulenchirurgie
• End-of-Line-Prüfgeräte für die Automobilindustrie
• Halbleiter-Wafer-Handling-Roboter
• Hochgeschwindigkeits-Verpackungsmaschinen
• Druckmaschinen-Steuerungssysteme
• Prüfstände für Windturbinen
• Flugsimulator-Steuerungssysteme
• DAQ-Systeme für die Forschung
• Überwachung von Stromnetzen
• …

Weitere Details zu praktischen Implementierungen finden Sie auf der offiziellen EtherCAT-Website. Sie bietet eine umfangreiche Sammlung von über 100 Anwendungsbeispielen.

Wie verwendet man EtherCAT mit DEWETRON Messsystemen?

Als offizielles Mitglied der EtherCAT Technology Group (ETG) bietet DEWETRON eine robuste und flexible EtherCAT-Integrationsoption für anspruchsvolle Messanwendungen. Unsere speziell entwickelte Lösung – das TRION-EtherCAT-1-SLAVE Modul- ermöglicht die nahtlose Integration von DEWETRON Messgeräten in bestehende EtherCAT-basierte Automatisierungs- oder Testumgebungen.

Abb. 2: DEWETRONs modulares TRION-EtherCAT-1-SLAVE Modul

Mit dem TRION-EtherCAT-1-SLAVE-Modul können DEWETRON-Geräte als EtherCAT-Slaves fungieren und hochpräzise Messdaten in Echtzeit an ein Host-System liefern. Jedes EtherCAT-kompatible DEWETRON-Gerät ist mit einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss ausgestattet und bildet einen Teil eines Daisy-Chain-EtherCAT-Netzwerks. Weitere wichtige Merkmale von DEWETRONs EtherCAT-Implementierung sind:

• Automatische Generierung von ESI-Dateien basierend auf der Konfiguration der Ausgangskanäle
• Übertragung von bis zu 100 Messkanälen über EtherCAT
• Aktualisierungsraten von bis zu 1000 Hz für ausgehende Messdaten
• Typische E/A-Verzögerung von etwa 200 Millisekunden
• Unterstützung für die Übertragung von absoluten Zeitstempeln, um eine Nachsynchronisation zu ermöglichen

Die Konfiguration des EtherCAT-Slave-Moduls – sowohl auf der Hardware als auch in OXYGEN, DEWETRONs Datenerfassungssoftware – folgt einem klar definierten Prozess. Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung finden Sie in unserem EtherCAT-Slave-Konfigurationshandbuch. Weiters beinhaltet es alle notwendigen Downloads, Systemanforderungen und Setup-Anweisungen, um eine reibungslose Integration zu gewährleisten.

Zusammengefasst

EtherCAT ist ein Hochleistungsfeldbussystem, das ursprünglich von Beckhoff Automation entwickelt wurde. Dank seines einzigartigen „Processing on the fly“-Ansatzes erreicht es Zykluszeiten unter 100 µs und einen Kommunikationsjitter unter 1 µs. Dies ermöglicht eine präzise Echtzeit-Kommunikation und macht EtherCAT ideal für Automatisierungssysteme, Test- und Messaufbauten und viele andere industrielle Anwendungen. Mit dem TRION-EtherCAT-1-SLAVE-Modul von DEWETRON können Sie DEWETRON-Messgeräte nahtlos in Ihre bestehende EtherCAT-basierte Infrastruktur integrieren.