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Implementierung einer EtherCAT-Geräteschnittstelle

Der Funktionsumfang von EtherCAT ist gegenüber den Standard-Feldbussystemen deutlich höher. Für die Gerätehersteller heißt das aber keinesfalls, dass sie deshalb Entwicklungsressourcen und Kompetenz außerhalb ihrer Kernkompetenz aufbauen müssen. Vielmehr stehen Single-Chip-Lösungen, einbaufertige Kommunikationsmodule, ASICs und Protokollsoftware sowie Protokollkonverter zur Realisierung einer EtherCAT-Kommunikationsschnittstelle zur Verfügung.

Für die Realisierung der EtherCAT-Busankopplung gibt es grundsätzlich zwei Wege: extern oder intern.

Externe EtherCAT-Kommunikationsschnittstelle

Der Einsatz eines Protokollkonverters als externe EtherCAT-Kommunikationsschnittstelle bietet sich an, wenn das Feldgerät über eine serielle Schnittstelle verfügt, das EtherCAT-Interface jedoch nicht zum Standardfunktionsumfang des Feldgerätes gehören soll. Typische Anwendungen sind Frequenzumrichter im unteren Leistungsbereich. In diesem Fall erfolgt die Busankopplung über die RS-232-Schnittstelle des Frequenzumrichters und einen Protokollkonverter wie dem Anybus Communicator von HMS. Der Communicator setzt das Protokoll der seriellen Schnittstelle auf EtherCAT um. Der Protokollkonverter vertritt das Feldgerät dann stellvertretend im EtherCAT-Netzwerk. Bei intelligenten Protokollkonvertern wie dem Anybus Communicator kann dieser mit einem Konfigurationsprogramm einfach an das serielle Protokoll des Feldgerätes angepasst werden. Nach einer einmaligen Konfigurationsphase ist der Protokollkonverter – und damit auch das repräsentierte Feldgerät – Teilnehmer im EtherCAT-Netzwerk. Entwicklungsaufwand? Keiner.

Unter Kostengesichtspunkten empfiehlt sich der externe EtherCAT-Anschluss insbesondere für solche Geräte, die nur in geringen Mengen (< 500 p.a.) eine Busanbindung benötigen. In der Regel dauert die Datenübertragung zwischen dem Feldgerät und EtherCAT einige Millisekunden. Die erzielbare Performance hängt sehr stark von der Baudrate der seriellen Schnittstelle und der zu übertragenden Datenmenge ab. Kommt der Anybus Communicator von HMS als Protokollkonverter zum Einsatz, stehen funktionskompatible Varianten für EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP, Modbus-TCP sowie für alle namhaften Feldbusse zur Verfügung. Alle Varianten benutzen denselben Mechanismus zur Protokollumsetzung und können so ohne zusätzliche Aufwendungen als Busschnittstellen für den Antrieb genutzt werden.

Geräteinterne EtherCAT-Schnittstelle mit Kommunikationsmodulen

Bei höheren Stückzahlen bietet sich die geräteinterne Realisierung der EtherCAT-Schnittstelle auf Basis von einbaufertigen Kommunikationsmodulen an. Die Anybus-Module von HMS unterstützen EtherCAT und 17 weitere industrielle Netzwerke. HMS bietet einbaufertige EtherCAT-Kommunikationsmodule als embedded Busmodul oder als Optionsmodul an. Die Module sind intelligent und haben einen eigenen Mikroprozessor, der das gesamte EtherCAT-Protokoll selbständig abwickelt. Dadurch wird der Geräteprozessor vollständig von der Protokollabwicklung entlastet. Die kompakten Module verfügen über genügend Performance zur Realisierung einer schnellen EtherCAT-Anschaltung. Typische Anwendungen sind Bedienterminals, Frequenzumrichter, Roboter, Waagen und Messumformer. Auf den intelligenten Modulen befinden sich alle Hardware-Komponenten der jeweiligen Busschnittstelle sowie der gesamte Protokollstack.

Bis zu 70% Entwicklungskosten sparen

Die Komplexität der Implementierung einer EtherCAT-Schnittstelle reduziert sich mit den Anybus-Modulen auf die Anbindung des Kommunikationsmoduls an die Elektronik des Feldgerätes. Die typische In-Design-Zeit für mehrere Netzwerke liegt bei ca. 2-3 Wochen. Dadurch werden die Entwicklungsressourcen des Geräteherstellers geschont und die Time-to-Market deutlich reduziert. Durch den Einsatz der Anybus-Kommunikationsmodule verringert sich der Aufwand zur Entwicklung einer universellen Kommunikationsschnittstelle um bis zu 70%. Auch in hohen Stückzahlen stellen Anybus-Module eine attraktive Alternative zur Eigenentwicklung der Kommunikationsschnittstelle dar.

Einheitliche Softwareschnittstelle

Auch das Software Interface (API) zwischen den Anybus-Modulen und der Elektronik des Automatsierungsgerätes ist vollständig standardisiert. Das API arbeitet unabhängig von der jeweils eingesetzten Busvariante. Die Gerätesoftware braucht sich nicht um die Unterschiede zwischen den einzelnen Busprotokollen kümmern, sondern setzt auf der einheitlichen Anybus-Softwareschnittstelle auf.

Interne EtherCAT-Schnittstelle mit EtherCAT-ASICs

Für EtherCAT stehen auch ASICs und zugehörige Softwarestacks verschiedener Hersteller zur Verfügung. Die eigene Implementierung einer EtherCAT-Anschaltung auf Basis dieser ASICs ist immer dann sinnvoll, wenn modulbasierte Lösungen die erforderliche Taktsynchronität nicht gewährleisten können (Motion-Control-Anwendungen), oder wenn ein Feldgerät mit EtherCAT-Anschluss über 10.000 Stück pro Jahr verkauft wird und modulare Lösungen wirtschaftliche Nachteile gegenüber einer ASIC-basierten Eigenentwicklung bedeuten würden.

Um Feldgeräte mit EtherCAT-Schnittstelle zu entwickeln, bieten die Hersteller Evaluation Boards und Entwicklerschulungen an. Als Gerätehersteller sollte man immer zunächst prüfen, ob nicht unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten der Einsatz eines Kommunikationsmoduls die Anforderungen erfüllt und auf die eigene Entwicklung mit ASICs und Softwarestacks verzichtet werden kann. Unabhängig von der technischen Realisierung im Produkt stehen für EtherCAT Dienstleistungen von der Beratung bis zur Realisierung zur Verfügung, die insbesondere unter den Gesichtspunkten „Time-to-Market“, Entwicklungsrisiko und Kernkompetenz „Entwicklungsprojekte für Produkte mit EtherCAT“ unterstützen und absichern.