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EtherCAT


EtherCAT ist ein ethernet-basiertes Feldbussystem, das von Beckhoff und der EtherCAT Technology Group (ETG) entwickelt wurde. EtherCAT ist eine offene Technologie, die in den internationalen Standards IEC 61158 und IEC 61784 sowie in ISO 15745-4 genormt ist. EtherCAT ist ein sehr schnelles Industrial-Ethernet-System, das sich auch für den Einsatz in zeitkritischen Motion-Control-Anwendungen eignet. EtherCAT ist seit 2003 im industriellen Einsatz. Nachfolgend werden die Grundlagen von EtherCAT vorgestellt.

EtherCAT-Funktionsprinzip

Die EtherCAT-Technologie geht neue Wege bezüglich der Übertragung und Auswertung der über Ethernet empfangenen Datenpakete. Bei EtherCAT wird ein Ethernet-Datenpaket nicht mehr in jeder Anschaltung zunächst empfangen, dann interpretiert und die Prozessdaten weiterkopiert. Die EtherCAT-Slave-Geräte entnehmen die für sie bestimmten Daten, während das Telegramm das Gerät durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in das Telegramm eingefügt. Die Telegramme werden dabei nur wenige Nanosekunden verzögert. Da ein Ethernet-Frame sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung die Daten vieler Teilnehmer erreicht, steigt die Nutzdatenrate auf über 90% an. Dabei werden die Vollduplex-Eigenschaften von 100BASE-TX vollständig ausgenutzt, so dass effektive Datenraten von fast 200 MBit/s erreicht werden können.

EtherCAT-Funktionsprinzip
In einem Durchlauf werden Ausgangsdaten aus dem Telegramm entnommen und Eingangsdaten eingefügt.

EtherCAT bietet Protokolldefinitionen für folgende Aufgabenbereiche:

  • Zyklische Übertragung von I/O-Daten
  • Azyklische Übertragung von Bedarfsdaten (Parameter, Diagnosen, Geräteidentifikation, ...)
  • Taktsynchronisation
  • komfortable Anlagendiagnose

Anwendungsbereich

EtherCAT eignet sich insbesondere für schnelle Applikationen. Typische Anwendungen sind Verpackungsmaschinen, Spritzgussmaschinen, schnelle Pressen, CNC-Bearbeitungszentren, Robotik und Hydraulikregelungen.

EtherCAT-Geräteklassen

EtherCAT folgt beim Datenaustausch dem Master-Slave-Modell. Der Master (gewöhnlich die speicherprogrammierbare Steuerung, kurz SPS) sendet Ausgangsdaten an den Slave (prozessnahes Feldgerät). Der Slave stellt dem Master die Eingangsdaten zur Verfügung. Ein EtherCAT-Netzwerk besteht in der Regel aus einem Master und bis zu 65.534 Slaves.

EtherCAT-Performance

EtherCAT verfügt über eine sehr hohe Netzwerk-Performance. Im EtherCAT-Slave erfolgt die gesamte Protokollbearbeitung in Hardware und ist damit unabhängig von der Laufzeit von Protokollstacks, CPU-Performance oder Software-Implementierung. Die Update-Zeit für 1.000 E/As beträgt nur 30 μs – einschließlich I/O-Durchlaufzeit. Mit einem einzigen Ethernet-Frame können bis zu 1.486 Byte Prozessdaten ausgetauscht werden – das entspricht fast 12.000 digitalen Ein- und Ausgängen. Für die Übertragung dieser Datenmenge werden dabei nur 300 μs benötigt. Für die Kommunikation mit 100 Servoachsen werden nur 100 μs benötigt. In dieser Zeit werden alle Achsen mit Sollwerten und Steuerdaten versehen und melden ihre Ist-Position und Status.