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EtherCAT-Protokoll

Das für Prozessdaten optimierte EtherCAT-Protokoll wird dank eines speziellen Ethertypes direkt im Ethernet-Frame transportiert. Es kann aus mehreren Subtelegrammen bestehen, die jeweils einen Speicherbereich des bis zu 4 Gigabyte großen logischen Prozessabbildes bedienen.

Ethernet-Frames
EtherCAT verwendet ausschließlich Ethernet-Standardframes. Beliebige andere Ethernet-Protokolle werden bei EtherCAT volltransparent getunnelt.

Die datentechnische Reihenfolge ist dabei unabhängig von der physikalischen Reihenfolge der Ethernet-Klemmen im Netz. Es kann wahlfrei adressiert werden. Broadcast, Multicast und Querkommunikation zwischen Slaves sind möglich.  Der Einsatzbereich von EtherCAT ist jedoch nicht auf ein Subnetz beschränkt: EtherCAT UDP verpackt das EtherCAT-Protokoll in UDP/IP-Datagramme. Hiermit kann jede Steuerung mit Ethernet-Protokollstack EtherCAT-Systeme ansprechen. Selbst die Kommunikation über Router hinweg in andere Subnetze ist möglich. Selbstverständlich hängt die Leistungsfähigkeit des Systems in dieser Variante von den Echtzeiteigenschaften der Steuerung und ihrer Ethernet-Protokollimplementierung ab. Die Antwortzeiten des EtherCAT-Netzwerks an sich werden jedoch nur minimal eingeschränkt: Lediglich in der ersten Station muss das UDP-Datagramm entpackt werden. EtherCAT verwendet ausschließlich Standard-Frames nach IEEE802.3; sie werden nicht verkürzt. Damit können EtherCAT-Frames von beliebigen Ethernet-Controllern (Master) verschickt und Standard-Netzwerkdiagnose-Tools (z. B. Protokollmonitor) eingesetzt werden.

Verteilte Uhren

Der exakten Synchronisierung kommt immer dann eine besondere Bedeutung zu, wenn räumlich verteilte Prozesse gleichzeitige Aktionen erfordern. Das kann z.B. in Applikationen der Fall sein, wo mehrere Servoachsen gleichzeitig koordinierte Bewegungen ausführen. Der leistungsfähigste Ansatz zur Synchronisierung ist der exakte Abgleich verteilter Uhren – wie auch im neuen Standard IEEE 1588 beschrieben. Im Gegensatz zur vollsynchronen Kommunikation, deren Synchronisationsqualität bei Kommunikationsstörungen sofort leidet, verfügen verteilte abgeglichene Uhren über ein hohes Maß an Toleranz gegenüber möglichen störungsbedingten Verzögerungen im Kommunikationssystem.

Verteilte Uhren
Da bei EtherCAT hochgenau abgeglichene verteilte Uhren zum Einsatz kommen, muss der Kommunikationszyklus nicht absolut äquidistant sein – ein kleiner Jitter ist erlaubt.

Bei EtherCAT basiert der Datenaustausch vollständig auf einer reinen Hardware-Maschine. Da die Kommunikation eine logische (und dank Vollduplex-Fast-Ethernet auch physikalische) Ringstruktur nutzt, kann die Mutter-Uhr den Laufzeitversatz zu den einzelnen Tochter-Uhren einfach und exakt ermitteln – und umgekehrt. Auf Basis dieses Wertes werden die verteilten Uhren nachgeführt. So steht eine netzwerkweit hochgenaue Zeitbasis zur Verfügung, deren Jitter deutlich unter einer Mikrosekunde beträgt. Die externe Synchronisierung - z.B. standortweit - erfolgt dann über IEEE 1588. Hochauflösende verteilte Uhren dienen aber nicht nur der Synchronisierung, sondern können auch exakte Informationen zum lokalen Zeitpunkt der Datenerfassung liefern. Steuerungen berechnen beispielsweise häufig Geschwindigkeiten aus nacheinander gemessenen Positionen. Speziell bei sehr kurzen Abtastzeiten führt schon ein kleiner zeitlicher Jitter in der Wegerfassung zu großen Geschwindigkeitssprüngen. Konsequenterweise werden mit EtherCAT auch Timestamp-Datentypen eingeführt. Mit dem Messwert wird die hochauflösende Systemzeit verknüpft; das ermöglicht die große Bandbreite von Ethernet. Damit hängt dann die Genauigkeit einer Geschwindigkeitsberechnung nicht mehr vom Jitter des Kommunikationssystems ab. Sie wird um Größenordnungen besser als diejenige von Messverfahren, die auf jitterfreier Kommunikation basieren.

CANopen over EtherCAT (CoE)

CANopen-Geräte und Applikationsprofile stehen für eine große Vielfalt an Geräteklassen und Anwendungen zur Verfügung. Angefangen von den E/A-Baugruppen über Antriebe, Encoder, Proportionalventile und Hydraulikregler bis hin zu Anwendungsprofilen, etwa für die Kunststoffverarbeitung oder Textilmaschinen. EtherCAT kann die gleichen Kommunikationsmechanismen bereitstellen, wie sie von CANopen her bekannt sind: Objektverzeichnis, PDO (Prozessdatenobjekte) und SDO (Servicedatenobjekte). Selbst das Netzwerkmanagement ist vergleichbar. So kann EtherCAT auf Geräten, die bisher mit CANopen ausgestattet waren, mit minimalem Aufwand implementiert werden; große Teile der CANopen-Firmware sind wieder verwendbar. Dabei lassen sich die Objekte optional erweitern, um der größeren Bandbreite von EtherCAT Rechnung zu tragen.

CANopen over Ethernet Header

Die Prozessdatenobjekte (PDO) dienen dem schnellen und effizienten Austausch von Echtzeitdaten (z.B. E/A-Daten, Soll- oder Istwerte). Im EtherCAT-Telegramm werden keine Objekte adressiert, sondern direkt die Inhalte der Prozessdaten von zuvor gemappten Parametern gesendet.

Die Servicedatenobjekte (SDO) bilden den Kommunikationskanal für die Übertragung von Geräteparametern (z.B. Programmierung der Geberauflösung). Da diese Parameter azyklisch (z.B. nur einmal beim Hochfahren des Netzes) übertragen werden, haben die SDO-Objekte eine untergeordnete Priorität.

EtherCAT-Geräteprofile

Die Geräteprofile beschreiben die Anwendungsparameter und das funktionale Verhalten der Geräte einschließlich der geräteklassenspezifischen Zustandsmaschinen. In der Feldbustechnik gibt es für viele Geräteklassen bereits bewährte Geräteprofile - z.B. für E/A-Geräte, Antriebe oder Ventile. Die Anwender sind mit diesen Profilen, den entsprechenden Parametern und den dazugehörenden Tools vertraut. Daher verzichtet man bei EtherCAT darauf, eigene Geräteprofile für diese Geräteklassen zu entwickeln. Vielmehr werden einfache Schnittstellen für bestehende Geräteprofile angeboten. Damit wird die Migration vom bisherigen Feldbus zu EtherCAT sowohl für Anwender als auch für Gerätehersteller deutlich erleichtert.

Industrielle IT-Funktionen

Die EtherCAT-Technologie ist nicht nur vollständig ethernet-kompatibel, sondern verträgt sich mit weiteren auf Ethernet-TCP/IP basierenden Diensten und Protokollen auf dem gleichen physikalischen Netzwerk, bei überschaubaren Einbußen bei der Performance. Beliebige Ethernet-Geräte können innerhalb des EtherCAT-Strangs via Switchport angeschlossen werden. Die Ethernet-Frames werden durch das EtherCAT-Protokoll getunnelt, wie es bei den Internettechnologien üblich ist (z.B. VPN, PPPoE (DSL) etc.). Das EtherCAT-Netzwerk ist dabei für das Ethernet-Gerät voll transparent und die Echtzeiteigenschaften werden nicht beeinträchtigt. EtherCAT-Geräte können zusätzlich über andere Ethernet-Protokolle verfügen und damit nach außen wie ein Standard-Ethernet-Teilnehmer auftreten. Der Master fungiert dabei wie ein Layer-2-Switch, der die Frames gemäß der Adressinformation zu den entsprechenden Teilnehmern weiterleitet. Damit können sämtliche Internettechnologien auch im EtherCAT-Umfeld zum Einsatz kommen: integrierte Webserver, E-Mail, FTP-Transfer etc.