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EtherCAT – Installation und Inbetriebnahme

EtherCAT ist für die von den Feldbussen her bekannte Bus- oder Linienstruktur optimiert. In dieser Topologie werden die EtherCAT-Slave-Teilnehmer in Reihe geschaltet. Um dies zu ermöglichen, hat jeder EtherCAT-Slave-Teilnehmer einen kommenden und einen weiterführenden Ethernet-Anschluss. In einem reinen EtherCAT-Netzwerk werden daher keine externen Switches benötigt. Aber auch die klassische switch-basierte Ethernet-Sterntopologie kann eingesetzt werden. Die Flexibilität bei der Verdrahtung wird durch die Auswahl verschiedener Leitungen vervollständigt. Flexible und sehr preiswerte Ethernet-Standardkabel genügen für die Übertragung nach 100BASE-TX.

EtherCAT-Topologie
EtherCAT wird typischerweise in einer Linienstruktur installiert. Jeder EtherCAT-Slave hat einen kommenden und einen weiterführenden Ethernet-Anschluss. Externe Switches werden dabei nicht benötigt.

Es kommen CAT5-Standardkabel und auch Standardsteckverbinder zum Einsatz, wenn die Umgebungsbedingungen dies erlauben. Die gesamte Bandbreite der Ethernet-Vernetzung – wie verschiedenste Lichtleiter und Kupferkabel – kann in der Kombination mit Switches oder Medienumsetzern zum Einsatz kommen. Die Fast-Ethernet-Physik erlaubt eine Leitungslänge von 100 m zwischen zwei Teilnehmern. Da bis zu 65.535 Teilnehmer angeschlossen werden können, ist die gesamte Netzausdehnung nahezu unbeschränkt. Es können gekreuzte und 1:1 Ethernet-Kabel verwendet werden. Die Erkennung wird in den EtherCAT-Slaves automatisch durchgeführt. Da EtherCAT auf Hubs und Switches verzichten kann, entfallen die entsprechenden Kosten für diese Geräte samt Spannungsversorgung, Einbau, etc.

Wartung und Fehlersuche bei EtherCAT

Da EtherCAT Ethernet- Standardframes nach IEEE 802.3 verwendet, eignet sich jedes handelsübliche Ethernet-Monitor-Tool zur Beobachtung der EtherCAT-Kommunikation. Zusätzlich gibt es kostenlose Parser-Software für Ethereal (ein open source Monitor-Tool) und den Microsoft-Netzwerk-Monitor, mit der mitgeschnittener EtherCAT-Datenverkehr komfortabel aufbereitet und zur Anzeige gebracht wird.

Inbetriebnahme eines EtherCAT-Netzwerkes

Die Konfiguration eines EtherCAT-Netzwerkes erfolgt mit einem speziellen Konfigurationstool, z.B. Beckhoff TwinCAT. Jeder Hersteller eines EtherCAT-Masters stellt auch ein eigenes Engineering-Tool für die EtherCAT-Konfiguration zur Verfügung. Für die Konfiguration werden die elektronischen Datenblätter der angeschlossenen EtherCAT-Geräte, die so genannten EDS-Dateien benötigt. Jedes EtherCAT-Gerät benötigt eine individuelle EDS-Datei, die vom jeweiligen Gerätehersteller zur Verfügung gestellt werden muss. Bei der Konfiguration des EtherCAT-Netzwerkes wählt der Projekteur die in der EDS-Datei definierten Daten, Objekte und Parameter aus, um sie auf die reale Anlage abzubilden und den EtherCAT-Geräten zuzuordnen. Die reale Anlage baut sich der Projekteur sozusagen symbolisch im Konfigurationstool auf.

Teilnehmeradressierung

Bei EtherCAT werden den Slaves automatisch Adressen zugewiesen. Es ist keine manuelle Adresseinstellung erforderlich. Die Adresseinstellung bleibt auch bei nachträglichen Änderungen konstant und muss nicht manuell angepasst werden. Ein EtherCAT-Netzwerk kann aus insgesamt maximal 65.535 Teilnehmer bestehen.

EtherCAT-Teilnehmeradressierung
EtherCAT verwendet eine implizite Adressierung. In reinen EtherCAT-Netzwerken kann deshalb auf eine manuelle Teilnehmeradressierung und auf externe Switches verzichtet werden.

EDS-Datei

Die EDS-Datei (Electronic Data Sheet) wird vom Hersteller eines EtherCAT-Gerätes bereitgestellt. Sie wird in der Beschreibungssprache XML erstellt und hat ein standardisiertes Format für die Beschreibung von Geräten. Die EDS-Datei beinhaltet Informationen über:

  • Beschreibung der Datei (Name, Version, Erstellungsdatum, u.a.)
  • Allgemeine Geräteinformationen (Herstellername und -code)
  • Gerätename und -typ, Versionen
  • Beschreibung der unterstützten Objekte über deren Attribute

Diagnose

Die Erfahrungen mit Feldbussystemen zeigen, dass die Verfügbarkeit und Inbetriebnahmezeiten entscheidend von der Diagnosefähigkeit abhängen. Nur eine schnell und präzise erkannte und eindeutig lokalisierbare Störung kann kurzfristig behoben werden. Deshalb wurde bei der Entwicklung des EtherCAT-Systems besonderer Wert auf gute Diagnoseeigenschaften gelegt. Bei der Inbetriebnahme gilt es zu prüfen, ob die Ist-Konfiguration der E/A-Klemmen mit der Soll-Konfiguration übereinstimmt. Auch die Topologie sollte der Konfiguration entsprechen. Durch die eingebaute Topologie-Erkennung bis hinunter zu den einzelnen Klemmen kann nicht nur diese Überprüfung beim Systemstart stattfinden – auch ein automatisches Einlesen des Netzwerkes ist möglich (Konfigurations-Upload). Bitfehler in der Übertragung werden durch die Auswertung der CRC-Prüfsumme zuverlässig erkannt: Das 32-Bit-CRC-Polynom weist eine minimale Hammingdistanz von 4 auf. Neben der Bruchstellenerkennung und -lokalisierung erlauben Protokoll, Übertragungsphysik und Topologie des EtherCAT-Systems eine individuelle Qualitätsüberwachung jeder einzelnen Übertragungsstrecke. Die automatische Auswertung der entsprechenden Fehlerzähler ermöglicht die exakte Lokalisierung kritischer Netzwerkabschnitte. Schleichende oder wechselnde Fehlerquellen wie EMV-Einflüsse, fehlerhafte Steckverbindungen oder Kabelschäden werden erkannt und lokalisiert, auch wenn sie die Selbstheilungsfähigkeit des Netzwerkes noch nicht überfordern.