Ethernet bis in die Klemme

Für Aufmerksamkeit sorgte Beckhoff auf der zurückliegenden Hannover Messe mit der Vorstellung von EtherCAT - einem Echtzeit-Ethernet-Ansatz auf der Basis eines für Prozessdaten optimierten Protokolls und unter Verwendung eines speziellen ASIC in jeder Klemme.

Für Aufmerksamkeit sorgte Beckhoff auf der zurückliegenden Hannover Messe mit der Vorstellung von EtherCAT - einem Echtzeit-Ethernet-Ansatz auf der Basis eines für Prozessdaten optimierten Protokolls und unter Verwendung eines speziellen ASIC in jeder Klemme.

Die Leistungsdaten klingen vielversprechend: 1000 digitale E/As in 30 µs oder 100 Servoachsen in 100 µs bei einem Jitter von deutlich unter 1 µs. Die Werte stehen für ein Hardware-basiertes Ethernet-Netzwerk mit dem Beckhoff Steuerungs- und Regelungskonzepte ermöglichen will, die mit klassischen Feldbus-Systemen bis dato nicht realisierbar sind. Was unterscheidet EtherCAT von anderen Echtzeit-Ethernet-Ansätzen? Bei bisherigen Lösungen wird zum Beispiel das Zugriffsverfahren CSMA/CD durch überlagerte Protokollschichten außer Kraft gesetzt und durch ein Zeitscheiben-Verfahren oder durch Polling ersetzt; andere Vorschläge sehen spezielle Switches vor, die Ethernet-Pakete zeitlich präzise kontrolliert verteilen. In der Regel werden Ethernet-Pakete dabei in jeder Anschaltung zunächst empfangen, dann interpretiert und die Prozessdaten weiterkopiert; dies fügt stets kleine Verzögerungen zur Kommunikation hinzu.

Die Protokollstruktur von EtherCAT überwindet die prinzipielle Begrenzung dieser Ethernet-Lösungen. Das "Herzstück" des Konzeptes ist die in einen ASIC gegossene Fieldbus Memory Management Unit (FMMU), die sich in jeder Klemme befindet. Während das Telegramm die Klemme durchläuft, entnimmt die FMMU die für sie bestimmten Daten. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in das Telegramm eingefügt. Die Verzögerung der Telegramme beträgt nur wenige Nanosekunden. Das Ethernet-Protokoll bleibt bei dieser Lösung bis in die einzelne Ethernet-Klemme erhalten. Lediglich die Übertragungsphysik wird im Koppler verzögerungsfrei von Twisted Pair beziehungsweise Lichtleiterphysik auf E-Bus gewandelt. Die Signalform dieses Klemmen-Systembusses eignet sich für Strecken bis 10 m auch zur Übertragung auf verdrillter Zweidrahtleitung. Hierdurch lässt sich die Klemmenreihe besonders kostengünstig verlängern.

Das EtherCAT-Protokoll wird direkt im Ethernet-Frame transportiert. Es kann aus mehreren Sub-Telegrammen bestehen, die jeweils einen Speicherbereich des bis zu 4 Gbyte großen logischen Prozessabbildes bedienen. 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.

Steuerungsseitig wird die FMMU-Technologie durch den TwinCAT Y-Treiber für Ethernet ergänzt. Dieser bindet sich transparent in das System ein, so dass er als Betriebssystem-konformer Netzwerkkarten-Treiber und zusätzlich als Feldbus-Karte erscheint. Auf der Sendeseite wird über interne Priorisierung und Puffer sichergestellt, dass Ethernet-Frames aus dem Echtzeit-System immer dann eine freie Sendeleitung vorfinden, wenn sie an der Reihe sind. Die Ethernet-Frames des Betriebssystems werden erst danach in den "Lücken" verschickt. Auf der Empfangsseite werden alle empfangenen Ethernet-Frames vom I/O-System überprüft und die echtzeitrelevanten herausgefiltert. Die Übergabe aller anderen Frames an das Betriebssystem erfolgt danach außerhalb des Echtzeit-Kontextes. Zwar setzt der masterseitige TwinCAT-Y-Treiber derzeit auf Intel-Chips auf, es werden jedoch keine speziellen Intel-Funktionen genutzt. Die Unterstützung weitere Controller soll folgen.

Als Hardware in der Steuerung kommen Standard-Netzwerk-Interface-Karten zum Einsatz, bei denen der Datentransfer zum PC durchweg per DMA (Direct Memory Access) erfolgt – es wird also keine CPU-Performance für den Netzwerkzugriff abgezweigt.

Dank FMMU in der Klemme und DMA-Zugriff auf die Netzwerkkarte im Master erfolgt die gesamte Protokollbearbeitung in Hardware und ist damit laut Beckhoff völlig unabhängig von der Laufzeit von Protokollstacks, von CPU-Performance oder Software-Implementierungen.

Da die Ethernet-Funktionalität des Betriebssystems vollständig erhalten bleibt, können alle Betriebssystem-konformen Protokolle parallel auf demselben Netzwerk betrieben werden. Dies umfasst nicht nur Standard-IT-Protokolle wie TCP/IP, HTTP, FTP oder SOAP, sondern auch die Industrial-Ethernet-Protokolle wie Modbus TCP, Profinet oder Ethernet/IP.