Echtzeit-Ethernet Protokoll-Reigen

EtherCAT

Beckhoff Automation GmbH ist der zweite Pionier im Bereich der Echtzeit-Ethernet-Realisierung. Während B&R weitgehend konventionelle Ethernet-Technologie einsetzt, geht Beckhoff 2003 einen revolutionären Weg, indem der Ethernet-Telegrammrahmen von den Slaves in einem Bitstream-Prozess bearbeitet wird. Dieses Summenrahmenprotokoll vermeidet den üblichen großen Overhead bei kleinen Nutzdatenmengen und schafft ein extrem performantes System, das gerade kleinere Datenmengen extrem schnell und effizient übertragen kann. Durch die hohe Effizienz kann auf den bei Automatisierungssystemen üblichen Backplane-Bus verzichtet werden, da jeder Teilnehmer, auch die kleinste IO-Klemme, ein Busteilnehmer sein kann. Auch EtherCAT ist ein Hersteller-offener Standard, der die Spezifikation für die Mitglieder der ETG (EtherCAT Technology Group) zur Verfügung stellt. Mit mehr als 2600 Mitgliedern ist die ETG die größte Feldbusorganisation weltweit.

EtherCAT-Protokolle

Beckhoff bevorzugt aus vielen Gründen einen stark zentralen Automatisierungsansatz mit einem leistungsstarken Master und vergleichsweise dummen Slaves. Das zeigt sich auch in der Protokoll­implementierung. Beckhoff-Master sind in der Regel PC-basierte Embedded-Systeme mit einem Windows-Betriebssystem. Die Schnittstelle nach außen bildet dann auch alle PC-verfügbaren Protokolle ab. Ein Beckhoff-Master ist damit auch immer ein EtherCAT-Ethernet Gateway. Beckhoff-intern steht für den Datenaustausch das Bussystem-übergreifende ADS-System über TwinCat als Middleware zur Verfügung.

Auf der EtherCAT-Seite hat Beckhoff zwei wesentliche Kommunikationsmechanismen eingeführt. Für den schlanken Echtzeit-Datenaustausch (Bild 6) wird über den EtherCAT Slave Controller eine CANopen-Kommunikation initiiert. Über das sogenannte CoE (CAN over EtherCAT) kann eine PDO/SDO-Kommunikation durchgeführt werden, wobei durch Beckhoff auch die einschlägigen CANopen-Profile unterstützt werden. Für den asynchronen Datenaustausch steht darüber hinaus ein Mailbox-System zur Verfügung, über das andere Protokolle wie z.B. Ethernet (EoE – Ethernet over EtherCAT) oder Filetransfer (FoE – File Access over EtherCAT) getunnelt werden können. EtherCAT-Geräte können so quasi jedes beliebige Protokoll transportieren und als transparentes Gateway in den (Beckhoff-) PCgenutzt werden.

EtherCAT-Kommunikation

Das Besondere an der EtherCAT-Kommunikation ist die Verwendung des Ethernet-Protokollrahmens als Summenrahmen (Bild 7). Der Bus Master ist in der Regel auch der Steuerungs-Master, der das Prozessabbild der Steuerung hält. Ein EtherCAT-Telegramm ist ein Stück Prozessabbild, welches im Loopback-Betrieb vom Master an sich selbst gesendet wird (Ethernet Destination = Source!). Die Master-Anschaltung beschränkt sich dann auch auf eine konventionelle, Polling-fähige Ethernet-Karte; die Slave-Anschaltung erfolgt durch ein spezifisches ASIC, welches von verschiedenen Herstellern angeboten wird.

 

Die Slaves wissen durch den Engineering-Vorgang, an welcher Stelle innerhalb des Telegramms ihre Eingangs- und Ausgangsdaten stehen, und können so quasi im Durchlauf das Lesen und Schreiben vornehmen. Da nur Bits gezählt werden müssen, ist kaum Rechenleistung erforderlich und es können auch sehr schlanke Slaves erstellt werden. Die Durchlaufverzögerung in einem EtherCAT-Slave-Knoten liegt bei weniger als 100 ns.

Betrachtet man eine konventionelle Busanschaltung, so kann man bei einer genauen Analyse feststellen, dass die Kopiervorgänge von der Feldbuskarte in das Prozessabbild und zurück der Performance-bestimmende Faktor sind. Auch hier greift das EtherCAT-Protokoll an. Das Mapping der Prozessdaten der IO-Klemmen in das Prozessabbild erfolgt nicht im Master, sondern in den jeweiligen Slaves (Bild 8). Kernstück ist hierbei die sogenannte FMMU (Fieldbus Memory Management Unit), die für den Bitstream-Prozess im Slave verantwortlich ist und quasi on-the-fly die Prozessdaten austauscht (Bild 9). Der Master erhält dann schon das aufgefrischte Prozessabbild in der richtigen Zuordnung.

EtherCAT Performance

EtherCAT ist seit gut zehn Jahren Benchmark bei den Echtzeit-Ethernet-Derivaten. Die zuvor beschriebenen Mechanismen und der Verzicht auf eine Laufzeit-beeinflussende Infrastruktur sowie die effiziente Übertragung auch kleiner Datenmengen ermöglichen einen Datenaustausch, bei dem nicht mehr das Bussystem, sondern der Master der begrenzende Faktor ist. Bei einer für Beckhoff typischen PC-Architektur-basierten SPS sind Zykluszeiten von 50 µs selbst mit einem Intel-Atom-Prozessor möglich. Hochleistungs-CPUs können bei kleinen Datenmengen auch auf Zeiten kleiner 20 µs kommen. Für die praktische Anwendung bedeutet dies, dass 1000 digitale Werte verteilt auf 100 Knoten in etwa 30 µs gepollt werden können.

Als einziges deterministisches Bussystem ist EtherCAT damit in der Lage, 200 verteilte Analogwerte mit einer Sample-Rate von 20 kHz und mit 16 bit zu scannen. Mit der XFC- (Extreme Fast Control) Technologie, die exakte Zeitstempel und ein Oversampling ermöglicht, sind damit auch Abtastraten von 200 kHz realistisch, was EtherCAT auch für Messtechnikaufgaben prädestiniert. Da der EtherCAT-Bus selbsttaktend ist, sind auch alle Busteilnehmer bis auf wenige Nanosekunden genau synchronisiert. Zusätzliche zeitgebende Verfahren wie IEEE 1588 sind zwar möglich, aber nicht notwendig. Hierdurch sind auch hochpräzise Zeitmessungen und Synchronisationsaufgaben systembedingt möglich. Die Domäne von EtherCAT ist ganz klar die zyklische Übertragung von Daten in kurzen Zykluszeiten. Verbunden mit einem leistungsstarken Master können sehr kurze Zykluszeiten realisiert werden. Herausfordernd kann die EtherCAT-Kommunikation werden, wenn mehr als ein Ethernet-Datenrahmen in einem Zyklus für die Übertragung des Prozessabbilds oder des Querverkehrs (x over EtherCAT) notwendig ist. In diesem Fall addieren sich Interframe Gap und Overhead und die Performance bricht ein. Wie alle Bussysteme kann damit auch EtherCAT in einem ungünstigen Betriebsverhalten gefahren werden. Das ist jedoch bei einer geeigneten konstruktiven Planung problemlos vermeidbar.