EtherCAT
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EtherCAT ist ein von Beckhoff initiierter Feldbus, der als offener Standard propagiert wird. Nach einer Veröffentlichung 2003 gibt es die EtherCAT Technology Group als eine Vereinigung von Interessenten: Herstellern und Anwendern. Diese Vereinigung hatte im Oktober 2004 120 Mitglieder (Stand Juli 2005: 202, September 2006: 378 Mitglieder aus 26 Ländern). Diese Mitglieder tragen in technischen Arbeitskreisen zur Weiterentwicklung der Technologie bei.
EtherCAT ist seit 2005 IEC Norm: IEC/PAS 62407.
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[Bearbeiten] Ziel der Entwicklung
Das Ziel der Entwicklung ist es, einen Bus zu entwickeln, der sowohl harte als auch weiche Echtzeit liefern kann, so dass der Bus für alle Bereiche eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist es interessant den Bus für z.B. normalen Datenverkehr nutzen zu können.
[Bearbeiten] Übertragungsleistung
EtherCAT gilt als die schnellste Ethernet Lösung auf 100Mbit für Automatisierungstechnik. Das Funktionsprinzip (die Verarbeitung im Durchlauf) führt zu guter Bandbreitenausnutzung, da nicht für jeden Teilnehmer und jedes Datum stets ein eigener Rahmen benötigt wird. Damit ergeben sich sehr kurze Zykluszeiten. Auf GBit- Ethernet wird die Performance durch Ethernet Powerlink übertroffen.
[Bearbeiten] Übertragungsmedium
Als Übertragungsmedium wird das nach IEEE802.3 standardisierte Ethernet verwendet. Damit sind 100 MBit/s möglich. Für modulare Geräte ist der E-Bus (LVDS nach IEEE802.3ae) als physikalische Schicht vorgesehen.
[Bearbeiten] Topologie
Linie, Baum oder Stern: EtherCAT unterstützt nahezu beliebige Topologien. Die von den Feldbussen her bekannte Bus- oder Linienstruktur wird damit auch für Ethernet verfügbar. Besonders praktisch für die Anlagenverdrahtung ist die Kombination aus Linien und Abzweigen bzw. Stichleitungen. Die benötigten Schnittstellen sind auf vielen EtherCAT Geräten bereits vorhanden; zusätzliche Switche werden nicht benötigt. Natürlich kann aber auch die klassische, switchbasierte Ethernet-Sterntopologie eingesetzt werden.
Die maximale Flexibilität bei der Verdrahtung wird durch die Auswahl verschiedener Leitungen vervollständigt. Flexible und sehr preiswerte Standard-Ethernet-Patchkabel übertragen die Signale auf Ethernet-Art (100BaseTX). Kunststoff-Lichtwellenleiter (POF) werden das System für spezielle Anwendungsfälle ergänzen. Die gesamte Bandbreite der Ethernet-Vernetzung – wie verschiedenste Lichtleiter und Kupferkabel – kann in der Kombination mit Switchen oder Medienumsetzern zum Einsatz kommen. Die Fast-Ethernet-Physik erlaubt eine Leitungslänge von 100 m zwischen zwei Teilnehmern. Da bis zu 65535 Teilnehmer je EtherCAT Segment angeschlossen werden können, ist die Netzausdehnung nahezu unbeschränkt.
[Bearbeiten] Rahmenaufbau
Die Daten des EtherCAT sind in normale Ethernet Rahmen eingebettet. Hierzu nutzen sie den Datenbereich im Ethernet Rahmen. Die Rahmenlänge wurde hierbei nicht verändert (wie z.B. bei SynqNet), so dass Standard Hardware für das Senden und Empfangen auf Subnetz Ebene eingesetzt werden können. Für EtherCAT gibt es einen neuen Ethertype (88A4h).
[Bearbeiten] Behandlung von Rahmen
Ein Rahmen geht von einem Master aus. Der Rahmen durchläuft dann jeden Teilnehmer. Diese entnehmen die für sie bestimmten Daten schreiben ihre Ausgangsdaten hinein und senden die Nachricht an den nächsten Teilnehmer. Dabei wird ein Rahmen nicht vollständig empfangen, bevor er verarbeitet wird, sondern die Bearbeitung wird so früh wie möglich begonnen. Das Versenden erfolgt ebenso mit einem minimalen Versatz von wenigen Nanosekunden.
[Bearbeiten] Routing
Ein Routing ist auf der untersten Ebene nicht möglich. Sollen Rahmen geroutet werden, so müssen sie an Gateways in UDP/IP Nachrichten verpackt werden. Dabei ist eine maximale Nutzdatengröße von 1486 Byte möglich. Bei einem Rahmen mit maximaler Länge ergibt sich dadurch eine Verzögerung von etwa 150μs.
[Bearbeiten] Integration
Über Gateways lassen sich bestehende Netze wie CANopen, DeviceNet und Profibus integrieren. Damit werden bestehende Investitionen geschützt. Mit Hilfe des Protokolls "Ethernet over EtherCAT" können beiliebige Ethernet Protokolle in EtherCAT Netzen übertragen werden. Dieses Protokoll unterstützt Fragementierung, sodass auch bei kürzesten Zykluszeiten beiliebige Ethernet Protokolle (z.B. TCP/IP basierte) genutzt werden können. Damit können z.B. embedded Webserver auf verteilten Automatisierungsgeräten eingesetzt werden.
[Bearbeiten] Implementierung
Master lassen sich als Software-Lösung auf beliebigen Ethernet MACs implementieren. Es gibt Code von verschiedenen Herstellern und für verschiedene Betriebssysteme, auch mehrere Open Source Projekte (siehe Links). Für Slave Geräte werden spezielle EtherCAT Slave Controller Chips benötigt, die als FPGA oder auch als ASIC implementiert sind.
