Im industriellen Umfeld sind die Vorteile von Bustechnologien auf Basis von Ethernet erkannt worden. Wird Realtime Ethernet auf der Feldbusebene verwendet, ist es möglich, mit einem einheitlichen Bus bis zur Prozessleitebene zu arbeiten. Im Vergleich zu anderen Feldbussen lässt sich somit auch ein höherer Datendurchsatz erreichen und die wachsende Datenflut besser bewältigen. Viele leistungsfähige Produktionsmaschinen und -anlagen verfügen heute über drei verschiedene Bussysteme. Das sind Profibus für die E/A-Ebene, CAN-Bus für die Antriebe und Ethernet für die Kommunikation mit dem Leitsystem. Dieser komplexe Technologie-Mix mit unterschiedlichen Systemzeiten pro Bussystem erfordert aufwändige Installationen und Wartung sowie eine hohe Rechenleistung im Gesamtsystem.
Anforderungen des Marktes an Realtime Ethernet
Für die industriellen Anwendungen auf der Feldbusebene ist es nötig, die Daten in Echtzeit zu übertragen. Es stellt sich die Frage: Wie wird das Ethernet echtzeitfähig und damit zum Realtime Ethernet, ohne neue Hardwarekomponenten zu benötigen? Schnell wird klar, dass ein Kompromiss zwischen Echtzeitfähigkeit und kompatibler Hardware gefunden werden muss.
Unterschiedliche Konzepte in drei Klassen
Das Realtime Ethernet besteht nicht aus einem einheitlichen Protokoll, sondern aus unterschiedlichen Konzepten, die sich in drei Klassen unterteilen lassen. In Bild 2 werden die wesentlichen Unterschiede der drei Realtime Ethernet-Konzepte gezeigt. Das sind: -Klasse A: Bedingte Echtzeit (100ms) mit Ethernet-kompatibler Hardware wie Router, Switch, Bridge und Hub. -Klasse B: Nahezu Echtzeit (10ms) mit Ethernet-kompatibler Hardware für die ISO/OSI Schichten 1 und 2 wie z.B. Switch und Hub. -Klasse C: Harte Echtzeit (<1ms), aber spezielle Hardware Controller, die jedoch Ethernet-kompatible Anschlüsse besitzen und mit handelsüblichen Ethernet-Kabeln vernetzt werden. EtherCat ist für harte Echtzeitanforderungen ausgelegt und stellt gleichzeitig die Ethernet-Technologie auf E/A-Ebene zur Verfügung. Der Buszugriff wird nach dem Master/Slave-Prinzip geregelt. Als Master kommt in aller Regel eine SPS oder ein Industrie-PC zum Einsatz. Für Entwicklungszwecke kann aber auch der Arbeitsplatzrechner genutzt werden. Mit der EtherCat-Technologie werden die prinzipiellen Begrenzungen anderer Ethernet-Konzepte überwunden. Das Ethernet-Paket von EtherCat wird nicht wie sonst in jeder Anschaltung empfangen, interpretiert und weiterkopiert. Stattdessen entnehmen die Slave-Geräte die für sie bestimmten Daten, während das Telegramm den Slave durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in das Telegramm eingefügt. Die Telegramme werden dabei nur um wenige Nanosekunden verzögert.
Vernetzung des Feldbusses in Linienstruktur
Der Bus wird in Form einer Linienstruktur vernetzt, bei der die Busleitung von Slave zu Slave durchgeschleift wird. Eine Rückleitung vom letzten Teilnehmer zum Master ist nicht nötig. Dabei können durchaus mehr als 65.500 Slave-Teilnehmer angebunden werden. Harter Echtzeit mit exakter Synchronisation kommt immer dann eine besondere Bedeutung zu, wenn bei räumlich verteilten Prozessen gleichzeitige Aktionen gefordert werden. Der Ansatz bei EtherCat zur Synchronisierung ist der exakte Abgleich verteilter Uhren. Jeder Slave besitzt dabei eine eigene Uhr, die mit der Uhr im ersten Slave abgeglichen wird und dadurch den Laufzeitversatz ausgleicht. So steht eine genaue, netzweite Zeitbasis zur Verfügung, deren zeitliche Schwankungen (Jitter) deutlich unter einer Nanosekunde liegen. In der Feldbustechnik werden oft Geräteprofile zum Beschreiben der Anwendungsparameter und des funktionalen Verhaltens des Teilnehmers eingesetzt. Auch EtherCat unterstützt Geräteprofile. Das sind: -CANopen over EtherCat (CoE) -File Access over EtherCat (FoE) -Servodrive-Profile over EtherCat (SoE) -Ethernet over EtherCat (EoE) Um einen Slave-Teilnehmer zu implementieren, genügt es im einfachsten Fall, ihn als E/A-Klemme anzubinden. Geräteprofile oder verteilte Uhren können jedoch nur von komplexen Slaves mit Mikrocontrolleranbindung realisiert werden.
