Leistungsfähige, flexible EtherCat-Knoten rasch entwickelt

| Autor / Redakteur: Gabriel Meier * / Margit Kuther

EtherCAT-Starterkit von Avnet Silica: leistungsfähige EtherCat-Knoten rasch entwickelt
EtherCAT-Starterkit von Avnet Silica: leistungsfähige EtherCat-Knoten rasch entwickelt (Bild: Avnet Silica)

EtherCAT ist eine der wachstumsstärksten Kommunikations-Technologien. Wer schnell leistungsfähige EtherCAT-Knoten entwickeln möchte, kann jetzt auf ein leicht bedienbares Starterkit zurückgreifen.

Ohne bewährte industrielle Feldbusse läuft in modernen Produktionsanlagen nichts. Doch für den nächsten Schritt der industriellen Revolution reicht die Funktionalität der klassischen Feldbusse alleine oft nicht mehr aus. Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things, kurz: IIoT, treiben die Ansprüche nach oben – und bieten Raum für Neuerungen in der industriellen Kommunikation.

Zwar sind Feldbusse nach wie vor gefragt. Ihr Marktwachstum verlangsamt sich jedoch seit geraumer Zeit deutlich. Derzeit liegt es bei rund 4%. Ein Grund dafür ist der große Zuspruch für Industrial Ethernet: Dieser Markt wächst mit ca. 22% pro Jahr. Besonders bei neuen Anlagen setzen Hersteller auf Standards wie Profinet, Ethernet/IP und EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology).

Diese zeichnen sich durch bessere Performance und Echtzeiteigenschaften, der Integration von Safety-Protokollen und der Durchgängigkeit in industrielle IT-Systeme aus. Darüber hinaus können sie größere Datenmengen übertragen. Insgesamt macht Industrial Ethernet mittlerweile fast die Hälfte des Gesamtmarktes für industrielle Kommunikationsnetzwerke aus.

Profinet und Ethernet/IP erreichen je knapp 24% des Industrial-Ethernet-Markts, EtherCAT folgt mit rund 15% . Während Profinet europäische Märkte dominiert, ist Ethernet/IP in Amerika führend. EtherCAT ist in Europa stark und verzeichnet besonders in Asien großes Wachstum. Es ist in der Halbleiterindustrie und in Motion-Control-Anwendungen weit verbreitet. Außerdem ersetzt es zunehmend CAN-basierte Protokolle im Maschinenbau.

Kurze Zykluszeiten und flexible Topologien

Gegenüber anderen Industrial-Ethernet-Technologien bietet EtherCAT mehrere Vorteile. Es erreicht eine echtzeitnahe, deterministische Performance, erlaubt flexible Topologien und lässt sich leicht konfigurieren. Es eignet sich für den Aufbau einfacher Linien- oder Baumstrukturen, die ohne teure und verzögernde Infrastrukturelemente wie Switches auskommen.

Unterschiedliche Endgeräte können Daten über einen Frame senden. Hier unterscheidet sich EtherCAT deutlich von anderen Lösungen, die für jede noch so kleine Datenmenge stets einen vollständigen Ethernet-Frame senden. Bei EtherCAT werden die Daten hingegen „on-the-fly“ geschrieben und gelesen.

Mit diesem „Single Packet Multiple Nodes“-Verfahren kann EtherCAT die Bandbreite sehr effizient nutzen und erreicht extrem kurze Zykluszeiten. Gleichzeitig erlaubt das Standardformat der Ethernet-Pakete den direkten Anschluss an verbreitetes IT-Equipment.

Im Detail verwendet EtherCAT ein durchlaufendes Telegramm. Der in jedem Endgerät integrierte Slave-Controller entnimmt die für das Gerät bestimmten Daten und fügt eigene hinzu. Das Telegramm läuft um nur wenige Nanosekunden verzögert weiter. Empfangene Kommandos führt der Slave-Controller aus.

Da diese Funktionen im Slave-Controller in die Hardware implementiert sind, erfolgt das Abarbeiten unabhängig von Softwarelaufzeiten der Protokollstacks oder der Prozessorleistung. Vom letzten EtherCAT-Slave im Segment gelangt das abgearbeitete Telegramm zurück zum Master. Da jeder Slaves über eine Hardware-System-Clock verfügt, laufen die Elemente extrem synchron. Die Jitter-Werte innerhalb eines Segments sind sehr gering.

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