Echtzeit-Kommunikation mit Ethercat
Bild 03: Aufbau des Ethercat-Protokolls. (Quelle: HS-Heilbronn; Grafik: etz)
Bei der Entwicklung von Ethercat hat Beckhoff [10] speziell auf Eigenschaften für die Echtzeitanwendung geachtet. So besitzt diese Kommunikationsform eine Zykluszeit, die geringer als 100 μs ist, und einen Jitter von unter 1 μs. Die hohe Performance ist besonders wichtig, wenn es darum geht Lageregelkreise, Geschwindigkeitsregelkreise oder gar Stromregelkreise über den Bus zu realisieren [8].
Da Ethercat Voll-Duplex-fähig ist, kann zeitgleich gesendet und empfangen werden. Diese Eigenschaft ist für Echtzeitanwendungen von großem Vorteil, da es die Zykluszeit deutlich reduziert. Diese Eigenschaft ist darüber hinaus topologieunabhängig, da Ethercat fast alle gängigen Topolo-gieformen, wie Stern, Linie oder Baum, unterstützt. Durch das besondere Protokoll der Ethercat- Schnittstelle (Bild 3), kann der Master gezielt an einen Slave Daten übertragen, indem er lediglich die IP-Adresse beziehungsweise die Position des Slaves in der Netzwerkstruktur im gesendeten Frame angibt und die zu sendenden Daten anhängt.
Das Funktionsprinzip von Ethercat basiert hierbei auf dem „Sammeltelegramm“, welches das gesamte Netzwerk durchläuft. Es enthält für jeden Slave einen separaten Datenbereich, über den der Master mit dem jeweiligen Slave kommunizieren kann. Hierbei greift die Voll-Duplex-Eigenschaft, durch die ein gleichzeitiges Senden und Empfangen von Daten möglich ist. Das Telegramm läuft während dem Datenaustausch stetig weiter und beginnt nach einem kompletten Netzwerkdurchlauf direkt von vorn. Von diesen Eigenschaften profitiert die Zykluszeit, da durch den pausenlosen Durchlauf des Telegramms und der Voll-Duplex-Eigenschaft die Durchlaufzeit drastisch reduziert werden kann.
In der vorgestellten Anwendung findet über Ethercat sowohl die kontinuierliche Drehmomentsteuerung als auch das Auslesen der Lagesensoren statt. Durch die Weiterentwicklung von Ethercat wurde die Performance noch gesteigert. Diese Protokolle werden als Ethercat G, mit 1-Gbit/s-Übertragungsrate, und Ethercat G10, mit 10-Gbit/s-Übertragungsrate, bezeichnet [11].
Literatur
[1] Abel, D.; Bollig, A.: Rapid Control Prototyping: Methoden und Anwendungen. Springer, Heidelberg, 2006
[2] SEW Eurodrive GmbH, Bruchsal: www.sew-eurodrive.de
[3] Dspace GmbH, Paderborn: www.dspace.de
[4] Minitec GmbH & Co. KG, Berlin: www.minitec.de
[5] VDI 2206 Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme:2004-06, VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung, Düsseldorf
[6] Mathworks, Ismaning: de.mathworks.com
[7] Hilscher Gesellschaft für Systemautomation mbH, Hattersheim: www.hilscher.com
[8] Prytz, G.: A performance analysis of Ethercat and Profinet IRT. Emerging Technologies and Factory Automation ETFA 2008, S. 408 – 415, 2008
[9] Ethercat Technology Group: Ethercat – Der Ethernet-Feldbus. www.ethercat.org
[10] Beckhoff Automation GmbH & Co. KG, Verl: www.beckhoff.de
[11] Heinze, R.: Innovationsgenerator auf Hochtouren. open automation 20 (2018) H. 6, S. 30 – 35, VDE VERLAG, Offenbach