EtherCAT (Ethernet for control automation technology)

Das klassische Ethernet hat bedingt durch sein stochastisches Zugangsverfahren bestimmte Einschränkungen hinsichtlich der Echtzeitfähigkeit. Mit EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology), einer Entwicklung der Firma Beckhoff, wird diese Einschränkung relativiert, da sich EtherCAT, ein Feldbus, durch extrem kurze und vorhersagbare Verzögerungs- und Zykluszeiten auszeichnet. EtherCAT ist daher als Echtzeit-Ethernet von besonderem Interesse für die Bereiche Automation, Produktion und Fertigung.

Beim EtherCAT-Protokoll wird die Verkürzung der Durchlaufzeiten dadurch erreicht, dass die Telegramme, das sind die aus der Datenkommunikation bekannten Datagramme, nach dem Empfang nicht mehr interpretiert und kopiert werden, sondern "On-the-Fly" verarbeitet werden; also quasi im Vorbeifliegen. Dabei werden die UDP-Telegramme, die an eine so genannte Fieldbus Memory Management Unit (FMMU) adressiert sind, von dieser gelesen, während das Telegramm zur nächsten Station oder Steuergerät weitergeleitet wird. Auf ähnliche Weise werden Eingangsdaten eingefügt während das Telegramm die Station passiert. Dadurch liegen die Verzögerungszeiten der Datentelegramme bei wenigen Nanosekunden (ns).

Ethernet mit Echtzeiteigenschaften.

EtherCAT arbeitet im Master-Slave-Betrieb; masterseitig kommen in der EtherCAT-Topologie kommerziell verfügbare Netzwerkkarten (NIC) oder On-Board-Controller zum Einsatz. Durch die FMMUs in den Slave-Knoten und dem direkten Speicherzugriff, dem Direct Memory Access (DMA), über die Netzwerkkarten, ist der komplette Prozess Hardware-orientiert und unabhängig von Laufzeiten durch Protokollstacks, von der Rechenleistung der Zentraleinheit (CPU) oder der Software-Implementierungen.

So beträgt die Aktualisierungszeit von 1.000 verteilten I/Os nur 30 µs. Innerhalb eines Ethernet-Telegramms können bis zu 1.486 Byte an Prozessdaten übertragen werden und das in einer Datentransferzeit von 300 µs.

Voraussetzung für diese kurzen Transferraten ist eine exakte Synchronisation der verteilten Prozesse. Diese wird durch die genaue Ausrichtung des verteilten Taktsignals erreicht, wie es im Standard IEEE 1588 für das Precision Time Protocol (PTP) beschrieben ist.

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