Business people looking to select the right door. Concept of confusion and competition

(Bild: alphaspirit – Adobe Stock)

Das Funktionsprinzip von EtherCAT

Das Funktionsprinzip von EtherCAT: Prozessdaten werden „on the fly“ eingefügt und entnommen. EtherCAT Technology Group

Das Kommunikationsnetzwerk ist die wichtigste technologische Komponente einer Maschinen- oder Anlagensteuerung, bestimmt es doch die komplette Steuerungsarchitektur: Langsame Netzwerke erfordern, dass schnelle Regelkreise in dezentralisierten Geräten geschlossen werden, wohingegen mit Hochleistungsnetzwerken sowohl zentralisierte als auch dezentralisierte Architekturen verwendet werden können.

Des Weiteren bietet ein weit verbreitetes Netzwerk die Freiheit, Komponenten von einer Vielzahl von Anbietern zu wählen. Dagegen wird man bei einem von einem einzigen Automatisierungsriesen dominierten Netzwerk häufig faktisch auf die Produkte eben dieses Riesen reduziert. Steuerungen Dritter für das Netzwerk gibt es kaum, und Slave-Geräte Dritter werden vom Netzwerkkonfigurationstool des dominanten Herstellers oft nicht hinreichend unterstützt.

Steuerungsanbieter bestimmt den Feldbus

Wie also gehen Systemintegratoren oder Maschinenbauer nun bei der Wahl ihres Kommunikationsnetzwerks, sprich ihres Feldbussystems vor? Wir als ETG gehen davon aus, dass die Mehrheit der Nutzer den Feldbus überhaupt nicht aktiv auswählt – sie entscheiden sich für gewöhnlich für den Steuerungsanbieter und welches Bussystem auch immer dieser favorisiert, wird dann den Ausschlag geben. Für die Wahl des Anbieters hingegen gibt es meist zahlreiche Gründe:

  • Ein weit verbreiteter Grund: Geschichte – „Wir haben schon immer dessen Produkte verwendet.“ oder „Unser Applikationscode ist in der Programmiersprache dieses Anbieters geschrieben und wir können den Aufwand zur Übertragung des Codes nicht rechtfertigen.“
  • Ein weiterer Grund: Kundenpräferenz – „Unsere Kunden wollen, dass wir diese Plattform nutzen, damit ihre Wartungsteams mit der Maschine umgehen können.“
  • Auch die lokalen Verkaufs- oder Applikationsingenieur-Teams des Anbieters spielen eine sehr wichtige Rolle: „Ich bin mit dem Support des Anwenders zufrieden, er ist jederzeit erreichbar und die Leute dort wissen, wovon sie sprechen.“
  • Ebenfalls zählt die Reputation des Anbieters: „Mein Anbieter ist Technologieführer, er bietet innovative Technologie, welche mir einen Vorsprung gegenüber meiner Konkurrenz sichert.“ oder „Die sind so groß, die müssen gut sein.“
  • Und natürlich viele andere typische Faktoren, die auch in die Entscheidung mit einbezogen werden: der initiale Preis (oft wichtiger als die Gesamtbetriebskosten), Qualität, Nutzerfreundlichkeit, Performance, und ja, sogar das Design.

Alternative: Erst der Feldbus, dann die Steuerung

Distributed-Clock-Mechanismus bei Ethercat

Präzise netzwerkweite Synchronisation mit dem Distributed-Clock-Mechanismus EtherCAT Technology Group

Wie jedoch steht es mit den Nutzern, die (den Prozess umdrehen und) für die Bewertung ihres Steuerungssystems die Bustechnologie selbst als Schlüsselkomponente betrachten? Normalerweise sind das die Nutzertypen, welche die Feldbusorganisationen vorrangig adressieren.

Und wir stellen fest, dass Ethercat für eben diese Nutzer schnell eine Favoritenrolle einnimmt: Das Funktionsprinzip überzeugt und macht Ethercat oft zur ersten Wahl. Ethercat verarbeitet die Ethernet-Telegramme „on-the-fly“, sprich im Durchlauf, was die Frames kaum verzögert. Ein Ethercat-Frame enthält sowohl die Sende- als auch die Empfangsdaten für viele Geräte, wodurch die nutzbare Datenrate auf über 90 % steigt.

Die daraus resultierende höhere Leistung führt zu effizienteren Maschinen. Aufgrund von Ethercat ist die höhere Rechenleistung eines Industrie-PC für die Applikation tatsächlich verfügbar, und schnellere Steuerungen regeln genauer und führen damit zu präziseren Produkten. So berichtet Husky, ein Hersteller von Spritzgießmaschinen, dass es durch den Einsatz von Ethercat die Teiletoleranz und dadurch die Wandstärke von Plastikbechern so reduziert hat, dass es den Kunden von Husky Materialkosten im sechsstelligen Bereich spart.

Schnell, präzise und kostengünstig

Aber nicht nur Systeme mit schnellen Regelkreisen profitieren von einer schnelleren Kommunikation. In vielen Applikationen gibt es sogenannte Transitionen oder Weiterschaltbedingungen: Eine Aktion wird erst dann initiiert, wenn die vorhergehende Aktion als abgeschlossen zurückgemeldet ist. Die Bearbeitung eines Teils startet, nachdem dessen Ankunft gemeldet ist, der Zylinder seine Endposition oder der Druck eine bestimmte Schwelle erreicht hat. Ein schnelleres Netzwerk senkt diese Wartezeiten und der Durchlauf der Maschine oder Anlage steigt – und damit auch die Effizienz.

Was Nutzer noch an Ethercat schätzen, steht auf nächsten Seite.

Nutzer, die auf Ethercat setzen schätzen nicht nur die Schnelligkeit, sondern auch die hohe Präzision: Mithilfe des Synchronisierungsmechanismus der im System verteilten Uhren, den sogenannten Distributed Clocks (DC), lassen sich Messwerte synchron abtasten und Ausgänge netzwerkweit synchron setzen – mit einem Jitter deutlich unter einer Mikrosekunde. Diese Genauigkeit ist ideal für synchronisierte Antriebssteuerungsapplikationen und für das Integrieren von Messaufgaben innerhalb desselben Netzwerks.

Dazu ist Ethercat vielseitig: es unterstützt Master/Slave-, Slave/Slave- und Master/Master-Kommunikation. Zudem ist es kostengünstig: Es gibt die in Software implementierten Master auf Standard-Ethernet-Ports sowie die hoch integrierten Slave-Controller-Chips. Auch bei der Verkabelung lässt sich Geld sparen, da Ethercat weder Switches noch andere aktive Infrastrukturkomponenten erfordert und Standard-Ethernet-Kabel und -Stecker nutzt. Sogar der Engineering-Aufwand ist geringer, da es kein Netzwerk-Tuning braucht. Und weil die Diagnoseeigenschaften von Ethercat exakte Fehlerlokalisierung bieten, sinkt auch die Zeit zur Fehlerbehebung.

Neben kostengünstigen Chips und Hardware ist es wichtig, einen weiteren entscheidenden Faktor von Ethercat zur Reduzierung von Komponentenpreisen zu beachten: Die weltweite Akzeptanz der Technologie, welche zu einer großen Produktauswahl führt und folglich den Wettbewerb unter den Anbietern ankurbelt.

Flexibilität erhöht Funktionalität

Topologieflexibilität von EtherCAT

Die Topologieflexibilität von EtherCAT vereinfacht Planung und Installation. EtherCAT Technology Group

Wer Ethercat nutzt, profitiert auch von der flexiblen Topologie, welche die Planung und Installation des Netzwerks vereinfacht. So sind Ethercat-Netzwerke hinsichtlich der Topologie nahezu unbegrenzt: Linie, Stern, Baum, redundanter Ring und sämtliche Kombinationen daraus mit einer praktisch unbegrenzten Zahl an Knoten pro Segment. Auch drahtlose Technologien lassen sich integrieren und die Hot-Connect-Funktion ermöglicht es Nutzern, Knoten oder ganze Netzwerksegmente sogar im laufenden Betrieb an- und abzukoppeln.

Systemintegratoren und Maschinenbauer wollen nicht nur die Verkabelung ihres Systems vereinfachen, sondern auch zunehmend funktionale Sicherheit in ihre Steuerungsarchitektur integrieren. Früher wurden Sicherheitsfunktionen getrennt vom Automatisierungsnetzwerk entweder elektromechanisch oder unter Nutzung eines speziellen Sicherheitsbussystems umgesetzt. Bei Safety-over-Ethercat (FSoE) finden hingegen sicherheitsbezogene Kommunikation sowie Steuerungskommunikation auf demselben Netzwerk statt, was neue Sicherheitslösungen ermöglicht.

Für potenzielle Nutzer erscheint die Migration vom alten Bussystem hin zu Ethercat schwierig. Ethercat wirkt dem mit einer großen Auswahl an Feldbus-Gateways entgegen. Mit diesen Komponenten können Anwender bestehende Geräte mit herkömmlicher Feldbusverbindung in ein Ethercat-Netzwerk integrieren und Schnittstellen zu benachbarten oder überlagerten Systemen schaffen. Die Migration von früheren Technologien ist einfach und gleichzeitig werden die bisherigen komplexen Schnittstellenanforderungen der zentralen Steuerung vermieden: Andere Systeme werden nicht mehr über PCI, cPCI, PCIe, etc., sondern einfach via Ethercat eingebunden.

In Ethercat-Netzwerken entfällt zudem die manuelle Adresseinstellung mittels Dip-Switch, Drehwahlschalter oder Konfigurationstool bei jedem Gerät, da die Adressen beim Hochlauf automatisch zugewiesen werden. Auch später hinzugefügte Geräte können die Originaladressen beibehalten – Ethercat-Master können auch automatische Topologieerkennung unterstützen, wodurch sie die tatsächliche Netzwerkkonfiguration mit der vergleichen, die das Applikationsprogramm erwartet. Nach dem Geräteaustausch lassen sich alle Parameter automatisch herunterladen.

Offenheit als Stärke

Bei der Wahl eines Feldbusnetzwerks bedeutet Offenheit eine zukunftssichere Implementierung. Das bringt mit sich, dass beinahe jede Feldbus- und Ethernet-Technologie von sich behauptet, „offen“ zu sein. Bei Ethercat bedeutet Offenheit nicht nur internationale Standardisierung (IEC, ISO) und die Verfügbarkeit von Master- und Slave-Software sowie Chips von verschiedenen Anbietern. Es gibt auch auch kostenlosen Implementierungssupport, klare Interoperabilitätsrichtlinien, Master- und Slave-Implementierungen für eine große Anzahl an Betriebssystemen und Controllern, Offenheit der Konfigurationstools (inklusive Geräte Dritter) und Spezifikationen auch für die Applikationsschnittstellen.

Die Ethercat-Technologie ist nicht nur voll Ethernet-kompatibel, sondern sie zeichnet sich auch besonders durch Offenheit „by Design“ aus: Das Protokoll kann andere Ethernet-basierte Dienste und Protokolle auf dem gleichen physikalischen Netzwerk transportieren. Diese werden über das Ethercat-Protokoll getunnelt, ohne die Echtzeiteigenschaften zu beeinträchtigen. Aus diesem Grund können sämtliche Internettechnologien auch in der Ethercat-Umgebung genutzt werden: integrierte Webserver, E-Mail, FTP-Transfer, etc.

Wir beobachten, dass beide Nutzergruppen – diejenige, welche ihre Entscheidung für ein Netzwerk auf die Wahl ihres Steuerungsanbieters stützt, und die, welche die Bustechnologie selbst genauer betrachtet – zunehmend auf Ethercat setzen. Zusammengefasst zeichnet sich Ethercat durch eine hohe Performance, einfache Verkabelung und Offenheit gegenüber einer großen Anzahl an Geräten und anderen Protokollen aus. Ethercat bietet dank Ethernet und Internettechnologien eine optimale vertikale Integration.

ETG auf der SPS 2019: Halle 5, Stand 310

Martin Rostan

Executive Director EtherCAT Technology Group

(ml)

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