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EtherCAT-Kommuniktion

EtherCAT („Ethernet for Controller and Automation Technology“) wurde von Beckhoff Elektronik entwickelt. Alle Nutzer der Technologie werden automatisch Mitglied der EtherCAT Technology Group (ETG).

Funktionsweise

EtherCAT beruht auf dem Summenrahmenverfahren: Der EtherCAT-Master sendet einen Ethernet-Frame mit den Daten für alle angebundenen Slaves, der nacheinander alle Teilnehmer durchläuft. Beim letzten Teilnehmer eines Strangs wird der Frame wieder zurückgeleitet. Die Teilnehmer bearbeiten den Frame während des Durchlaufs in einer Richtung. Die für den Teilnehmer bestimmten Daten werden „on the fly“ ausgelesen und die Ausgangsdaten in den Frame eingefügt. Zur Gewährleistung der Bandbreite von 100 Mbit/s ist für die schnelle Bearbeitung im Durchlauf spezielle ASIC- oder FPGA-basierte Hardware erforderlich. Die Netzwerkstruktur von EtherCAT entspricht effektiv immer einem logischen Ring. Auch Abzweige, die sich an speziell konzipierten Teilnehmern anschließen lassen, stellen quasi nur eine Doppelweiche dar, sodass das Summenrahmentelegramm durch den Abzweig geleitet wird. 

Aufbau des EtherCAT-Frames

Sämtliche EtherCAT-Telegramme mit den Anweisungen für die einzelnen Teilnehmer sind im Nutzdatenbereich eines Frames verpackt. Ein EtherCAT-Frame besteht aus je einem Header und mehreren EtherCAT- Kommandos. Ein Kommando besteht seinerseits aus einem Header, den Daten mit Anweisungen für den Slave und einem Zähler. Für jeden Slave stehen bis zu 64 kByte konfigurierbarer Adressraum zur Verfügung. Die Adressierung erfolgt über ein Auto-Inkrement-Verfahren, bei dem jeder Slave das 16-Bit-Adressfeld  hochzählt. Außerdem können die Slaves über verteilte Stationsadressen angesprochen werden, die der Master in der Startphase zuteilt.

Prozesssynchronisation bei  EtherCAT

In den Slave-Anschaltungen  stehen Echtzeituhren zur Verfügung, die vom Master über einen IEEE1588-ähnlichen  Mechanismus synchronisiert werden. Es gibt Slaves mit und ohne Echtzeitmechanismus, da dies eine erhöhte Anforderung an die Hardware stellt. Auf Basis der Echtzeituhren können Steuerungssignale hochgenau synchronisiert werden. Physikalisch betrachtet, läuft das EtherCAT-Protokoll neben Ethernet auch auf LVDS (Low Voltage Differential Signaling). Dieser Standard wird von der Firma Beckhoff als interner Klemmenbus verwendet. Der EtherCAT-Master wird typischerweise mit einem PC mit einer Standard-Ethernet-Schnittstelle realisiert. Im Gegensatz zu Protokollen wie POWERLINK oder PROFINET beschreibt EtherCAT ausschließlich die Layer 1 – 3 des OSI-7-Schichten-Modells. Um eine zu den anderen vergleichbare Applikationsfunktionalität zu erreichen, muss hier eine weitere Protokollschicht (CoE, EoE) überlagert werden.