EtherCAT
EtherCAT schickt einen einzigen Ethernet-Rahmen durch alle Geräte, die ihn im Vorbeifahren lesen und beschreiben.
Ein Master und mehrere Slaves in Reihe, verbunden zu einem Ring. Der Clou von EtherCAT: ein einziger Frame fährt durch alle.
In 30 Sekunden
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ist ein Feldbus für Maschinen. Ein Feldbus ist das Nervensystem einer Maschine: die Leitung, die die Steuerung mit allen Geräten verbindet. Bei EtherCAT tauschen ein Steuergerät (der Master, also das Gehirn) und viele Feldgeräte (die Slaves, also die Hände und Sinnesorgane wie Motoren und Sensoren) blitzschnell Daten aus. Der Trick steckt im Namen: Der Master schickt einen einzigen Ethernet-Rahmen (ein Datenpaket) auf die Reise. Dieser Rahmen läuft nacheinander durch alle Slaves, die in einer Reihe verkabelt sind. Jeder Slave liest im Vorbeifahren genau die Daten aus dem Rahmen, die für ihn bestimmt sind, und schreibt seine eigenen Messwerte hinein, ohne den Rahmen anzuhalten. Das heisst processing on the fly, also Verarbeitung im Vorbeifliegen. Ein Slave hält den Rahmen dabei nur um weniger als eine millionstel Sekunde auf. Am Ende der Reihe kehrt der Rahmen mit allen gesammelten Daten zum Master zurück. So erreicht EtherCAT sehr kurze Zykluszeiten, oft rund 100 Mikrosekunden, also 0,0001 Sekunden. Weil eine einzige Leitung hunderte Geräte bedient, sinken Verkabelungsaufwand und Kosten, und die Maschine läuft schneller und genauer. EtherCAT wurde von der Firma Beckhoff entwickelt, wird von der EtherCAT Technology Group (ETG) gepflegt und ist als Standard IEC 61158 genormt. Man findet es überall dort, wo viele Achsen, also bewegliche Gelenke, präzise und im Gleichtakt bewegt werden müssen, etwa in Robotern und schnellen Maschinen.
Stell dir einen fahrenden Zug vor, der ohne anzuhalten an einer langen Reihe von Bahnhöfen vorbeifährt. An jedem Bahnhof steht ein beschrifteter Briefkasten. Der Zug bremst nie. Jeder Waggon hat einen Schlitz, der genau am Briefkasten des Bahnhofs vorbeistreift und dabei blitzschnell die Post tauscht: Er greift die Post für diesen Waggon heraus und wirft im selben Moment die ausgehende Post hinein. Der Zug rauscht weiter zum nächsten Bahnhof, ganz ohne Halt.\n\nGenau so arbeitet EtherCAT. Der Zug ist der eine Ethernet-Rahmen, ein Datenpaket, das der Master losschickt. Die Bahnhöfe sind die Slaves, also die Geräte an der Maschine, zum Beispiel ein Motor oder ein Sensor. Jeder Slave hat seinen festen Abschnitt im Rahmen, das ist sein Briefkasten. Beim Durchlaufen liest er seine Steuerbefehle heraus und legt seine Messwerte ab. Das dauert weniger als eine millionstel Sekunde. Der Rahmen wird dabei nie gestoppt, das nennt man processing on the fly.\n\nAm letzten Bahnhof läuft die Strecke als Schleife zurück zum Master. Jetzt trägt der Zug die gesammelte Post aller Bahnhöfe. Weil ein einziger Zug alle Bahnhöfe in einer Fahrt bedient, statt für jeden Brief einzeln loszufahren, ist das Ganze extrem schnell und sparsam.
Wo trifft man EtherCAT an?
Motion-Control und Robotik
Ein Roboterarm hat viele Motoren, deren Bewegungen (die Achsen, also die einzelnen beweglichen Gelenke) exakt im Gleichtakt laufen müssen. EtherCAT steuert alle Achsen präzise synchron. Dafür wurde es gebaut, etwa in Industrierobotern von KUKA oder ABB.
Schnelle Verpackungs- und Druckmaschinen
In Maschinen, die viele Teile pro Sekunde bearbeiten, müssen Antriebe und Sensoren in Sekundenbruchteilen reagieren. Die kurzen Zykluszeiten von EtherCAT passen dafür ideal.
Werkzeugmaschinen
Fräsen und Drehmaschinen (CNC-Maschinen) bewegen ihr Werkzeug auf hundertstel Millimeter genau. EtherCAT liefert die dafür nötige exakte Zeitsteuerung über die Distributed Clocks (verteilte Uhren).
Mess- und Prüfstände
Wenn viele Sensoren gleichzeitig und exakt zeitgleich abgetastet werden sollen, etwa auf einem Motorprüfstand, hilft die präzise Synchronisation von EtherCAT.
Anlagen der Fabrikautomation
In Fliessbändern und Fertigungslinien verbindet EtherCAT die Steuerung über eine einzige Leitung mit hunderten Ein- und Ausgängen (kurz I/O), an denen Sensoren und Schalter hängen.
Halbleiter- und Elektronikfertigung
Beim Herstellen von Chips arbeiten Maschinen extrem schnell und genau, zum Beispiel Bestückungsautomaten, die Platinen bestücken. EtherCAT wird dort eingesetzt, weil es sehr kurze Reaktionszeiten mit hoher Präzision verbindet.
Gut geeignet für
- Präzise Bewegungssteuerung: wenn viele Motoren im exakten Gleichtakt laufen sollen. EtherCAT synchronisiert alle Geräte auf unter eine millionstel Sekunde genau (über Distributed Clocks, also verteilte Uhren).
- Sehr kurze Reaktionszeiten: wenn eine Maschine in Sekundenbruchteilen reagieren muss. EtherCAT schafft Zykluszeiten von oft rund 100 Mikrosekunden, also unter einer tausendstel Sekunde.
- Viele Geräte an einer Leitung: wenn du hunderte Sensoren und Antriebe anschliessen willst. Ein EtherCAT-Strang kann bis zu 65535 Geräte aufnehmen.
- Standard-Ethernet-Hardware: wenn du auf verbreitete Technik setzen willst. EtherCAT nutzt normale Ethernet-Kabel und -Rahmen und braucht keine teuren Spezial-Chips im Kabel.
- Effiziente Datennutzung: wenn du viele kleine Signale schnell übertragen willst. Ein einziger Rahmen bedient alle Geräte und transportiert dabei über 90 Prozent echte Nutzdaten.
Weniger geeignet für
- Reine IT-Netzwerke im Büro: für normalen Computer-Verkehr wie Web und E-Mail nicht gedacht, weil EtherCAT ein Echtzeit-Feldbus für Maschinen ist. Dafür passt klassisches Ethernet mit TCP/IP.
- Grosse, weit verteilte Anlagen: für Geräte, die kilometerweit verstreut sind, weniger geeignet, weil EtherCAT auf kurze, verkettete Verkabelung in einer Maschine ausgelegt ist. Für weite Strecken passt ein Funknetz wie LoRaWAN (ein Funknetz für grosse Distanzen) besser.
- Einfache, langsame Steuerungen: wenn nur wenige Signale selten abgefragt werden, ist EtherCAT unnötig aufwendig. Ein einfacher, alter Feldbus-Standard wie Modbus RTU reicht dann und ist günstiger.
- Herstelleroffene Cloud-Anbindung: für den direkten Weg von Maschinendaten in die IT oder Cloud nicht die erste Wahl, weil EtherCAT auf die schnelle Maschinenebene zielt. Dafür eignet sich ein Standard wie OPC UA besser.
Fakten
- IEC 61158 (und IEC 61784-2), international genormt seit 2007
- Beckhoff Automation, vorgestellt 2003
- EtherCAT Technology Group (ETG), gegründet 2003, weltweit grösste Industrial-Ethernet-Organisation
- processing on the fly: ein Ethernet-Rahmen durchläuft alle Slaves, jeder liest und schreibt im Vorbeifahren
- ein Master (Steuerung) und viele Slaves (Feldgeräte)
- Linie, Baum, Stern oder Ring; der Ring dient der Ausfallsicherheit (Redundanz)
- sehr kurz, oft rund 100 Mikrosekunden, also unter einer tausendstel Sekunde
- Distributed Clocks (verteilte Uhren) mit Abweichung unter einer millionstel Sekunde
Im Detail
Processing on the fly: warum ein Rahmen genügt
Bei vielen Netzwerken schickt die Steuerung an jedes Gerät ein eigenes Paket und wartet auf jede einzelne Antwort. Bei hundert Geräten sind das hundert Pakete mit hundert kleinen Wartezeiten, und die summieren sich. Genau das macht solche Netzwerke langsam. EtherCAT macht es anders: Der Master schickt einen einzigen Ethernet-Rahmen, also ein Datenpaket, auf die Reise durch alle Geräte.
Die Slaves, also die Feldgeräte wie Motoren und Sensoren, sind in einer Reihe verkabelt. Der Rahmen läuft von einem zum nächsten. Jeder Slave hat einen fest zugeteilten Abschnitt im Rahmen. Während der Rahmen durch den Slave hindurchfliesst, liest der Slave seine Steuerdaten heraus und schreibt seine Eingangsdaten hinein. Der Rahmen wird dabei nie angehalten, sondern nur um weniger als eine millionstel Sekunde verzögert.
Am Ende der Reihe kehrt der Rahmen um und läuft zurück zum Master. Jetzt enthält er die frischen Daten aller Geräte. Weil ein einziger Rahmen die ganze Runde macht, nutzt EtherCAT die Leitung extrem effizient: Über 90 Prozent des Rahmens sind echte Nutzdaten.
Distributed Clocks: alle Uhren gehen gleich
Wenn ein Roboter mehrere Achsen (Bewegungsrichtungen) gleichzeitig bewegt, müssen alle Motoren im exakten Gleichtakt arbeiten. Schon winzige Zeitunterschiede würden die Bewegung ungenau machen. Dafür hat EtherCAT die Distributed Clocks, auf Deutsch verteilte Uhren.
Jedes Gerät hat eine eigene interne Uhr. EtherCAT gleicht diese Uhren ständig an eine gemeinsame Referenz an, meist die Uhr des ersten Geräts in der Reihe. Der Abgleich passiert direkt in der Hardware der Geräte. So ticken alle Uhren im Netzwerk mit einer Abweichung von unter einer millionstel Sekunde gleich, oft sogar nur wenige milliardstel Sekunden auseinander.
Der Nutzen: Alle Geräte können ihre Aktion exakt zum selben Zeitpunkt ausführen, unabhängig davon, wann genau der Rahmen bei ihnen vorbeikam. So bewegen sich alle Achsen präzise synchron. Wie kurz eine millionstel Sekunde ist, zeigt ein Vergleich: In der Zeit eines einzigen Wimpernschlags (rund 100 Millisekunden) dreht EtherCAT etwa 1000 komplette Runden.
Standard-Ethernet, flexible Verkabelung
EtherCAT erfindet kein neues Kabel, sondern nutzt die Nutzdaten in einem ganz normalen Ethernet-Rahmen. EtherCAT verzichtet aber auf den üblichen TCP/IP-Umweg. Das ist die Adress- und Kontrollschicht des Internets. Sie wäre für Maschinen zu langsam. Das macht die Übertragung schnell und schlank.
Bei der Verkabelung ist EtherCAT flexibel. Die häufigste Form ist die Linie: Ein Gerät wird an das nächste gehängt, wie eine Kette. Möglich sind auch Baum-, Stern- und Ringformen. Der Ring ist besonders praktisch für Ausfallsicherheit: Fällt eine Leitung aus, läuft der Rahmen einfach andersherum weiter, und die Anlage arbeitet trotzdem.
Herkunft, Norm und Einordnung
EtherCAT wurde von der deutschen Firma Beckhoff Automation entwickelt und 2003 vorgestellt. Damit möglichst viele Hersteller mitmachen, gründete Beckhoff im selben Jahr die EtherCAT Technology Group (ETG). Diese Organisation pflegt die Technik heute und ist die weltweit grösste ihrer Art für Industrie-Ethernet.
Seit 2007 ist EtherCAT offiziell im internationalen Standard IEC 61158 genormt, ergänzt durch IEC 61784-2. Eine Norm bedeutet: Geräte verschiedener Hersteller sprechen dieselbe Sprache und arbeiten zusammen. EtherCAT gehört zur Familie der Industrial-Ethernet-Systeme, zu der auch PROFINET und EtherNet/IP zählen. Sein Alleinstellungsmerkmal bleibt das processing on the fly mit dem einen durchlaufenden Rahmen.