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Elektroautomation

Feldbusse - EtherCAT hat sich in der Vergangenheit weltweit als Echtzeit-Kommunikationstech-nologie zwischen Controllern und Feldgeräten mit niedrigen Zykluszeiten sowie hoch präziser Synchronisation etabliert. Viele Anlagen und Maschinen bestehen heute aus verschiedenen Controllern, welche unterschiedliche Steuerungsaufgaben erledigen und dennoch eng kooperieren müssen.

03. November 2015

EtherCAT mit seinem einzigartigen Funktionsprinzip – der Verarbeitung der Datagramme im Durchlauf – hat sich im Lauf der Zeit zu einer der meist verbreitetsten Ethernet-basierten Kommunikationsstandards auf Feldbuslevel entwickelt. Kaum eine vergleichbare Technologie wird von so vielen Herstellern/Gerätetypen unterstützt. Das EtherCAT-Protokoll, auch EtherCAT Device Protocol oder EDP genannt, ist speziell für die hart echtzeitfähige Kommunikation zwischen einem Controller sowie einer variablen Zahl von Feldgeräten geeignet. Aufgrund der effizienten Bandbreitennutzung sowie einem sehr hohen Synchronisierungsgrad zwischen den verbundenen Geräten garantiert EtherCAT sehr geringe Zykluszeiten.

Viele Anlagen bestehen aus mehreren Controllern, die zum Teil unabhängige Aufgaben erledigen und an die verschiedene Feldbusgeräte angeschlossen sind. Aber auch die Controller selbst müssen häufig Daten untereinander austauschen. Das EtherCAT Automation Protocol (EAP) bietet einen effizienten Mechanismus für den zyklischen und azyklischen Daten- oder Parameteraustausch – mit Kommunikationszykluszeiten im niedrigen, einstelligen Millisekundenbereich. EAP eignet sich daher besonders für Maschinenbauer, die eine modulare Anlagenarchitektur benötigen, in welcher verschiedene Controller spezifische Aufgaben übernehmen, jedoch auch untereinander kommunizieren können, um die übergreifende Funktionalität der Anlage zu sichern.

Kommunikation auf Anlagenebene

Controller in einer Anlage arbeiten autonom und oft mit unterschiedlichen lokalen Zykluszeiten. Letzteres ist auch der Grund, warum sich der Master-Slave-Ansatz, den das EDP nutzt, hier nicht eignet.

Das EAP orientiert sich stattdessen an einem Publisher-Subscriber-Modell (Pushed Data Exchange). Jedes EAP-Gerät, welches Daten bereitstellen soll, ist als Publisher konfiguriert und überträgt diese Daten auf das Netzwerk. Subscriber-Geräte können die gesendeten Ethernet-Pakete »abfangen« und die Daten daraus nutzen. Daten können dabei auf einem zyklischen Ereignis oder aber auf einem Wertewechsel basieren. Publisher-Geräte können die übermittelte Information als Unicast, Multicast oder als Broadcast konfigurieren.

Alternativ zum Publisher-Subscriber-Ansatz unterstützt das EAP einen Polled-Data-Modus. Hier sendet das abfragende Gerät Ausgangsdaten zu einem oder mehreren Subscribern und triggert die angefragten Geräte, entsprechende Daten bereitzustellen. Menge und Typ der Daten, die transportiert werden können, ist beliebig.

Jede Information wird vom Sender zusammen mit einem 16-Bit-Zyklusfeld bereitgestellt, welches inkrementiert, wenn die Information übertragen wird: Empfänger können dieses Feld als Folgenummer nutzen, um zu überprüfen, ob Pakete während der Weiterleitung verloren gegangen sind. Darüber hinaus fügt jeder Empfänger der ankommenden Information ein 16-Bit-Qualitätsfeld hinzu, welches die Zeit aufzeichnet, die vergangen ist, seit die Information zuletzt empfangen wurde. Dank dieser Diagnosevariablen können EAP-Empfängergeräte zu jeder Zeit die Echtzeit-Performance der Kommunikation überwachen und im Fehlerfall entsprechend reagieren.

Niedrige Hardware-Anforderungen

Da die Echtzeitanforderungen auf Anlagenebene schwächer sind, verlangen EAP-Geräte keine dedizierten Chips: Frames werden nicht mehr »on the fly« verarbeitet, die Hardware-Schnittstelle wird durch einen Standardnetzwerkport gestellt. Daher kann eine geswitchte Standard-Netzwerkinfrastruktur zur Kommunikation – auch drahtlos – genutzt werden. EAP-Daten können entweder effizient auf rohen Ethernet-Frames übertragen oder in UDP-Pakete gemappt werden. Zudem kann das EAP auch parallel zu anderen Protokollen wie etwa OPC UA, http oder FTP übertragen werden, was die vertikale Integration der Kommunikationsarchitektur verbessert.

Zyklische und azyklische Kommunikation mit EAP

Das EAP unterstützt sowohl den Austausch zyklischer als auch azyklischer Informationen, Letzteres unter Nutzung des AoE (ADS over EtherCAT)-Protokolls. Jeder EtherCAT-EAP- oder EDP-Controller wird von einer AoE-Adresse identifiziert, die Informationen können von einem AoE-Gerät zum nächsten geroutet werden. Mailbox-Protokolle wie CoE, SoE oder FoE können in AoE-Telegramme gemappt und von einem Controller zum nächsten geroutet werden. So können Konfigurations- und Diagnose-Tools azyklische Daten senden und empfangen und letztlich einzelne Slave-Geräte zu Parametrierungs- oder Diagnosezwecken erreichen.

Aufgrund der guten Echtzeitleistung, den Diagnoseeigenschaften sowie der Möglichkeit, ohne spezielle Hardware parallel zu anderen Protokollen in einem herkömmlichen Netzwerk übertragen zu werden, stellt das EAP eine perfekte Ebene zwischen Feldbuslevel und IT-Welt dar. Herstellerunabhängige Standards für den Datenaustausch auf Anlagenebene, wie etwa OPC UA, stellen bewusst keine Alternative zu EAP dar, vielmehr verhalten sich die Technologien komplementär. Während sich OPC UA speziell für die vertikale Integration zwischen der Echtzeitsteuerungsebene und höher angesiedelten, mitunter geografisch verteilten Client-Applikationen wie HMI oder Datenbanken eignet, setzt das EAP selbst auf einem etwas niedrigeren Level an und ist vorrangig für die horizontale Integration unterschiedlicher Controller gedacht. Beide Protokolle können im selben Hardware-Umfeld bestehen, um flexibel die Kommunikationsanforderungen der verschiedensten Anlagenarchitekturen zu erfüllen.

Applikationsbeispiel

Die Produktion von Solar-Panels besteht aus diversen Schritten, während derer unter anderem Identifikations- und Kennzeichnungssysteme sowie Testeinheiten und spezielle Handling-Module genutzt werden. Das Transportsystem ist in bis zu 14 Prozessinseln unterteilt, wovon jedes Segment mit einer Steuerungs- sowie einer Bedieneinheit ausgestattet ist. Hinzu kommt, dass Bedieneinheiten je nach Bedarf in variabler Anzahl und an jedem beliebigen Punkt in der Produktionslinie an das System angeschlossen werden können.

Der Datenaustausch zwischen den Steuerungseinheiten ist über das EAP implementiert. Jede Station tauscht Status- sowie Steuerungsinformationen mit der vorangegangenen und der folgenden Einheit in beide Richtungen aus: 600 Bytes in jede Richtung mit einer Zykluszeit von zehn Millisekunden. Darüber hinaus tauscht jede lokale Steuerungseinheit 1.000 Bytes Daten in jede Richtung mit der zentralen Einheit in derselben Zykluszeit aus.

Die vertikale Kommunikation zur HMI sowie MES-Systemen erfolgt über OPC UA parallel zur zyklischen EAP-Kommunikation. Beide Technologien ergänzen einander perfekt: EtherCAT als der echtzeitfähige Ethernet-Feldbus zur Maschinen- und Anlagensteuerung mit der Unterstützung des EAP für den schlanken Datenaustausch zwischen Mastern – OPC UA als Plattform für skalierbare Kommunikation mit integrierter Security by Design, was den verschlüsselten Datentransfer bis in MES/ERP-Systeme und in die Cloud ermöglicht.

SPS IPC Drives: Halle 2, Stand 338

Erschienen in Ausgabe: 08/2015