EtherCAT Kommunikation in harter Echtzeit

Die Bürowelt und die Welt der Fertigungsstraßen nähern sich an. Eine Herausforderung für die Ethernet-Protokolle, denn die PC-Kommunikation und die der Automatisierung sind nicht identisch.

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Ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Ethernet-Protokoll für Heimcomputer und jenen für die Industrie sind die Echtzeitanforderungen: Beide erfüllen diese, doch ersteres bietet lediglich eine sogenannte weiche Echtzeit.

Das heißt, dass die Antwort zwar innerhalb eines spezifizierten Zeitraumes erfolgt, aber nur, wenn das möglich ist. So kann es etwa bei einem Videotelefonat vorkommen, dass die Daten nicht rechtzeitig ankommen. Dann ruckelt das Bild, aber die Teilnehmer können sich trotzdem sehen und verstehen. Das System funktioniert also noch.

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Für die Ansteuerung z. B. eines Pick-and-Place-Roboters ist dies vollkommen inakzeptabel. Hier muss sich ein Greifarm auf einem vorgegebenen Pfad im Raum bewegen, eventuell auch auf verschiedenen Achsen drehen, und zugreifen.

Zur Antriebssteuerung werden mehrere Motoren in Einklang miteinander eingesetzt. Wenn ein Motor nicht genau in seinem Zeitfenster agiert, kommt der Arm zwar am richtigen Ort an, befindet sich aber auf dem Wege dorthin eventuell zur falschen Zeit am falschen Ort, so dass es zu Kollisionen oder gar Unfällen kommen kann. Deshalb ist hier harte Echtzeit gefordert, also dass die Antwort auf eine gestellte Reaktionsanfrage garantiert in einem vorgegebenen Zeitfenster umgesetzt wird. Das System ist somit deterministisch.

Echtzeit ist nicht gleich Echtzeit

Ein Protokoll, das sowohl weiche als auch harte Echtzeitanforderungen erfüllt ist EtherCAT. EtherCAT überzeugt durch sehr kurze Zykluszeiten und niedrigen Jitter. Im Gegensatz zu vergleichbaren Protokollen gibt es für EtherCAT Slaves eine dedizierte Hardware. Die Funktionsausführung wird auf Grundlage von Hardware-integrierten Funktionsblöcken (sogenannten IPs) realisiert, weil in Hardware realisierte Algorithmen um ein Vielfaches schneller sind. Die Bearbeitung der Nachrichten in Software würde zu zusätzlichen Latenzzeiten führen. In vielen Fällen wird diese Hardware durch einen zusätzlichen ASIC (meistens ET1200 oder ET1100 von Beckhoff) umgesetzt.

Die Integration von EtherCAT ist von der Komplexität her vergleichbar mit der Verwendung eines Feldbusses, bringt aber die Vorteile von Ethernet mit sich. Auf diese Weise lässt sich Ethernet einbinden, ohne dass sich der Entwickler mit Feinheiten wie SNMP oder TCP/IP-Kommunikation und den damit entstehenden Problemen beschäftigen muss. Der eigentliche Protokollstack selber ist nicht mehr zeitkritisch. Dieser erfordert sehr wenig Rechenleistung vom Controller. Zudem bekommt man diesen kostenlos von der EtherCAT Technology Group, wenn man dort Mitglied wird. Auch diese Mitgliedschaft ist kostenlos.

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