Industrial Ethernet und EtherCAT

Ein Feldbus hat eine klare Aufgabe: Steuerung, Sensoren und Aktoren so miteinander zu verbinden, dass Signale verlässlich und in vorhersehbarer Zeit ankommen. Klassische Feldbusse wie PROFIBUS lösen das gut, stoßen aber bei Datenmenge und Geschwindigkeit an Grenzen. Ethernet wäre die naheliegende Lösung – schnell und standardisiert. (Den grundsätzlichen Aufbau und die Aufgaben eines Feldbusses behandelt ein eigener Beitrag.)

Das Problem steckt im Determinismus – der Eigenschaft eines Systems, dass eine Reaktion garantiert innerhalb einer festen Zeit erfolgt. Genau das fehlt dem klassischen Ethernet. Im ursprünglichen Ethernet teilen sich mehrere Teilnehmer eine Leitung. Wollen zwei gleichzeitig senden, kommt es zur Kollision. Das Verfahren dahinter, CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), erkennt die Kollision, lässt beide eine zufällige Zeit warten und neu senden. Für eine E-Mail egal. Für eine Maschine ein Albtraum: Niemand kann garantieren, wann ein Telegramm ankommt.

Zwei Begriffe sind hier zentral. Die Latenz ist die Verzögerung, bis ein Signal sein Ziel erreicht. Der Jitter ist die Schwankung dieser Verzögerung von Mal zu Mal. Für eine Regelung ist nicht primär eine kleine Latenz entscheidend, sondern ein kleiner Jitter – die Steuerung muss sich darauf verlassen können, dass jeder Wert im immer gleichen Takt eintrifft. Diesen festen Takt nennt man Zykluszeit.

Die erste Voraussetzung, um Ethernet überhaupt brauchbar zu machen, schafft moderne Technik fast nebenbei: Heutige Netze sind geschaltet (Switched Ethernet) und arbeiten im Vollduplex-Betrieb. Jeder Teilnehmer hat seine eigene Punkt-zu-Punkt-Verbindung zum Switch, senden und empfangen laufen gleichzeitig auf getrennten Adernpaaren. Kollisionen im alten Sinn gibt es damit nicht mehr – CSMA/CD ist praktisch arbeitslos. Das allein macht Ethernet aber noch nicht echtzeitfähig, denn ein Switch kann Telegramme zwischenpuffern und verzögern. Der eigentliche Trick kommt erst in den folgenden Kapiteln.

Industrial Ethernet ist kein einzelnes Produkt, sondern ein Sammelbegriff für Ethernet, das für den industriellen Einsatz angepasst wurde. Die Anpassung passiert auf zwei Ebenen: physikalisch robust und zeitlich verlässlich.

Physikalisch heißt das: geschirmte Leitungen gegen elektromagnetische Störungen, verriegelbare und vibrationsfeste Steckverbinder statt der wackeligen Büro-Variante, eine hohe Schutzart gegen Staub und Feuchtigkeit sowie eine ausgelegte EMV (elektromagnetische Verträglichkeit). Im Schaltschrank und an der Maschine herrschen andere Bedingungen als unter dem Schreibtisch.

Zeitlich unterscheidet man grob drei Echtzeitklassen. Nicht-echtzeitfähiger Verkehr läuft über den normalen Protokollstapel und ist für Parametrierung oder Diagnose völlig ausreichend. Weiche Echtzeit toleriert gelegentliche Verzögerungen, etwa bei einfacher Visualisierung. Harte Echtzeit verlangt garantierte Zeiten im Mikrosekundenbereich, oft sogar isochron – alle Teilnehmer arbeiten synchron im selben Takt, wie es Motion Control für die Achssynchronisation braucht.

Bei der Topologie, der physikalischen Anordnung der Teilnehmer, sind in der Industrie vor allem drei Formen verbreitet:

• Stern: Jeder Teilnehmer hängt einzeln am zentralen Switch.
• Linie: Teilnehmer in Reihe durchverkabelt, einer nach dem anderen.
• Ring: Linie zum geschlossenen Ring – bietet Redundanz bei Kabelbruch.

Die Linientopologie spart in der Maschine viel Kabel, weil man von Gerät zu Gerät weiterverdrahtet, statt jedes Gerät einzeln zum Schaltschrank zu führen. Der Ring ergänzt das um Ausfallsicherheit: Bricht eine Leitung, läuft die Kommunikation über den anderen Weg weiter.

Auf dem Markt gibt es mehrere Industrial-Ethernet-Systeme, die sich technisch teils deutlich unterscheiden. Die wichtigsten sind PROFINET (im Siemens-Umfeld weit verbreitet), EtherNet/IP (vor allem im amerikanischen Raum), POWERLINK (aus dem B&R-Ökosystem, im deutschsprachigen Raum und besonders in Österreich stark vertreten) und EtherCAT, das den Rest dieses Beitrags trägt. PROFINET wird in einem eigenen Beitrag ausführlich behandelt; hier reicht das Wissen, dass es eines der führenden Systeme ist.

Wenn geschaltetes Vollduplex-Ethernet allein noch keine Garantie gibt, wie kommt der Determinismus dann zustande? Es gibt drei grundsätzlich verschiedene Wege, und sie unterscheiden sich darin, wie tief sie in das normale Ethernet eingreifen.

Der erste Weg lässt das normale Ethernet unangetastet und schickt die Automatisierungsdaten einfach über den üblichen TCP/IP-Stapel. Das ist unkompliziert und reicht für unkritische Aufgaben wie Parametrierung oder Datenaufzeichnung. Echtzeit ist damit aber nicht zu machen, weil der Protokollstapel selbst schwankende Verzögerungen einbaut.

Der zweite Weg lässt den Standard-Verkehr weiterlaufen, schiebt aber den zeitkritischen Datenverkehr an diesem Stapel vorbei und priorisiert ihn. Damit lassen sich weiche und sogar harte Echtzeit erreichen. Wichtig wird hier die Zeitsynchronisation: Alle Teilnehmer brauchen eine gemeinsame, sehr genaue Uhr, damit sie ihre Aktionen im selben Moment ausführen.

Der dritte Weg geht am radikalsten vor und verlagert die zeitkritische Verarbeitung in dedizierte Hardware. Nicht mehr ein Software-Stapel entscheidet, wann ein Teilnehmer Daten liest oder schreibt, sondern ein spezieller Baustein erledigt das im Takt der durchlaufenden Telegramme. Genau diesen Weg geht EtherCAT – und gerade weil er die Verarbeitung aus der Software herauszieht, erreicht er die höchsten Geschwindigkeiten.

EtherCAT arbeitet nach dem Master/Slave-Prinzip. Ein einziger Master – meist die Steuerung – gibt den Takt vor und schickt Telegramme los. Die Slaves sind die Teilnehmer an der Strecke: Antriebe, E/A-Module, Sensoren. Das Besondere ist, wie die Daten verteilt werden.

Bei klassischen Systemen schickt der Master für jeden Teilnehmer ein eigenes Telegramm und wartet jeweils auf Antwort. Das kostet Zeit. EtherCAT macht es umgekehrt: Der Master schickt ein einziges Telegramm los, das durch alle Slaves nacheinander hindurchläuft. Jeder Slave liest im Vorbeifluss die für ihn bestimmten Daten heraus und schreibt seine eigenen Daten in dasselbe Telegramm hinein – während das Telegramm weiterläuft. Dieses Prinzip heißt Processing on the fly (Verarbeitung im Durchlauf).

Physikalisch sind die Slaves meist als Linie verdrahtet, logisch bilden sie aber einen Ring: Das Telegramm läuft bis zum letzten Teilnehmer durch, wird dort umgekehrt und kehrt durch dieselben Geräte zum Master zurück. Auf dem Hinweg und Rückweg passiert es jeden Slave – die eigentliche Verarbeitung erledigt der Slave im Durchlauf.

Damit das funktioniert, kann kein gewöhnlicher Ethernet-Controller eingesetzt werden. Der liest erst das ganze Telegramm ein, gibt es an die Software weiter und schickt erst dann eine Antwort – viel zu langsam. EtherCAT-Slaves enthalten stattdessen einen dedizierten Hardware-Baustein, den EtherCAT Slave Controller (ESC). Dieser ist als ASIC oder FPGA ausgeführt und verarbeitet das durchlaufende Telegramm direkt in Hardware: Er erkennt die für ihn bestimmten Datenbereiche und liest beziehungsweise schreibt sie quasi „im Vorbeifahren“, während das Telegramm weiterläuft. Genau hier liegt der Geschwindigkeitsvorteil – die Verzögerung pro Slave liegt nur im Bereich weniger Nanosekunden, weil kein Software-Stapel dazwischenfunkt.

Wie schnell ein EtherCAT-Netz seine Daten austauscht, hängt von drei Größen ab: wie viele Teilnehmer es gibt, wie viele Prozessdaten jeder davon austauscht und mit welcher Übertragungsrate gefahren wird. Daraus lässt sich die Buszykluszeit grob abschätzen.

Zuerst die reine Datenmenge. Jeder Slave trägt eine gewisse Anzahl Bytes an Prozessdaten bei. Bei N Slaves mit jeweils B Bytes ergibt das die Nutzdatenmenge:

Die Übertragungszeit dieser Nutzdaten ergibt sich aus der Datenmenge und der Übertragungsrate. Ein Byte hat 8 Bit, die Rate ist in Bit pro Sekunde anzusetzen:

Damit is es aber nicht getan. Jeder Ethernet-Rahmen schleppt einen festen Overhead mit – Präambel, Header, Prüfsumme (FCS) und die Pause zwischen zwei Rahmen (Interframe Gap). Dieser Overhead beträgt rund 38 Byte je Rahmen und muss zur Nutzdatenmenge addiert werden, um die tatsächliche Rahmenlaufzeit zu bekommen:

Aus der Rahmenlaufzeit folgt die theoretisch maximale Zyklusfrequenz – wie oft pro Sekunde sich der Datensatz im Idealfall austauschen ließe:

Das ist eine optimistische Abschätzung. In der Praxis kommen Laufzeiten in den Leitungen, die Durchlaufverzögerung der ESC und Sicherheitsreserven hinzu, sodass die real eingestellte Zykluszeit größer ausfällt. Für ein Gefühl der Größenordnung reicht die Rechnung aber gut.

EtherCAT ist überall dort zu Hause, wo viele Teilnehmer schnell und synchron arbeiten müssen. Klassisch sind das Maschinensteuerungen mit vielen E/A-Punkten und vor allem Motion Control – die koordinierte Bewegung mehrerer Achsen. Wenn ein Portalroboter zwei Achsen exakt gleichzeitig fahren muss oder eine Druckmaschine Dutzende Walzen im Gleichlauf hält, ist die synchrone Datenverteilung der entscheidende Vorteil.

In der Verkabelung profitiert man vom Durchlaufprinzip: Die Geräte werden in Linie verdrahtet, von einem zum nächsten, oft direkt an der Maschine entlang. Ein eigener Switch ist nicht nötig, die Slaves leiten das Telegramm selbst weiter. Die Adressierung der Teilnehmer erledigt der Master automatisch über ihre physikalische Position in der Linie – beim Hochlauf zählt er die Slaves der Reihe nach durch. Man muss also nicht jeden Teilnehmer von Hand mit einer Adresse versehen.

Für die Inbetriebnahme und Fehlersuche ist eine Größe besonders wichtig: der CRC-Fehlerzähler. Jeder Slave prüft per CRC (Cyclic Redundancy Check, zyklische Blockprüfung) jedes ankommende Telegramm auf Übertragungsfehler. Stimmt die Prüfsumme nicht, zählt der Slave intern einen CRC-Fehlerzähler hoch. Steigende CRC-Fehlerzähler an einer bestimmten Stelle der Strecke sind das deutlichste Zeichen für ein Problem auf der Leitung – ein schlecht aufgelegter Stecker, eine mangelhafte Schirmung oder ein angeschlagenes Kabel. Weil der Zähler genau dem Slave zugeordnet ist, an dem die Fehler auftreten, lässt sich die fehlerhafte Stelle eingrenzen, ohne die ganze Strecke abzusuchen.