Automatisierung in Echtzeit

EtherCAT

Echtzeit-Automatisierung mit EtherCAT unter Windows

EtherCAT ist eines der schnellsten und weitverbreitetsten Industrial-Ethernet-Protokolle im Bereich der rechnergestützten Automatisierung. Hier einige der Gründe:

  • Automatisierung in Echtzeit
  • geringe Zykluszeiten bei hohen Datenübertragungsraten
  • Hochleistungs-I/O-System mit schnellen Reaktionszeiten
  • beliebige Topologien und Kombinationen möglich: Linie, Baum, Ring, Stern, Bus, etc.
  • schneller Datenaustausch (PDO/SDO)
  • effizientes Echtzeit-Ethernet ideal für die Maschinen- und Anlagenautomatisierung

Kithara EtherCAT Master ist Teil von Kithara RealTime Suite und stellt eine leistungsfähige Funktionsbibliothek dar, mit der komplexe Automatisierungsaufgaben erfüllt werden können - und das mit geringem Entwicklungsaufwand und hoher Flexibilität. Es erweitert EtherCAT somit um folgende Echtzeit-Funktionen:

  • Erreichen von „harten“ Echtzeiteigenschaften durch hochfrequente und präzise Echtzeit-Timer
  • Zykluszeiten bis hinunter zu 50 µs
  • Reaktionszeiten der I/O-Datenverarbeitung im Mikrosekundenbereich
  • automatische Ermittlung der EtherCAT-Topologie
  • schnelle Prozess- und Servicedaten-Kommunikation (PDO/SDO)
  • Mailbox-Kommunikation und „CANopen over EtherCAT“ (CoE)
  • erweiterbar durch eine Vielfalt an Zusatzprotokollen und -funktionen: FoE, SoE, EoE, FSoE etc.
  • EtherCAT Automation Protocol: Fabrikweite Echtzeit-Vernetzung auf der Leitebene mit bis zu 200 GBit/s
  • PC als EtherCAT-Slave unterstützt
EtherCAT: Schematischer Aufbau

Bei der zunehmenden Verbreitung, hin zu schnellen Industrial-Ethernet-Systemen, hat sich vor allem das Standardprotokoll EtherCAT® als eines der schnellsten und flexibelsten Ethernet-Feldbusse durchgesetzt. Mit dem eigens von Kithara entwickelten EtherCAT Master, einer Industrial-Ethernet-Steuerungslösung für Windows, lassen sich durch Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich und Datenübertragungsraten von 100 MBit/s effiziente I/O-Systeme umsetzen. Alle mit EtherCAT kompatiblen Topologien werden automatisch erkannt beziehungsweise integriert, und die von EtherCAT bekannten Features, wie Prozessdaten- und Servicedatenaustausch (PDO/SDO), Mailbox-Kommunikation sowie CoE (CANopen over EtherCAT), werden ausnahmslos unterstützt.

Der als offene Funktionsbibliothek entwickelte EtherCAT Master erlaubt die nahtlose Integration von Geräten in den Automatisierungsprozess und ermöglicht somit, im Gegensatz zu anderen EtherCAT-Varianten, weitaus flexiblere und kostengünstigere Lösungen, die einfacher implementierbar sind. Darüber hinaus kann der EtherCAT Master durch die von EtherCAT bekannten Funktionen und Protokolle ergänzt werden: FoE, SoE, EoE, FSoE, Hotplug-Fähigkeit sowie Kabelredundanz. Auch werden PCI-EtherCAT-Slave-Karten sowie das EtherCAT Automation Protocol zur kompletten Anlagenvernetzung mit bis zu 200 GBit/s, unterstützt.

CANopen

Echtzeit-Automatisierung mit CANopen unter Windows

CANopen kann, dank der Unterstützung von CAN innerhalb von Kithara RealTime Suite und unter Verwendung entsprechender CAN-Hardware, ebenfalls für Automatisierungsaufgaben in Echtzeit verwendet werden. Dieser CANopen-Master erlaubt ebenfalls Prozessdaten- und Servicedaten-Kommunikation, automatische Topologie-Erkennung sowie die Verwaltung von Slave-Zuständen. Der Master lässt sich zudem in eine übergeordnete EtherCAT-Topologie integrieren.

Automatisierung in Echtzeit

Module

Echtzeit-Automatisierung besteht im modularen System von Kithara RealTime Suite aus folgenden Komponenten:

EtherCAT Module

EtherCAT Master in Echtzeit

  • Allgemein
  • Features
  • Erweiterungen

Kithara EtherCAT Master basiert intern auf dem prioritätsgesteuerten, preemptiven Echtzeit-Multitasking-System. Unter Ausnutzung der Hardware-Parallelität bei mehreren CPU-Kernen können die verschiedenen Echtzeitaufgaben verteilt werden. Dadurch bietet sich eine hohe Skalierbarkeit der Echtzeitausführung bis hin zu extremer Echtzeit auf exklusiv benutzten CPU-Kernen im Dedicated Mode.

Für maximal 64 EtherCAT-Slaves, darüber EtherCAT Slave Extension erforderlich.

  • Eigenständiger EtherCAT Master
  • Automatische Erkennung der EtherCAT-Topologie mit XML-Dateien oder SII-Protokoll
  • Prozessdaten-Kommunikation (zyklischer I/O-Datenaustausch) in Echtzeit
  • Kurze Zykluszeiten: bis zu 50 Mikrosekunden oder weniger
  • Hot connect und Kabelredundanz
  • Netzwerkkarten von RealTek und Intel verwendbar
  • I/O-Klemmen, Servoumrichter etc. aller Hersteller werden unterstützt (zum Beispiel Beckhoff)
  • Modularer Aufbau des EtherCAT Masters: Grundpaket + Optionen
  • Prozessdaten-Kommunikation (PDO)
  • Servicedaten-Kommunikation (SDO)
  • Mailbox-Kommunikation
  • Erfordert Network Module

EtherCAT Slave Extension

Erweiterung um zusätzliche EtherCAT-Slaves

  • Extended Level: bis 256
  • Unlimited Level (benötigt Extended Level): unbegrenzt

EtherCAT PC Slave Device Extension

Mit Kitharas EtherCAT PC Slave Device Extension kann ein handelsüblicher PC wie ein EtherCAT-Slave verwendet und in EtherCAT-Netzwerke eingebunden werden. Vor dem Einsatz von PCIe-Slave-Karten besaß nur die Master-Seite die Möglichkeit zur komplexen PC-basierten Kommunikation mit dem EtherCAT-Netzwerk. Durch die Implementierung von Rechnern als Slaves können anspruchsvolle Automatisierungsprozesse zielgerichteter entworfen, implementiert und angepasst werden.

  • Gemeinsames API mit EtherCAT Master and EtherCAT EAP
  • Prozess- und Servicedatenkommunikation (PDO/SDO)
  • Dateitransfer (FoE)
  • Erzeugen von benutzerdefinierten PDO-Mappings
  • SII (EEprom) Daten können beliebig initialisiert werden (zum Beispiel Vendor ID, Product ID, Revision)

Hardware-Unterstützung

Beckhoff – EtherCAT-Slave-Geräte

  • FC1100, PCI EtherCAT Slave Card
  • FC1121, PCIe EtherCAT Slave Card
  • CX5000 CCAT (Beckhoff CX50xx, CX20xx, CX51xx Embedded PCs)

ESD – EtherCAT-Slave-Karte

  • ECS-PCIe 1100, PCIe EtherCAT Slave Card
  • ECS-PCIe/FPGA, PCIe EtherCAT Slave Card

Distributed Clocks (DC)

Distributed Clocks wird für die softwarebasierte Zeitsynchronisation zwischen allen Busteilnehmern eingesetzt. Der Master ermittelt während der Initialisierung die Verzögerungen zu den einzelnen Slaves und stellt deren Uhren. Zur Driftkorrektur wird regelmäßig eine Nachricht durch die Ring-Topologie an alle Slaves gesendet, um diese über Langzeit genauestens zu synchronisieren.

Ethernet over EtherCAT (EoE)

Mit Ethernet over EtherCAT lassen sich beliebige Ethernet-Geräte innerhalb von EtherCAT via Switchports anschließen. Hierbei wird Standard-Ethernet-Kommunikation über EtherCAT getunnelt, was dem Master ermöglicht, diese zu optimieren, ohne die Prozessdaten-Kommunikation zu beeinträchtigen. Einige Slaves bieten auch ein Webinterface, etwa für die Konfiguration, welches über EoE angesprochen werden kann.

File access over EtherCAT (FoE)

File access over EtherCAT erlaubt den einfachen Dateizugriff auf Netzwerkteilnehmer und kann beispielsweise für das Uploaden einheitlicher Firmware auf mehrere Geräte im EtherCAT-Netzwerk verwendet werden. Das Protokoll ist absichtlich simpel gehalten, um auch Bootloader zu unterstützen.

Servo Profile over EtherCAT (SoE)

Das Servodrive-Profile over EtherCAT stellt die Unterstützung für die Sercos-Schnittstelle bereit, mit der sich anspruchsvolle Motion-Control-Anwendungen umsetzen lassen. Das Sercos-Profil für Servoantriebe sowie dessen Mapping auf EtherCAT sind in IEC 61800-7 standardisiert.

Hot Connect (HC)

Hot Connect ermöglicht es, vor oder im laufenden Betrieb, vorkonfigurierte Segmente (Slave-Gruppen oder einzelne Slaves) aus dem Datenverkehr zu nehmen oder hinzuzufügen. Damit lässt sich die Topologie flexibel anpassen.

Cable Redundancy (CR)

Mit der Kabelredundanz-Funktionalität wird der Betrieb, auch bei ungewollten Kommunikationsunterbrechungen wie Kabelbruch, weitergeführt. Hierfür werden die Prozessdaten redundant über einen zweiten Ethernet-Port durch die Topologie gesendet.

Safety over EtherCAT (FSoE):

Durch das TÜV-zertifizierte Protokoll Safety-over-EtherCAT lässt sich die Funktionalität von EtherCAT mit Sicherheitsstufe SIL 3 (nach IEC 61508) realisieren. Das Sicherheitsprotokoll verursacht keine Einschränkungen bei Übertragungsgeschwindigkeit oder Zykluszeit, da EtherCAT als einkanaliges Kommunikationsmedium genutzt wird.

 

Diese Liste bezieht sich stets auf die aktuelle Version unserer Software.

EtherCAT Automation Protocol

Echtzeit-Vernetzung über EtherCAT von der Leitebene aus

  • Allgemein
  • Features

Das EtherCAT Automation Protocol ermöglicht Echtzeitkommunikation zwischen allen Endgeräten innerhalb eines Netzwerks, wodurch ein komplett neuer Standard an Konnektivität bei Automatisierungs­anlagen erreicht wird. Dazu können beispielsweise alle PC-basierten Steuerungen, Maschinen, Prüfstände, Transportbänder, Roboter, Anlagen zur Qualitätssicherung oder MES (Manufacturing Execution Systems) gehören.

  • Übertragungsrate von beispielsweise 1000 Mbit/s, 10 Gbit/s oder 200 Gbit/s
  • Prozessdaten- und Servicedatenaustausch (PDO/SDO), Dateitransfer
  • Anwendungsgleich mit Kithara EtherCAT Master

CANopen Module

CANopen Master in Echtzeit

  • Allgemein
  • Features

Das CANopen Module von Kithara RealTime Suite beinhaltet einen PC-basierten Master für das Automatisierungsprotokoll CANopen®. Es basiert auf dem CAN Module und erfordert entsprechende Hardware.

  • Automatische Ermittlung der CANopen-Topologie
  • Management der CANopen-Slave-Zustände
  • Prozessdaten- und Servicedaten-Kommunikation (PDO+SDO)
  • Mailbox-Kommunikation
  • Erfordert CAN Module

Ihre Vorteile mit Kithara EtherCAT Master

Kithara EtherCAT Master wird als Funktionsbibliothek zur Verfügung gestellt. Eine Funktionserweiterung ist jederzeit und modular möglich. Der Entwickler kann den EtherCAT Master schnell und einfach in seine Applikation einbinden. Dazu werden die Programmiersprachen C, C++, Delphi und C# direkt unterstützt, und Sie können in Ihrer gewohnten Umgebung arbeiten. Das vermeidet eine zeitaufwendige Einarbeitung, wie dies bei komplexen Soft-SPS-Systemen der Fall ist. Durch die Bereitstellung als Funktionsbibliothek haben Entwickler darüber hinaus wesentlich flexiblere Möglichkeiten zur Realisierung ihrer Applikationen.

EtherCAT® und Safety over EtherCAT® sind eingetragene Marken und patentierte Technologien, lizenziert durch die Beckhoff Automation GmbH, Deutschland.
CANopen® ist ein registriertes Warenzeichen des CAN in Automation e. V.
GigE Vision® ist ein registriertes Warenzeichen der Automated Imaging Association.
USB3 Vision® ist ein registriertes Warenzeichen der Automated Imaging Association.