Skalierbarkeit mit Ethercat

Perspektive nach vorne

Die stetig steigenden Anforderungen in der Automatisierungstechnik können heute nur noch PC-gestützt umgesetzt werden. Als verbreitetes Betriebssystem setzt Windows dabei eine leistungsfähige Echtzeitlösung voraus, um auch industrielle Standards erfüllen zu können. Anhand des Ethercat-Masters der RealTime Suite von Kithara werden die umfassenden Möglichkeiten der Skalierbarkeit von Ethercat-Lösungen beleuchtet.
Schon heute sind viele automatisierte Anlagen technologisch wegweisende Projekte. Sie führen mechanische und informationstechnische Vorgänge effizient und sicher durch, und doch steigen Automatisierungsgrad und Leistungspotential stetig weiter. So hat sich auf Seite der verwendeten Bussystemen auch die schnelle und offene Industrial-Ethernet-Variante Ethercat in den vergangenen Jahren weiterentwickelt und großen Zulauf bekommen. Denn sie erfüllt nicht nur gegenwärtige Bedürfnisse, sondern ist durch hohe Skalierbarkeit bereits auf künftige Anforderungen vorbereitet. Die Echtzeitfähigkeit von Ethercat ist dabei sehr relevant, da sich in der Industrie, vor allem für zeitkritische Anwendungen, ein besonderer Bedarf nach leistungsstarken Echtzeitsystemen entwickelt hat. Um die Wettbewerbsfähigkeit, beispielsweise von automatisierten Produktionsanlagen, auch in Zukunft zu erhalten, muss neben der erbrachten Leistung zudem fortan noch schneller auf Änderungen des Marktes sowie auf individuelle Kundenbedürfnisse eingegangen werden. Dadurch nehmen die Anpassungsfähigkeit und Modularität von Ethercat eine zentrale Rolle ein. Zusammengefasst sind diese Anforderungen und deren Lösungsansätze im Trend Industrie 4.0 formuliert. Er verfolgt die Umsetzung unabhängig funktionierender Fabriken, die mit Anbindung an erweiterte Informationssysteme eigenständig auf sich ändernde Bedingungen reagieren.

Weiterhin nach oben skalierbar

Allein durch eine Vielzahl verwendbarer Software-Protokolle und Hardware-Komponenten, die auf bestimmte Funktionen spezialisiert sind, z.B. digitale oder analoge E/A-Klemmen oder Servoverstärker, vereint Ethercat einen hohen Grad an Flexibilität und Spezialisierung. Das Zugriffsverfahren der Komponenten funktioniert, wie bei vielen anderen Bussystemen, nach dem Master/Slave-Prinzip. Bei Ethercat-Netzen wird dabei ein PC-basierter Master eingesetzt, der mit den verschiedenen Hardware-Slaves per Standard Ethernet Frame kommuniziert. Dabei werde Informationen bereits während des Zyklus-Durchlaufs ausgetauscht und verarbeitet. Durch die von Ethernet bekannte Voll-Duplex-Kommunikation sind fast alle Topologien (Linie, Baum, Ring, Stern) einsetzbar und können somit auf die meisten Aufgaben und Projekte individuell angepasst werden. Zudem sind individuelle Maschinensegmente innerhalb eines Ethercat-Systems durch Hot-Connect-Funktion modular einsetzbar, um Zeiten für Wartung, Austausch und Inbetriebnahme zu minimieren. Trotz dieser Anwendbarkeit und Flexibilität existieren bereits verschiedene Ansätze zur fortgeschrittenen inneren und äußeren topologischen Erweiterung, die darauf abzielen, Ethercat-Lösungen auch darüber hinaus adaptiv und zugänglich für neue Funktionen zu machen. Zum einen eröffnet der Einsatz von PCs als Ethercat-Slaves das Potential zur erhöhten Skalierbarkeit und zur verbesserten Gliederung von Ethercat-Topologien. Zum anderen erlaubt die Verwendung des Ethercat Automation Protocol (EAP) die vertikale Integration höherer Unternehmensebenen in den Automatisierungsprozess und kommt damit einer vollständigen dezentralen Anlagenvernetzung einen Schritt näher.

Topologien öffnen durch flexible Schnittstellen

Wie bei den meisten Feldbussen sind auch Ethercat-Slaves klassischerweise spezielle Hardware-Klemmen, die zwar hochspezialisiert sind, jedoch ohne erweiterte graphische Oberfläche oder einfache Eingabemöglichkeiten auskommen müssen. Unter Verwendung von PCIe-Ethercat-Slave-Karten der Hersteller Beckhoff oder ESD können jedoch selbst handelsübliche PCs als Slaves in eine Ethercat-Topologie integriert werden, wobei Vorteile wie Übertragungsraten bis 100MBit/s und Kabellängen bis 100m, erhalten bleiben. Die Karten besitzen einen Ethercat-Kanal mit jeweils einem RJ45-Input- und -Output-Port, werden im programmierbaren Slave Stack Code ET9300 unterstützt und können mit Ethercat-Protokollen wie CoE, EoE, FoE oder AoE verwendet werden. PC-basierte Ethercat-Slaves sind also vollwertige Komponenten, die sich, genau wie klassische Hardware-Slaves, nahtlos in das System integrieren lassen. Wo genau aber liegt nun der Mehrwert dieser Alternative und was sind konkrete Anwendungsmöglichkeiten? Die Vorteile PC-gestützter Ethercat-Slaves begründen sich auf die Bedienungsfreundlichkeit von PCs selber: Durch den simplen Anschluss eines Bildschirms und Eingabegeräten im System wird eine hochflexible Benutzerschnittstelle geschaffen, mit der Daten anschaulicher ausgewertet und zielgerichteter verarbeitet werden können. Ethercat-PC-Slaves sind so auf eine Vielzahl von gesonderten Aufgaben spezialisierbar. Beispielsweise wird mit einem PC zusätzliche Rechenleistung zur Verfügung gestellt, die für anspruchsvolle Applikationen ausgelagert werden kann und je nach konkreter Leistungsanforderung individuell skalierbar ist. Darüber hinaus eignen sich PC-Slaves besonders zur erweiterten hierarchischen Staffelung von Ethercat-Netzwerken. So bilden sich Untergruppen für spezielle Aufgabenbereiche, indem komplexe Baumtopologien entstehen, bei denen, über die Master-Seite hinaus, auch slave-seitig kritische Knotenpunkte PC-basiert operieren. Gerade für Aufgaben künftiger technologischer Konzepte, wie sie bei Industrie 4.0 benannt werden, sind PC-Slaves geeignet. Denn die quantitative sowie qualitative Erweiterung der entstandenen Schnittstellen innerhalb des Netzwerks ermöglicht erst die Anbindung an hochentwickelte Informationsstrukturen. Dadurch lässt sich die Grundlage für cyberphysische Systeme legen, welche in Verbindung mit einem Echtzeitsystem anspruchsvolle Aufgaben wie schnelle und autonome Selbstanalyse und -optimierung erfüllen können. Die Skalierbarkeit von PC-Slaves ermöglicht so die Modernisierung vorhandener Ethercat-Anwendungen, ohne das gesamte Netzwerk komplett neu konzipieren zu müssen.