EtherCAT ermöglicht innovative Machatronik

Schnell, flexibel und präzise – geht es darum, anspruchsvolle Bewegungsabläufe praktisch umzusetzen, ist EtherCAT als die schnellste verfügbare Industrial Ethernet-Technologie die erste Wahl. Gerade im Bereich des Materialtransports verlangt die Industrie nach neuen Lösungen. Die in einer Anlage eingesetzten Antriebe müssen in der Lage sein, Produkte schnell, präzise und zuverlässig weiterzugeben. Darüber hinaus steigen die Anforderungen an kompakte Bauweisen zur platzsparenden Konzeption neuer Maschinen und Anlagen.
Mit der innovativen XTS-Technologie („eXtended Transport System“) der Firma Beckhoff ist es gelungen, diese Anforderungen auf einzigartige Weise wirksam zu erfüllen: Sie vereint die Vorteile bewährter Rotations- und Linearantriebssysteme und ermöglicht dadurch ein Antriebssystem, welches das bisherige lineare Motorprinzip um eine maßgebliche Komponente erweitert: den fließenden Durchlauf im Kreis.

Endloser Linearantrieb

Erreicht wird dieser zyklische Durchlauf durch die Aneinanderreihung eines oder mehrerer leitungsloser Mover, welche auf einer flexiblen modularen Streckenkonfiguration mit Hilfe von aneinandergereihten Magnetspulen dynamisch mit bis zu 4 m/s bewegt werden. Die Magnetspulen werden dabei durch die Antriebsverstärker im jeweiligen Modul angesteuert, welche es mit einer stetig wechselnden Anzahl von Movern zu tun haben. Um die Mover nahtlos von einem Modul zum nächsten weiterzugeben, muss die Regelung zentral erfolgen.
Hinzu kommt die große Anzahl der Positionssensoren und Spulen im System. Alle 30 mm befindet sich ein Positionssensor, der, genau wie die Spulen, präzise im 250-μs-Takt abgefragt werden muss. Um dies zu ermöglichen, müssen ca. 80 MBit/s Prozessdaten pro 3 Meter Wegstrecke von den verteilten Modulen transportiert werden.
Und da es sich bei XTS um ein präzises Antriebssystem handelt, müssen diese Daten selbstverständlich nahezu jitterfrei erfasst bzw. ausgegeben werden. Die hochgenaue Synchronisierung der Netzwerkteilnehmer ist demnach ebenfalls erforderlich – bei längeren Wegstrecken sogar über mehrere Ether-CAT-Segmente hinweg.

Ohne EtherCAT undenkbar

Bei der Entwicklung der XTS-Technologie spielten die Anforderungen an das Kommunikationssystem eine tragende Rolle. Um diese zu erfüllen, war vor allem das einzigartige Funktionsprinzip von EtherCAT ausschlaggebend: Entgegen klassischer Systeme werden bei EtherCAT die Ethernet-Frames von den EtherCAT Slave-Geräten im Durchlauf – sprich „on the fly“ – verarbeitet. Jeder Netzwerkteilnehmer entnimmt die ihm bestimmten Daten aus den gemeinsam genutzten Frames bzw. schreibt seine Informationen in dieselben Frames, ohne diese wie sonst üblich erst zu empfangen, dann zu verarbeiten und dann wieder abzuschicken. Dieser Prozess ermöglicht die weitgehend verzögerungsfreie Bearbeitung der Frames in den EtherCAT Slave Controllern direkt während der Weiterleitung, woraus sich nahezu alle vorteilhaften Features von EtherCAT ableiten lassen:

• Die Netto-Nutzdatenrate erhöht sich auf über 95% der Bitrate, da der Ethernet Frame Overhead nur einmal alle 1.500 Bytes Prozessdaten anfällt und nicht wie gewöhnlich einmal pro Teilnehmer und Richtung. Somit werden auch mit 100 Mbit/s Ethernet die geforderten 80 Mbit/s übertroffen.
• Da dieselben Frames für Ein- und Ausgangsdaten verwendet werden können, steht bei EtherCAT die Bandbreite voll-duplex zur Verfügung, was eine maximale Ausnutzung derselben ermöglicht: Aus 100 MBit/s Brutto-Bandbreite werden idealerweise 200 MBit/s.
• Protokoll-Stack-Durchlaufzeiten spielen keine Rolle, da die EtherCAT Slave Controller die Frames in Hardware verarbeiten. Dadurch werden die Prozessdaten der lokalen Anwendung sofort nach Durchlauf des Frames verzögerungsfrei zur Verfügung gestellt.
• Dank hochgenauer Uhren in den Slave Controllern, welche präzise synchronisiert werden, wird ein gemeinsamer Systemtakt erzeugt, dessen Genauigkeit vom Frame-Sende-Jitter des Masters unabhängig ist. Dadurch wird eine Synchronisationsgenauigkeit der Netzteilnehmer im zweistelligen Nano-Sekundenbereich erreicht. Mit EtherCAT werden die Frames ohne Einfluss der Software im Chip weitergeleitet, die Durchleiteverzögerung ist minimal und bleibt konstant. Bei der Synchronisierung der in den Teilnehmern verteilten Uhren kann die Verzögerung daher ganz einfach herausgerechnet werden; die Gleichzeitigkeit der Abtastung entspricht der Synchronisationsgenauigkeit.
• Rein physikalisch gesehen handelt es sich bei EtherCAT stets um eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Etwaige EMV-Einflüsse werden nicht auf den nächsten Teilnehmer übertragen und verteilen sich daher nicht über das ganze System. Trotz der hohen Datenrate wird EtherCAT dadurch sehr robust. Tritt dennoch eine Störung auf, wird der Bitfehler dank CRC-Check zuverlässig diagnostiziert und lokalisiert. Jeder Teilnehmer überprüft stets jedes Frame, selbst wenn er nicht an der aktuellen Kommunikation beteiligt ist.
• Trotz der hohen Performance sowie der präzisen Synchronisierung sind die Anforderungen an die Hardware des Masters bei EtherCAT gering: Ein einziger Standard-Ethernet-Port ist ausreichend und auch spezielle Busmaster-Chips oder Kommunikations-Coprozessoren, wie sie bei den klassischen Feldbussen oder anderen Industrial Ethernet-Systemen erforderlich sind, werden überflüssig. Das spart Kosten und prädestiniert EtherCAT als Kommunikationssystem für die XTS-Technologie.

Neben EtherCAT als Kommunikationssystem waren für die anspruchsvolle Entwicklung der XTS-Technologie eine leistungsfähige PC-Architektur zur Bereitstellung der erforderlichen Rechenleistung sowie eine entsprechende Software (TwinCAT) zur Umsetzung dieser Rechenleistung in ein einfach zu konfigurierendes Steuerungssystem erforderlich.

Fazit

Die innovativen Systemvorteile von XTS bieten dem Maschinenbau vor allem für den Materialtransport in Hochgeschwindigkeit völlig neue Möglichkeiten. Mit EtherCAT ist es gelungen, die höchst anspruchsvollen Kommunikationsanforderungen des XTS-Systems von Beckhoff zuverlässig zu bewältigen. Die Technologie ist ein gelungenes Beispiel für einen EtherCAT-basierten Lösungsansatz, dem herkömmliche Bussysteme nicht gewachsen wären. Ausschlaggebend war die Performance: Schnelligkeit, Flexibilität und Präzision gepaart mit niedrigen Hardwarekosten machen EtherCAT zu dem Bussystem, welches Grenzen in der Antriebstechnik überschreitet und dem Maschinenbau zusätzlich zu herkömmlichen Anwendungen völlig neue Möglichkeiten eröffnet.