Der Ethernet Feldbus.

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1 Der Ethernet Feldbus.

2 Warum Ethernet für die Automatisierung? Auf Steuerungsebene schon lange Stand der Technik Nun auch auf der Feldebene, weil: Verwendung von Commodity Technik Dadurch: Niedrige Komponenten-Kosten Partizipieren an allgemeiner technologischer Weiterentwicklung (getrieben vom Office Bereich) Zugang zu Internet Technologien (z.b. Webserver) Reduktion der Schnittstellenvielfalt Aber: herkömmliches Ethernet erfüllt nicht alle Anforderungen der Feldebene, z.b.: Kosten, Performance, Determinismus,. EtherCAT Technology Group,

3 EtherCAT - Der Ethernet Feldbus. EtherCAT ist Echtzeit-Ethernet bis zur E/A-Ebene ohne unterlagerten Bus keine Verzögerung in Gateways Ein- und Ausgänge, Sensoren, Antriebe, Displays: Alles an einem System! EtherCAT Technology Group,

4 EtherCAT ist schneller Übertragungsrate: 2 x 100 Mbit/s (Fast Ethernet, Voll-Duplex) Update Zeiten: 256 digitale E/A in 11 µs 1000 digitale I/O verteilt auf 100 Knoten in 30 µs = 0.03 ms 200 analoge E/A (16 Bit) in 50 µs = entspricht 20 khz Sampling Rate 100 Servo-Achsen (je 8 Byte In + Out) in 100 µs = 0.1 ms digitale E/A in 350 µs EtherCAT Technology Group,

5 EtherCAT ist schneller Bandbreiten-Nutzung herkömmlicher Ethernet-Lösungen: Ethernet Frame: 84 Bytes inkl. Preamble + IPG (interpacket gap) Nutzdaten: z.b. 2 Bit..6 Byte 22 Bytes 4 Bytes Ethernet Header Daten: 46 Bytes CRC 12 Bytes IPG Master Anfrage mit Ausgangsdaten Antwort mit Eingangsdaten E/A Reaktionszeit Knoten Ethernet Header Daten: 46 Bytes CRC IPG Für 4 Byte Eingabe + 4 Byte Ausgabe pro Knoten: 4,75% Nutzdatenrate bei 0 µs Reaktionszeit per Knoten 1,9% Nutzdatenrate bei 10 µs Reaktionszeit per Knoten EtherCAT Technology Group,

6 EtherCAT ist schneller Bandbreiten-Nutzung im Vergleich: Bei 4 Byte Nutzdaten je Knoten: Polling / Timeslicing: ca. 2..5% Ab 2 Bit Nutzdaten je Knoten: EtherCAT: 80 97% (2 x 100 MBit/s, Voll-Duplex) Polling / Timeslicing EtherCAT EtherCAT Technology Group,

7 Funktionsprinzip: Ethernet on the Fly Wagen 27 Analogie ICE: Zug (Ethernet Frame) hält nicht an auch wer den Zug durch ein schmales Fenster sieht, sieht den gesamten Zug Wagen (Sub-Telegramme) haben eine variable Länge Es können einzelne Personen (Bits) oder ganze Reisegruppen (Bytes) entnommen und/oder eingefügt werden EtherCAT Technology Group,

8 Funktionsprinzip: Ethernet on the fly Slave Gerät EtherCAT Slave Controller Slave Gerät EtherCAT Slave Controller Daten werden im Durchlauf entnommen und eingefügt Prozessdatengröße pro Slave nahezu beliebig groß (1 Bit 60 KByte, ggf. auf mehrere Frames verteilt) Zusammensetzung der Prozessdaten kann sich in jedem Zyklus ändern, z.b. kürzeste Zykluszeit für Antriebe, gleichzeitig längere Zykluszeit für E/A möglich Zusätzlich asynchrone, bedarfsgesteuerte Kommunikation EtherCAT Technology Group,

9 Funktionsprinzip: Ethernet on the fly Master HDR 1 HDR 2 Ethernet Header ECAT HDR PLC Daten NC Daten E/A Daten Ethernet Geringster Overhead durch implizite Adressierung Vorteile: Optimierte Telegrammstruktur für dezentrale E/A Kommunikation vollständig in Hardware: maximale Performance Wenn nur EtherCAT Teilnehmer: kein Switch erforderlich Hervorragende Diagnose-Eigenschaften Ethernet-Kompatibilität bleibt erhalten HDR 2 EtherCAT Technology Group,

10 Schnelligkeit: Applikationsbeispiel 40 Achsen (je 20 Byte Eingangs- und Ausgangs-Daten) 50 E/A Stationen mit insgesamt 560 EtherCAT Busklemmen 2000 Digitale Analoge I/O, Buslänge 500 m Performance EtherCAT: Update-Zeit 276 µs bei 44% Buslast, Telegrammlänge 122 µs EtherCAT SERCOS III 276 µs 479 µs 56% Bandbreite übrig, z.b. für TCP/IP Profinet IRT 763 µs Pow erlink 2347 µs Profinet I/O 6355 µs EtherCAT Technology Group,

11 Auch langsame Steuerungen profitieren Reaktionszeit mit herkömmlichem Feldbus-E/A: I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task T mpd Bus-Zyklus Bus-Zyklus Bus-Zyklus Bus-Zyklus Bus-Zyklus Bus-Zyklus Bus-Zyklus T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O Eingang (im schlechtesten Fall) Beste Reaktionszeit Schlechteste Reaktionszeit Eingang (im Idealfall) Ausgang T mpd : Verzögerung im Master durch Verarbeitung der Daten T I/O : Lokale I/O Update-Zeit (Lokaler Erweiterungsbus + Firmware) EtherCAT Technology Group,

12 Auch langsame Steuerungen profitieren Systemaufbau mit EtherCAT: I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task keine Master-Anschaltbaugruppe mehr T mpd Bus-Zyklus Bus-Zyklus Bus-Zyklus Bus-Zyklus Bus-Zyklus Bus-Zyklus Bus-Zyklus T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O T I/O kein unterlagerter Erweiterungsbus mehr EtherCAT Technology Group,

13 Auch langsame Steuerungen profitieren Systemaufbau mit EtherCAT: I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task O T DMA (NIC) T EtherCAT Zyklus T DMA = Zeit für Datentransfer vom/zum Ethernet Controller per Direct Memory Access: vernachlässigbar I SPS Task EtherCAT Technology Group,

14 Auch langsame Steuerungen profitieren Reaktionszeit mit EtherCAT: I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task O I SPS Task EtherCAT Bus-Zyklus Eingang (im schlechtesten Falll) Beste Reaktion Schlechteste Reaktion Eingang (im Idealfall) Ausgang Reaktionszeit deutlich verkürzt mit der gleichen Steuerungsleistung keine unterlagerten lokalen E/A-Zyklen oder Erweiterungsbusse mehr Wegen des sehr einfachen Protokolls keine speziellen Master-Systeme (z.b. Einsteckkarten) erforderlich EtherCAT Technology Group,

15 Feldbus: erfordert Mapping in der Steuerung Herkömmliche Feldbussysteme erzeugen physikalisches Prozessabbild Mapping bildet dieses auf logische Prozessabbild(er) ab Steuerung, z.b. SPS DPRAM Feldbus Scanner/Master Knoten 1 E/A Daten Knoten 1 Logisches Prozessabbild PLC Daten NC Daten Knoten 2 Knoten 3 Knoten 4 Knoten 2 Knoten 3 Mapping Knoten 4 EtherCAT Technology Group,

16 Feldbus: erfordert Mapping in der Steuerung Das gleiche gilt auch für Steuerungen mit nur einem Prozessabbild! Umsortieren der Prozessdaten ( Mapping ) ebenfalls erforderlich Steuerung, z.b. SPS DPRAM Feldbus Scanner/Master Knoten 1 Knoten 1 Logisches Prozessabbild Prozess- Daten Knoten 2 Knoten 3 Knoten 4 Knoten 2 Knoten 3 Mapping Knoten 4 EtherCAT Technology Group,

17 EtherCAT: Mapping in Slaves verlagert Master Logisches Prozessabbild bis 4 GByte Daten n PLC Daten NC Daten HDR 1 HDR 2 Ethernet Header ECAT HDR PLC Daten NC Daten E/A Daten Ethernet Datagramm 1 Datagramm 2 Datagramm n HDR 2 Steuerung wird entlastet, Master wird sehr einfach Daten werden je nach Applikationsanforderung übertragen: extrem schnell, flexibel und effizient EtherCAT Technology Group,

18 Direkter Speicherzugriff spart Zeit Feldbuskarten: bis zu 30% der CPU Zeit für das Kopieren von Daten PC Steuerung mit Feldbuskarten Scanner-Karte, DP RAM PCI CPU bus PC RAM Control task memcopy EtherCAT: MAC ist PCI Busmaster, Daten werden per DMA ins PC RAM gestellt: + CPU entlastet + mehr Performance PC Steuerung mit EtherCAT CPU PCI MAC DMA bus PC RAM Control task EtherCAT Technology Group,

19 EtherCAT Laufzeitmessung (1) EtherCAT Knoten misst Zeitdifferenz zwischen abgehendem und zurückkehrendem Frame EtherCAT Frame Bearbeitungsrichtung EtherCAT Frame Weiterleitungsrichtung EtherCAT Technology Group,

20 EtherCAT Laufzeitmessung (2) Laufzeiten zwischen beliebigen Teilnehmern werden berechnet Master IPC EtherCAT Technology Group,

21 Verteilte Uhren (Distributed Clocks) Präzise Synchronisation (<< 1 µs!) durch genauen Abgleich verteilter Uhren (Distributed Clocks) Master IPC M t S S S S S S S EtherCAT Technology Group,

22 Externe Uhrensynchronisation: IEEE 1588 Switchport mit integrierter IEEE 1588 Boundary Clock Master M S S S S S Boundary Clock IEEE 1588 Grandmaster S S EtherCAT Technology Group,

23 Verteilte Uhren Langzeit Scope-Aufnahme: zwei Geräte, dazwischen 300 Knoten m Netzwerk Gleichzeitigkeit: ~15 ns Jitter: ~ +/-20ns EtherCAT Technology Group,

24 EtherCAT ist Industrial Ethernet! EtherCAT verwendet Standard Frames nach IEEE Wahlweise auch über UDP/IP (wenn IP Routing gefragt) keine verkürzten Frames DA Eingebettet in Standard Ethernet Frame, EtherType 0x88A4 Oder: via UDP/IP UDP Port 0x88A4 SA EtherType 11 Bit Length Standard Ethernet Frame Bit 48 Bit 16 Bit 16 Bit Byte Byte 32 Bit Ethernet Header 160 Bit 64 Bit IP Header UDP H. Res. Header DatagrammEthernet 1 Datagramm Daten 2 16 Bit Header 1 Bit 4 Bit Type EtherCAT Telegramm Byte EtherCAT Daten Datagramm n Pad. Pad. CRC CRC EtherCAT Technology Group,

25 EtherCAT ist Industrial Ethernet! volle Durchgängigkeit für TCP/IP alle Internet Technologien verfügbar: HTTP, FTP, ohne Einschränkung der Echtzeiteigenschaften! EtherCAT Slave Gerät Standard TCP/IP Stack TCP Ethernet Anwendung UDP Echtzeit Anwendung IP Mailbox Azyklische Daten EtherCAT MAC / DLL Prozessdaten Ethernet PHY Ethernet PHY EtherCAT Technology Group,

26 EtherCAT ist Industrial Ethernet! Beliebige Ethernet Geräte können an den Switchport angeschlossen werden Zugriff auf Webserver mit Standard-Browser Master Virtuelle Ethernet Switch Funktionalität Switchport Webserver PC/Laptop Drucker EtherCAT Technology Group,

27 EtherCAT ist Industrial Ethernet! Software Ethernet Switch routet Ethernet Frame Zugriff von innerhalb und außerhalb des EtherCAT- Segmentes Master Virtuelle Ethernet Switch Funktionalität Switchport PC/Laptop Drucker Ethernet Switch EtherCAT Technology Group,

28 Switchport: Jedes Ethernet Protokoll möglich TX2 TX3 TX1 Schnittstelle zu beliebigen Ethernet Geräten oder Netzen Ethernet Frame werden in das EtherCAT-Protokoll eingefügt: Ethernet over EtherCAT (EoE) PHY EtherCAT Switchport Ethernet MAC RX1 RX2TXRX RX3 µc Fragmentierung Mailbox TX2 TX3 TX1 RX4 PHY EtherCAT MAC / DLL Prozessdaten PHY EtherCAT Technology Group,

29 Vertikale Integration (1) mittels Switchport Master Switchport + beliebige Ethernet Protokolle können verwendet werden + erfordert nur einen Ethernet Port (auf Master/IPC/SPS) + EtherCAT Performance wird nicht eingeschränkt EtherCAT Technology Group,

30 Vertikale Integration (2)...mittels 2. Ethernet Port Master 2. Ethernet Port + beliebige Ethernet Protokolle können verwendet werden + EtherCAT Performance wird nicht eingeschränkt aber: erfordert zweiten Ethernet Port (auf Master/IPC/Steuerung) EtherCAT Technology Group,

31 Vertikale Integration (3) mittels Switch Master Ethernet Switch + beliebige Ethernet Protokolle können verwendet werden + erfordert nur einen Ethernet Port (auf Master/IPC/Steuerung) aber: Performance durch Verzögerung im Switch eingeschränkt (und durch allgemeine Ethernet Frames) EtherCAT Technology Group,

32 EtherCAT ist flexibler zu Standard Ethernet Topologie: Stern EtherCAT Technology Group,

33 EtherCAT ist flexibler zu Flexible Topologien beliebig erweiterbar Topologie-Varianten wie Linie, Stern, Baum, Daisy Chain + Stichleitungen möglich und beliebig kombinierbar! Bis zu Knoten in jedem EtherCAT-Segment Standard Ethernet Verkabelung Master Linie Stern/Baum Drop Line EtherCAT Technology Group,

34 EtherCAT ist flexibler zu Elektrische Signalvarianten für EtherCAT: 100BASE-TX (bis zu 100 m zwischen 2 Knoten/Geräten) 100BASE-FX (größere Strecken zwischen 2 Knoten/Geräten) LVDS (für modulare Geräte) LVDS* 100 m Master Ethernet auf 100BASE-TX bis zu 100 m mit Transformatorkopplung Ethernet auf LVDS*: Für modulare Geräte Ethernet auf 100BASE-FX (Lichtwellenleiter) für größere Strecken Beliebig viele Wechsel erlaubt! *LVDS: Low Voltage Differential Signaling nach ANSI/TIA/EIA-644, ebenfalls genutzt in IEEE 802.3ae (10Gigabit Ethernet) EtherCAT Technology Group,

35 EtherCAT System Test EtherCAT Geräte in einem Netzwerk EtherCAT Technology Group,

36 EtherCAT statt PCI Investitionsschutz Problemloser Übergang von vorhandenem Feldbus zu EtherCAT Nahtlose Integration und maximale Ausbaufähigkeit des Systems zu vorhandenen Feldbusgeräten, wie z.b.: AS-Interface CANopen CC-Link ControlNet DeviceNet Ethernet/IP FIPIO Interbus IO-Link Lightbus LonWorks Modbus Plus, RTU, TCP MPI PROFIBUS PROFINET IO EtherCAT Technology Group,

37 EtherCAT statt PCI Update-Zeiten im Vergleich: Prozessabbild über PCI (je 500 Byte E/A Daten): 400µs Prozessabbild über EtherCAT (je 1500 Byte E/A Daten): 150µs EtherCAT Technology Group,

38 EtherCAT statt PCI Keine Steckplätze mehr in der Steuerung (IPC oder SPS) erforderlich Trotzdem maximale Erweiterbarkeit EtherCAT EtherCAT Technology Group,

39 EtherCAT ist einfacher zu Adressierung: Keine manuelle Adresseinstellung erforderlich Adressen können automatisch zugeteilt werden Adressen können auch bei nachträglichen Erweiterungen erhalten bleiben > keine Neu-Adressierung EtherCAT Technology Group,

40 EtherCAT ist einfacher zu Topologie: Automatischer Topologie Soll/Ist-Vergleich Diagnose: Diagnose mit exakter Lokalisierung Netzwerkplanung: Performance unabhängig von: Slave-Implementierung Topologie (keine Switches/Hubs) Performance mehr als ausreichend Daher kein Tuning erforderlich EtherCAT Technology Group,

41 EtherCAT ist kostengünstiger (1): Engineering Implementierung / Tools: Standard Netzwerk Monitoring Tools, z.b. MS Network Monitor oder Wireshark: Kostenlos Parser Software: Kostenlos Weniger Aufwand bei der Netzwerkplanung: Einfache Konfiguration Standardeinstellungen sind ausreichend, kein Feintuning notwendig Erweiterte Diagnosemöglichkeiten: Schnellere Fehlersuche führt zu geringeren Ausfallzeiten Schnelleres Setup: Keine manuelle Adressierung notwendig EtherCAT Technology Group,

42 EtherCAT ist kostengünstiger (2): Hardware Master: keine spezielle Einsteckkarte on-board Ethernet Port genügt Slave: kostengünstiger Slave Controller als FPGA oder ASIC kein leistungsstarker µc erforderlich Infrastruktur: keine Switches / Hubs erforderlich Standard Ethernet Kabel und Stecker ausreichend 32 Bit µc EtherCAT Technology Group,

43 EtherCAT ist einfach zu Slave Implementierung: Alle zeitkritischen Funktionen sind als ASIC oder FPGA implementiert: ESC bearbeitet das Echtzeitprotokoll in Hardware Integrierte Kommunikations-Zustandsmaschine Netzwerk-Leistung ist unabhängig von: Slave-Mikrocontroller Protocol Stack Mit oder ohne Mikrocontroller (Host CPU) Integriertes DPRAM (1 8kByte) Integrierte Funktionalität der verteilten Uhren (DC) Hochgenaue Interrupts zum Mikrocontroller EtherCAT Technology Group,

44 EtherCAT Slave Controller: ASIC (1) Name ET1100 ET1200 netx5 Typ ASIC ASIC ASIC Hardware Anbieter Gehäuse BGA128 0,8mm Pitch QFN48 0,5mm Pitch BGA201 0,8mm Pitch Größe 10 x 10 mm 7 x 7 mm 13 x 13 mm µc Anschluss serial/parallel (8/16-bit, async)* serial* serial (SPI), parallel (8/16/32-bit, async) Digitale I/O * 16 DPRAM 8 kbyte 1 kbyte 6 kbyte SyncManager FMMUs Distributed Clocks Ja Ja Ja Anzahl der Ports 2-4 (MII/E-bus)* 2-3 (E-bus/max. 1xMII)* 2 (MII) Besonderheit Routable mit Standard PCB - Multi-Protokoll Unterstützung * konfigurierbar EtherCAT Technology Group,

45 EtherCAT Slave Controller: ASIC (2) Name netx 100 netx 500 netx50 Typ ASIC ASIC ASIC Hardware Anbieter Gehäuse BGA345 1mm Abstand BGA345 1mm Abstand PBGA 1mm Abstand Größe 22x22 mm 22x22 mm 19x19 mm µc Anschluss µc-bus (intern, 32-bit) µc-bus (intern, 32-bit) µc-bus (intern, 32-bit) Digitale I/O 16 (GPIO) 16 (GPIO) 32 (GPIO) DPRAM 256/400 Byte (Mailbox/Prozess Daten) 256/400 Byte (Mailbox/Prozess Daten) 6 kbyte SyncManager FMMUs Distributed Clocks Ja Ja Ja Anzahl der Ports 2 (100BASE-TX) 2 (100BASE-TX) 2 (100BASE-TX) Besonderheit Multi-Protokoll Unterstützung, Integrierte PHYs, ARM-9 µc Multi-Protokoll Unterstützung, Integrierte PHYs, ARM-9 µc Multi-Protokoll Unterstützung, Integrierte PHYs, ARM-9 µc EtherCAT Technology Group,

46 EtherCAT Slave Controller: FPGA Name ET1810/ET1811/ET1812 ET1815/ET1816/ET1817 Typ FPGA + IP Core FPGA + IP Core Hardware Anbieter Gehäuse Cyclone I+II+III, Stratix I+II+III+IV+GX+II GX, Arria GX Spartan 3+3E+3A+3AN+3ADSP, Virtex II+II Pro+II Pro X+4+5 Größe FPGA abhängig FPGA abhängig µc Anschluss seriell/parallel (8/16-bit, async) AVALON * seriell/parallel (8/16bit, async) OPB * Digitale I/O 8-32* 8-32* DPRAM kbyte* kbyte* SyncManager 0 8* 0 8* FMMUs 0 8* 0 8* Distributed Clocks Yes* Yes* Anzahl der Ports 2 (MII) 2 (MII) Besonderheit Verschiedene IP-Core Lizenzmodelle verfügbar Verschiedene IP-Core Lizenzmodelle verfügbar * konfigurierbar EtherCAT Technology Group,

47 EtherCAT einfacher zu : Master Master-Implementierung: z.b. mit Master Sample Code (Quellcode) EtherCAT Konfigurationstool Gerätebeschreibungen in XML-Dateiformat.xml EtherCAT Slave Information (ESI) Files EtherCAT Configuration Tool.xml EtherCAT Network Information (ENI) File optional; for online functionality (e.g. scanning for devices) Process Data (PD) Image description Parser init Realtime Application Realtime Process Data Image cyclic commands EtherCAT Master Driver Network Driver Ethernet Frames Mailbox Services req. resp. acyclic commands Standard Ethernet MAC EtherCAT Technology Group,

48 EtherCAT einfacher zu : Master Einfache Master-Implementierung: Typisch z.b. für Kleinsteuerungen mit einer Steuerungstask Bis 1488 Byte Prozessdatengröße Header für Prozessdatenkommunikation bleibt konstant Ethernet Header DA SA Type ECAT Frame HDR Konstanter Header EtherCAT HDR EtherCAT Telegramm Daten 6 Bit 6 Bit 2 Bit 2 Bit 10 Bit Byte Fertig sortierte (gemappte) Prozessdaten Working Counter: konstant Master mit minimalem Aufwand realisierbar Kein separater Kommunikationsprozessor (z.b. auf Einsteckkarte) erforderlich Viel einfacher als herkömmliche Feldbussysteme Sehr viel einfacher als andere Industrial Ethernet Lösungen WKC 2 Ethernet Pad. FCS Byte Padding Bytes and CRC werden vom Ethernet Controller (MAC) erzeugt EtherCAT Technology Group,

49 EtherCAT ist bewährt Seit 2003 im Serieneinsatz Viele Applikationen Große Produktvielfalt von verfügbaren EtherCAT Geräten EtherCAT Technology Group,

50 EtherCAT verwendet etablierte Geräteprofile Dateisystem, Bootloader Dateizugriff HTTP, FTP, TCP IP UDP Ethernet EtherCAT Slave Mailbox Der SERCOS* Standard IDN Service Kanal IEC IEC EtherCAT Slave Controller Ethernet Physical Layer Anwendung Der CANopen Standard Objektverzeichnis EN IEC IEC Prozessdaten PDO Mapping AT MDT FoE EoE SoE CoE CoE/SoE SDO Prozessdaten *SERCOS interface is a trademark by SI e.v. EtherCAT Technology Group,

51 EtherCAT Geräteprofil-Integration optional HTTP, FTP, EtherCAT Slave Anwendung Geräteprofil- Device Profile Definitionen Definitions TCP UDP IP Ethernet Parameter Azyklische Kommunikation (Explicit Addressing) Zyklische, synchrone Kommunikation (Implicit Addressing) EoE Mailbox CoE/SoE EtherCAT Slave Controller CoE/SoE Prozessdaten Ethernet Physical Layer EtherCAT Technology Group,

52 EtherCAT Antriebsprofil-Integration optional HTTP, FTP, TCP UDP IP Ethernet EtherCAT Slave IDN Service Kanal Anwendung Prozessdaten: AT / MDT Servodrive Profile IEC Mapping auf EtherCAT: IEC IEC ist das SERCOS* Antriebsprofil EoE Mailbox SoE EtherCAT Slave Controller SoE Prozessdaten Ethernet Physical Layer *SERCOS interface ist eine Marke von SI e.v. EtherCAT Technology Group,

53 EtherCAT in der IEC IEC : Generic Interface and use of profiles for power drive systems Annex A: Mapping to DS402 IEC : Profile CiA 402 Mapping to CANopen IEC Mapping to EPL IEC : Interface Definition Annex B: Mapping to CIP IEC : Profile CIP Motion Mapping to EtherCAT Annex C: Mapping to PROFIdrive IEC : Profile Specifications IEC : Profile PROFIdrive IEC : Mapping of Profiles to Network Technologies B... C... Mapping to SERCOS I/II IEC Mapping to SERCOS III Annex D: Mapping to SERCOS* IEC : Profile SERCOS* Mapping to EtherCAT *SERCOS interface ist eine Marke von SI e.v. EtherCAT Technology Group,

54 EtherCAT ist eine offene Technologie Gründung: November 2003 Aufgaben: Unterstützung, Weiterentwicklung und Verbreitung der EtherCAT Technologie Die mittlerweile größte Industrial Ethernet Vereinigung Mehr als 1000* Mitgliedsfirmen aus 45 Länder und 6 Kontinenten: Gerätehersteller Anwender Technologie-Anbieter Mitgliedschaft ist offen für jeden *Stand: April 2009 EtherCAT Technology Group,

55 EtherCAT ist eine offene Technologie Das Protokoll ist vollständig offengelegt: EtherCAT ist IEC, ISO und SEMI Standard (IEC 61158, IEC 61784, ISO 15745, SEMI E54.20) Slave Controller von verschiedenen Herstellern verfügbar Slave Controller gewährleistet Interoperabilität ETG organisiert Interoperabilitäts-Tests ( Plug Fests ), Workshops und Seminare, Konformitäts-Tests und stellt Zertifikate aus EtherCAT Technology Group,

56 EtherCAT ist eine offene Technologie Master Stacks für verschiedene Echtzeitbetriebssysteme verfügbar*, inklusive Open / Shared Source! ecos Intime Linux mit RT-Preempt MICROWARE OS-9 On Time RTOS-32 PikeOS Proconos OS Real-Time Java RMOS RT Kernel RT-Linux RTXC Quadros RTAI Linux QNX VxWin + CeWin VxWorks Windows CE Windows XP/XPE mit CoDeSys SP RTE Windows XP/XPE mit TwinCAT Echtzeit-Erweiterung XENOMAI Linux *Stand Mai 2009 EtherCAT Technology Group,

57 EtherCAT Technology Group und IEC Management Board der IEC hat Liaison der EtherCAT Technology Group mit IEC SC65C WG 11/12/13 + JWG10 bestätigt (SC65C: Digital Communication) ETG ist somit offizieller Normungspartner der IEC EtherCAT Technology Group,

58 ETG Team Weltweit ETG Büro Nordamerika Austin, TX ETG Hauptsitz Deutschland Nürnberg ETG Büro China Beijing ETG Büro Japan Tokyo ETG Büro Korea Seoul EtherCAT Technology Group,

59 ETG Mitglieder Entwicklung Stand April 2009: 1000 Mitgliedsfirmen Nov May-04 Nov May-05 Nov May-06 Nov-06 May-07 Nov May Nov-08 May EtherCAT Technology Group,

60 Mitglieder von 45* Ländern, 6 Kontinenten Australien Kroatien Österreich Tschechische Republik Weißrussland Dänemark Belgien Finnland Bosnien und Herzegovina Frankreich Brasilien Kanada Deutschland China Griechenland Ungarn Indien Israel Italien Japan Korea Liechtenstein Litauen Mexiko Niederlande Neuseeland Norwegen Polen Portugal Rumänien Russland Serbien Singapur Slowakei Slowenien Süd Afrika Spanien Schweden Schweiz Taiwan Thailand Türkei Ukraine Großbritannien USA *Stand April 2009 EtherCAT Technology Group,

61 ETG: Aktive Mitglieder Wichtiger als die Mitgliederzahl: Wie viele sind aktiv, wie viele die Technologie? Dezember 2008: Mehr als 690 Implementatierungs-Kits an ETG Mitgleider verkauft (25% Master, 75% Slaves), und es gibt noch Open + Shared Source Master! SPS/IPC/Drives 2008: 60 Aussteller mit mehr als 180 verschiedenen EtherCAT Geräten auf dem ETG Messestand: 25 verschiedene Antriebe von 16 unterschiedlichen Herstellern in einem EtherCAT Netzwerk in Funktion 15 verschiedene Master in einem Aufbau mit 10 verschiedenen Betriebssystemen in Funktion Sichere Geräte (Master + Slaves) von 2 verschiedenen Herstellern in einem EtherCAT Netzwerk in Funktion Master zu Master and Redundanz Live Demo EtherCAT Technology Group,

62 EtherCAT: Große Anzahl an Produkten E/A, Controller, HMI, Servo-Antriebe, Frequenzumrichter Sensoren, Slave + Master Entwicklungs-Kits Control Panels, Hydraulikventile und Pneumatikventile, EtherCAT Technology Group,

63 Konformität und Interoperabilität Konformität und Interoperabilität sind wichtige Faktoren für den Erfolg einer Kommunikations-Technologie Konformität zur Spezifikation ist eine Pflicht gegenüber allen Nutzer der Technologie Hierzu wird das EtherCAT Conformance Test Tool (CTT) verwendet Test-Szenarios für das CTT werden von der Working Group Conformance innerhalb der ETG Gemeinschaft entwickelt Der EtherCAT Conformance Test prüft offiziell die Konformität bei einem akkreditierten EtherCAT Test Center (ETC) Bei erfolgreichem Conformance Test stellt die ETG ein Zertifikat aus, welches die Konformität bestätigt EtherCAT Technology Group,

64 Safety-over-EtherCAT: Eigenschaften (1) Safety-over-EtherCAT (FSoE) definiert einen sicheren Kommunikationslayer für die Übertragung von sicheren Prozessdaten zwischen Safety-over-EtherCAT Geräten FSoE ist eine offene Technology innerhalb der EtherCAT Technology Group (ETG) Das Protokol ist gemäß der IEC entwickelt Geeignet bis Safety Integrity Level (SIL) 3 Restfehlerwahrscheinlichkeit R(p) < 10-9 /h Protokoll-Spezifikation durch den TÜV Süd Rail GmbH geprüft und bestätigt Zertifizierte Produkte mit Safety-over-EtherCAT sind seit 2005 verfügbar und seit 2006 im Einsatz EtherCAT Technology Group,

65 Safety-over-EtherCAT: Eigenschaften (2) FSoE Frame wird in die zyklischen PDO gemappt Minimale FSoE Framelänge: 6 Byte Maximale FSoE Ramenlänge: Abhängig von der Anzahl der sicheren Prozessdaten der Slave Geräte Deshalb eignet sich das Protokoll für sichere E/A, wie auch für funktionale Sicherheit bei Antrieben Übertragung der sicheren Daten wird vom FSoE Master zum FSoE Slave sowie in entgegengesetzter Richtung bestätigt Sichere Geräteparameter können während des Aufstartens der sicheren Verbindung vom Master in den Slave geschrieben werden EtherCAT Technology Group,

66 Safety-over-EtherCAT: Eigenschaften (3) Die FSoE-Spezifikation enthält keine Einschränkungen bezüglich: Kommunikationsmedium: Das Kommunikationsmedium geht nicht in die Berechnung mit ein Schwarzer Kanal (angenommene Rest-Bitfehlerrate: p = 10-2 /Stunde Übertragungsrate: In der Berechnung der Restfehlerwahrscheinlichkeit kürzt sich die Übertragungsrate raus Länge der sicheren Prozessdaten: Die Länge der sicheren Prozessdaten ist beliebig EtherCAT Technology Group,

67 Safety-over-EtherCAT: Weiterleitung Weiterleitung über unsichere Gateways möglich Weiterleitung über Feldbusse möglich Eine Sicherheitstechnologie für die meisten (Feld)Bus-Systeme EtherCAT Technology Group,

68 Safety-over-EtherCAT: Software-Architektur Ansatz: EtherCAT wird als Schwarzer Kanal betrachtet Sichere und unsichere Daten auf einer Leitung Sicherheits Anwendung Gerät 1 Standard Anwendung Standard Anwendung Gerät 2 Sicherheits Anwendung Safety-over- EtherCAT Protokoll Safety-over- EtherCAT Protokoll Safety- over- EtherCAT EtherCAT Protokoll EtherCAT Protokoll EtherCAT DLL und AL EtherCAT Telegramm Container mit sicheren Prozessdaten und notwendiger Datensicherung (FSoE Frame) EtherCAT Technology Group,

69 Safety-over-EtherCAT: Hardware-Architektur Einkanalige Übertragung Modell A entsprechend der IEC Anhang A Controller A FSoE Protokoll Controller A Safety Protocol Gerät 1 Controller B FSoE Protokoll Controller B Safety Protocol EtherCAT Slave Controller PHY Trafo PHY Trafo Controller B FSoE Protokoll Controller A Safety Protocol EtherCAT Slave Controller PHY Trafo PHY Trafo RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 Gerät 2 Controller A FSoE Protokoll Controller B Safety Protocol EtherCAT Technology Group,

70 Safety-over-EtherCAT: Frame-Struktur EtherCAT Telegramm Ethernet Header CMD Sichere Daten EtherCAT Header CRC_0 1. Datagramm 2. Datagramm n. Datagramm FSC Safety-over-EtherCAT Frame Sichere Daten CRC_1 Conn ID Safety-over-EtherCAT Frame Der FSoE-Frame ist ein Datencontainer, welcher in die Prozessdaten des Gerätes gemappt wird Ein neuer FSoE-Frame wird erkannt, wenn sich mindestens ein Bit im Vergleich zum letzten Frame geändert hat Für jeweils 2 Byte sichere Daten wird eine Checksumme (CRC) von 2 Byte berechnet Es können beliebig viele sichere Daten übertragen werden EtherCAT Technology Group,

71 Safety-over-EtherCAT: Fehlerbeherrschung Fehler Maßnahme Reihenfolge Watchdog Connection ID CRC Berechnung Unbeabsichtigte Wiederholung Verlust Einfügen Falsche Reihenfolge Datenverfälschung Verzögerung Maskerade Wiederkehrende Speicherfehler Falsche Weiterleitung EtherCAT Technology Group,

72 Safety-over-EtherCAT: Systembeispiel Dezentrale Sicherheitslogik Standard SPS sorgt für den Datenaustausch Standard SPS Sichere Eingänge Sichere Ausgänge S S Sichere Antriebe Sicherheitslogik S S EtherCAT Technology Group,

73 Safety-over-EtherCAT: Vorteile Integrierte Lösung: Sichere und Standard-Kommunikation auf einer Leitung Weniger Schnittstellen und Feldbus-Systeme Zentrale Konfiguration, Diagnose und Wartung für sichere und unsichere E/A in einem Tool Keine Einschränkung der Datenlänge Sicherheits-Applikationen nutzt die Vorteile von EtherCAT: Hohe Performance und kurze Reaktionszeiten Annähernd unbeschränkte Anzahl von Teilnehmern Große Netzwerkausdehung Optionale Leitungsredundanz Große Flexibilität durch Hot-Connect Funktionalität EtherCAT Technology Group,

74 EtherCAT: Hoch verfügbar Kabel- bzw. Leitungsredundanz 2ter Ethernet Port im Master ausreichend Gerätetausch bei laufendem Netzwerk Hot Connect von Netzwerksegmenten Master-Redundanz mit Hot-Stand-By Hot Connect Gruppe Master EtherCAT Technology Group,

75 Ohne Redundanz: Normalbetrieb EtherCAT Master RX Unit TX Unit RX TX MAC 1 RX TX Slave 1 RX TX Slave 2 RX TX Slave N RX TX TX RX TX RX TX RX EtherCAT Technology Group,

76 Ohne Redundanz: Kabelbruch EtherCAT Master RX Unit TX Unit RX TX MAC 1 RX TX Slave 1 RX TX... Slave 2 RX TX Slave N-1 RX TX... Slave N RX TX TX RX TX RX TX RX TX RX EtherCAT Technology Group,

77 Ohne Redundanz: Teilnehmerausfall EtherCAT Master RX Unit TX Unit RX TX MAC 1 RX TX Slave 1 RX TX... Slave 2 RX TX Slave N-2 RX TX Slave N-1 RX TX... Slave N RX TX TX RX TX RX TX RX TX RX TX RX EtherCAT Technology Group,

78 Mit Redundanz: Normalbetrieb EtherCAT Master RX Unit TX Unit RX TX MAC 1 MAC 2 2. Ethernet Port im Master ausreichend Keine spezielle Karte notwendig RX TX RX TX Slave 1 RX TX TX RX... Slave 2 RX TX TX RX... Slave N RX TX TX RX EtherCAT Technology Group,

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