EtherCAT Kosten senken mit Highspeed-Ethernet

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1 EtherCAT Kosten senken mit Highspeed-Ethernet

2 Der Echtzeit-Ethernet-Feldbus für die Autom Echtzeit-Ethernet bis zur I/O-Ebene Geringe Systemkosten Flexible Topologie Maximale Performance Einfache Konfiguration Feldbussysteme integrierbar Safety-Geräte integrierbar 2 Große Komponenten-Auswahl Hervorragende Diagnose

3 atisierung Ethernet bis in die Klemme Vollduplex- Ethernet im Ring, ein Telegramm für viele Teilnehmer. Anschluss direkt am Standard- Ethernet-Port. 3 BECKHOFF New Automation Technology

4 Automation Motion Control Messtechnik Schnell, flexibel, präzise, kostenoptimiert Id Digital-I/Os alle 30 µs 200 Analog-I/Os (16 Bit) alle 50 µs 100 Servoachsen alle 100 µs Synchronisiergenauigkeit besser 1 µs Einfachste Parametrierung beckhoff.de/ethercat

5 Safety EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ist die Ethernet-Lösung für die Industrieautomatisierung, die sich durch überragende Performance und besonders einfache Handhabung auszeichnet. eal auch für Ihre Anwendung Highlights Ethernet bis in die Klemme vollständige Durchgängigkeit Ethernet-Prozessinterface, skalierbar von 1 Bit bis 60 kbyte Topologie Linien-, Baum- oder Sterntopologie, bis zu Teilnehmer Netzwerkausdehnung: nahezu unbeschränkt (> 500 km) Hot-Connect/Disconnect von Bussegmenten Kostenvorteile kein Netzwerktuning mehr: niedrige Engineering-Kosten harte Echtzeit mit Software-Master: Verzicht auf Einsteckkarten keine aktiven Infrastruktur-Komponenten (Switche etc.) erforderlich Ethernet-Kabel- und Steckerkosten: niedriger als beim Feldbus EtherCAT bis in die I/O-Klemme: keine aufwendigen Buskoppler mehr niedrige Anschaltkosten dank hochintegrierter EtherCAT Slave Controller Protokoll optimiertes Protokoll direkt im Ethernet-Frame, Verarbeitung im Durchlauf vollständig in Hardware implementiert Distributed-Clock für präzise Synchronisation Time-Stamping und Oversampling für hochauflösende Messungen Oversampling-Data-Types für hochauflösende Messungen Schnittstellen Switchport-Klemme für Standard-Ethernet-Geräte Feldbusklemmen für Feldbusgeräte Kommunikationsgateways Offenheit vollständig Ethernet-kompatibel Betrieb an Switchen und Routern möglich auch Mischbetrieb mit anderen Protokollen Internettechnologien (Webserver, FTP etc.) EtherCAT ist IEC-, ISO- und SEMI-Standard. unterstützt von der EtherCAT Technology Group, der weltgrößten Industrial Ethernet Organisation 5 Technische Änderungen vorbehalten BECKHOFF New Automation Technology

6 EtherCAT-Technologiegrundlagen Echtzeit-Ethernet: Ultra-Highspeed bis zur Klemme Überragende Performance, flexible Topologie und einfache Konfiguration kennzeichnen EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology), die Echtzeit-Ethernet-Technologie von Beckhoff. Wo herkömmliche Feldbussysteme an ihre Grenzen kommen, setzt EtherCAT neue Maßstäbe: verteilte I/Os in 30 µs; nahezu unbeschränkte Netzwerkausdehnung und, dank Ethernet- und Internettechnologien, optimale vertikale Integration. Mit EtherCAT kann die aufwändige Ethernet-Sterntopologie durch eine einfache Linien- oder Baumstruktur ersetzt werden teure Infrastrukturkomponenten entfallen. Dabei können beliebige Ethernet-Geräte via Switch oder Switchport integriert werden. Während andere Echtzeit- Ethernet-Ansätze spezielle Anschaltungen in der Steuerung erfordern, kommt EtherCAT mit äußerst kostengünstigen Standard-Ethernet-Schnittstellen aus. Funktionsprinzip Mit der EtherCAT-Technologie überwindet Beckhoff Begrenzungen anderer Ethernet- Lösungen: Das Telegramm wird nicht mehr in jeder Anschaltung zunächst empfangen, dann interpretiert und die Prozessdaten weiter kopiert. Der EtherCAT Slave Controller in jedem Teilnehmer bis hinunter zur I/O-Klemme entnimmt die für das Gerät bestimmten Daten, während das Telegramm durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in den Datenstrom eingefügt. Die Telegramme werden, bei einer Verzö gerung um nur wenige Bitzeiten, bereits weitergeschickt. Der Slave erkennt für sich bestimmte Kommandos und führt sie entsprechend aus. Der Vorgang findet hardwareimplementiert im Slave Controller statt und ist daher unabhängig von den Softwarelaufzeiten der Protokollstacks oder der Prozessorleistung. Der letzte EtherCAT- Slave im Segment schickt das bereits vollständig verarbeitete Telegramm zurück, sodass es vom ersten Slave quasi als Antworttelegramm zur Steuerung gesendet wird. Ethernet bis in die Klemme Das Ethernet-Protokoll bleibt bis in jeden Teilnehmer und damit bis in die einzelne I/O- Klemme erhalten, der Sub-Bus entfällt. Lediglich die Übertragungsphysik wird im Koppler von 100BASE-TX oder -FX auf E-Bus gewandelt, um den Anforderungen der elektronischen Reihenklemme gerecht zu werden. Die E-Bus-Signalform (LVDS) innerhalb der Klemmenreihe wird bei Ethernet z.b. auch für 10-GBit genutzt. Am Ende der Klemmenreihe wird die Busphysik wieder auf 100BASE-TX- Standard gewandelt. Als Hardware in der Steuerung kommt der bereits vorhandene Ethernet-Controller zum Einsatz. Der Datentransfer in der Steuerung erfolgt per DMA (Direct-Memory-Access): Dadurch wird keine CPU-Performance für den Netzwerkzugriff abgezweigt. Dieses Prinzip verwenden auch die Beckhoff- Multiportkarten, die bis zu vier Ethernet-Kanäle auf einem PCI- Steckplatz bündeln. Distributed-Clock Der exakten Synchronisierung kommt immer dann eine besondere Bedeutung zu, wenn räumlich verteilte Prozesse gleichzeitige Ak tionen erfordern. Der leistungsfähigste Ansatz zur Synchronisierung ist der exakte Abgleich verteilter Uhren. Bei EtherCAT basiert der Datenaustausch vollständig auf einer reinen Hardwaremaschine. Da die Kommunikation eine logische (und dank Vollduplex-Fast- Ethernet auch physikalische) Ringstruktur nutzt, kann die Mutter-Uhr den Laufzeitversatz zu den einzelnen Toch- EtherCAT Slave Controller (ESC) EtherCAT ist nicht nur außerhalb des I/O-Gerätes schneller, sondern auch innerhalb: Digitale I/Os werden direkt vom ESC bedient, ohne Verzögerungen durch lokale Firmware und unabhängig von der installierten µc-performance. Optimiertes Protokoll Telegrammbearbeitung vollständig in Hardware integriert Vom Master Zum Master 6

7 ter-uhren einfach und exakt ermitteln. Auf Basis dieses Wertes werden die verteilten Uhren nachgeführt, und es steht eine hochgenaue, netzwerkweite Zeitbasis zur Verfügung, deren Jitter deutlich unter einer Mikrosekunde beträgt. Hochauflösende verteilte Uhren dienen aber nicht nur der Synchronisierung, sondern können auch exakte Informationen zum lokalen Zeitpunkt der Datenerfassung liefern. Dank neuer, erweiterter Datentypen lässt sich ein Messwert mit einem hochgenauen Zeitstempel versehen. Safety-over-EtherCAT Zur Realisierung einer sicheren Datenübertragung für EtherCAT ist das Protokoll Safety-over- EtherCAT offen gelegt. Das Protokoll hält die Anforderungen der IEC bis zum Safety- Integrity-Level (SIL) 3 ein; dies wurde vom TÜV bestätigt. EtherCAT wird als einkanaliges Kommunikationssystem genutzt; das Transport medium wird dabei als Black Channel betrachtet und nicht in die Sicherheitsbetrachtung einbezogen. Damit ist das Protokoll auch geeignet, über andere Kommunikationssysteme, Backplans oder WLAN über tragen zu werden. Der Über tragungszyklus kann beliebig kurz gewählt werden, ohne die Restfehlerwahrscheinlichkeit zu beeinflussen. Der zyklische Austausch der sicheren Daten zwischen einem Safety-over- EtherCAT-Master und einem Safety-over-EtherCAT-Slave wird als Connection bezeichnet, die über einen Watchdog-Timer überwacht wird. Ein Master kann mehrere Connections zu verschiedenen Slaves aufbauen und überwachen. Kosten EtherCAT realisiert Kostenvorteile auch gegenüber den klassischen Feldbussystemen: auf spezielle Hardware im Master wird verzichtet, selbst ein Kommunikations-Coprozessor ist nicht erforderlich. Im Slave arbeitet ein kostengünstiger EtherCAT Slave Controller sämtliche zeitkritischen Aufgaben ab, sodass kommunikationsseitig keinerlei Anforderungen an die Prozessorleistung gestellt werden: niedrige Anschaltkosten sind die Folge. Industrial- Ethernet-Kabel und -Stecker genügen, diese sind kostengünstiger als vergleichbare Feldbuskomponenten. Aktive Infrastrukturgeräte wie etwa Switche werden nicht benötigt. Damit werden auch die dazugehörigen Stromversorgungen, die Installation sowie die Parametrierung eingespart. Da EtherCAT so ultraschnell ist, entfällt auch das bei Feldbussen häufig erforderliche Netzwerk-Tuning. Und weil die Adresseinstellung automatisch erfolgen kann, entfallen zudem die damit verbundenen Kosten. Protokollstruktur Die Prozessabbildzuordnung ist frei konfigurierbar. Daten werden direkt in der I/O-Klemme an die gewünschte Stelle im Prozessabbild kopiert: Zusätzliches Mapping ist überflüssig. Sehr großer logischer Adressraum von 4 Gigabyte. Distributed-Clock Dezentrale absolute Systemsynchronisation für CPU, I/O und Antriebsgeräte M Δt S Ethernet HDR HDR 1 Data 1 HDR 2 Data 2 HDR n Data n CRC Logisches Prozessabbild: bis 4 GByte Datagramm 1 Datagramm 2 Datagramm n S S S S S S 7 Technische Änderungen vorbehalten BECKHOFF New Automation Technology

8 Beckhoff-EtherCAT-Produkte Ein durchgäng Automation IPC TwinCAT Steuerungssoftware (SPS, Motion Control, EtherCAT-Master) Echtzeit unter Microsoft Windows mit Zykluszeiten bis 50 µs Programmierung nach IEC Industrie-PCs Industrie-PC mit Echtzeit- Motherboards kompakte Formfaktoren, optimiert für Steuerungsanwendungen Embedded-PCs Embedded-PC für die Hutschienenmontage direktes I/O-Interface für EtherCAT- und Busklemmen 8 beckhoff.de/twincat beckhoff.de/embedded-pc beckhoff.de/ipc

9 iges System! I/O Motion EtherCAT-Klemmen EtherCAT bis zur I/O- Klemme gesamte Breite des I/O-Spektrums für alle Signaltypen Busklemmen/Feldbus Box offene I/O-Systeme in IP 20 und IP 67 Feldbusinterface für EtherCAT große Vielfalt an I/O- Signaltypen Servoverstärker AX und 2-Kanal-Servoverstärker mit schneller Regelungstechnik Highspeed-EtherCAT-Systemkommunikation variables Motorinterface/Weitspannungsbereich beckhoff.de/ethercat_io beckhoff.de/feldbusbox beckhoff.de/ax Technische Änderungen vorbehalten BECKHOFF New Automation Technology

10 Designfreiheit durch flexible Topologie Flexible Topologie IPC Ethernet TCP/IP Automatisierungssuite, EtherCAT-Master Bus/Linie Industrial-Ethernet-Kabel (100BASE-TX) 100 m Lichtwellenleiter (100BASE-FX) m Baum/Stern Feldbus- Integration 10

11 IPC EtherCAT-Bridge IPC E-Bus K-Bus IPC Redundanz IPC Safety input/output Safety 11 Technische Änderungen vorbehalten BECKHOFF New Automation Technology

12 EtherCAT-I/Os Hervorragende Echtzeiteigen EtherCAT bis in die Klemme: Das EtherCAT-Protokoll bleibt bis in jeden Teilnehmer er halten, der Sub-Bus entfällt. EtherCAT-Klemmen Status-LED für die sichere Inbetriebnahme Reihenklemmenbauform B x H x T (mm): 12 x 100 x 68 Embedded-PC mit direktem E-Bus-Interface Investitionsschutz: Feldbusgeräte werden durch dezentrale Feldbus-Master-/Slaveklemmen integriert. Beliebige Ethernet- Geräte können dezentral über Switchportklemmen ange - schlossen werden. 12 Kompatibilität und Durch gängigkeit: Neben den EtherCAT-Klemmen lassen sich auch die bewährten Standard-Busklemmen über den Buskoppler BK1120 anschließen. beckhoff.de/ethercat/ios

13 schaften bei niedrigen Kosten Kostengünstige Verkabelung: Industrial-Ethernet-Kabel (min. CAT5). Abstand zwischen I/O-Stationen bis zu 100 m. Die Netzausdehnung ist nahezu unbeschränkt, da bis zu Teilnehmer angeschlossen werden können. Die EtherCAT-Klemmen vom Typ ES enthalten eine steckbare Anschluss ebene. Flexibilität bei der Verdrahtung: Linien- und Baumtopologien frei wähl- und kombinierbar. Die Adressvergabe erfolgt automatisch. Die Übertragungsphysik wird im EtherCAT- Koppler von Twisted-Pair (100BASE-TX) auf E-Bus gewandelt. Safety integriert: TwinSAFE-Klemmen ermöglichen den Anschluss von Sicherheits sensoren und -Aktoren. Busklemmen 13 BECKHOFF New Automation Technology

14 Prozessoptimierung Highend-Messtechnik Hohe Präzision EtherCAT Noch schneller durch XFC XFC basiert auf einer optimierten Steuerungsund Kommunikationsarchitektur: Moderner Industrie-PC Ultraschnelle I/O-Klemmen Highspeed-Ethernet EtherCAT Automatisierungssoftware TwinCAT 14

15 Kostenreduzierung Mit der XFC-Technologie (extreme Fast Control Technology) präsentiert Beckhoff eine extrem schnelle Steue rungslösung: Mit XFC ist es möglich, I/O-Response-Zeiten < 100 µs zu realisieren. Diese Techno logie eröffnet neue Mög lichkeiten der Prozessoptimierung, die bisher technisch bedingt nicht möglich waren. Kostenvorteile durch XFC Erhöhung des Maschinen- und Anlagendurchsatzes, da Signalwartezeiten drastisch reduziert werden schnellere Bewegungsabläufe möglich Condition-Monitoring mit Standard-Steuerung Standard-I/O statt teurer dezentraler Spezial-Controller Standard-I/O statt teurer Messtechnik-Schnittstellen Messtechnik in Steuerung integriert, kein separates System erforderlich Extrem kurze Zykluszeit der Steuerung neue Leistungsklasse für SPS-Anwendungen: ab 50 µs Extrem schnelle I/O-Ansprechzeit ab 85 µs (min. ~ 50 µs) Deterministisch synchronisierte Konvertierung des Eingangs- und Ausgangssignals führt zu geringerem Prozess-Timing-Jitter. Dieser ist unabhängig von Kommunikations- und CPU-Jitter. Distributed-Clocks dezentrale absolute System synchronisa tion für CPU, I/O und Antriebsgeräte Auflösung: 10 ns, Genauigkeit < 100 ns Signal Oversampling mehrfache Signalkonvertierung in einem Steuerungszyklus harte Zeitsynchronisation durch Distributed-Clocks für digitale/analoge Eingangs-/Ausgangssignale Abtastraten bis 100 khz (analog) bzw. 500 khz (digital) Anwendung schnelles Signal-Monitoring, schneller Signalgenerator ausgang Signalabtastung unabhängig von Zykluszeit schnelle Regelungen beckhoff.de/xfc Signal Zeitstempel (Auflösung 10 ns) exakte Zeitmessung der Flanken dezentraler digitaler Eingänge exaktes Timing dezentraler Aus gangs signale, unabhängig vom Steuerungszyklus 15 Technische Änderungen vorbehalten BECKHOFF New Automation Technology

16 EtherCAT Technology Group In der EtherCAT Technology Group (ETG) haben sich Automatisierungsanwender und Gerätehersteller zusammengeschlossen, um die EtherCAT-Technologieentwicklung zu unterstützen. Im Konsortium ist eine große Bandbreite von Branchen und Anwendungsfeldern vertreten. So wird gewährleistet, dass die EtherCAT-Technologiefunktionen und Schnittstellen ideal für vielfältigste Applikationen vorbereitet sind. Die Organisation sorgt dafür, dass sich EtherCAT einfach und kostengünstig in einer Vielfalt von Automatisierungsgeräten integrieren lässt und stellt auch die Interoperabilität der Implementierungen sicher. Die EtherCAT Technology Group wurde im November 2003 gegründet und hat über 850 Mitgliedsfirmen aus 44 Ländern. Weitere Informationen siehe Beckhoff Automation GmbH Eiserstraße 5, Verl, Telefon: + 49 (0) / , Fax: + 49 (0) / info@beckhoff.de, Beckhoff, TwinCAT, EtherCAT, Safety over EtherCAT, TwinSAFE und XFC sind Marken von Beckhoff. Die übrigen Marken in dieser Druckschrift können Marken sein, deren Benutzung durch Dritte für deren Zwecke die Rechte der Inhaber verletzen kann. Beckhoff Automation 2008, Änderungen vorbehalten. Die Informationen in dieser Broschüre enthalten lediglich allgemeine Beschreibungen bzw. Leistungsmerkmale, welche im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der beschriebenen Form zutreffen bzw. welche sich durch Weiterentwicklung der Produkte ändern können. Die gewünschten Leistungsmerkmale sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragsabschluss ausdrücklich vereinbart werden. EtherCAT Technology Group