EtherNet der bessere Feldbuss ?
Performance
40 Achsen mit je 20 E/A Bytes
50 E/A Stationen mit insgesamt 560 lokalbus Teilnehmer
2000 Digitale und 200 Analoge I/O 500m Buslänge
Ethercat 276 microsek.
Profinet IRT 768 microsek.
Powerlink v2 2368 microsek.
Bezüglich einbindung andere Bussysteme zielte ich eigentlich auf Powerlink !
Das Ethernet Redundanzkonzept ist leider ein sehr altes Konzept
(grosse Einschränkung)
Diese Redundanz ist eine, die man seit ca 15 Jahren bei Feldbussystemen anwendet, und meiner Meinung nicht wirklich zeitgemäß ist.
Redundanz über den Master
Vom Master ausgehend gibt es zwei Ethernetabgänge die je nach
unterbrochene Seite im Ring !! über die jeweilige Seite weiter kommunizeren (Habe schon besseres gesehen)
Doch letztendlich bleibt es technisch ein Ring und ermöglicht nicht wirklich
freie Topologien mit beliebiger anzahl an Redunanten Sub-Ringen
Wie sieht es denn aus mit mehreren Controller im selben IO-Netz
Bei Profinet ist das kein Problem, das mehere Controller im selben Netz
direkt auf verschiedene IO-Stationen zugreifen
Es ist kein Single-Master-Slave Konzept
Es ist sogar möglich innerhalb einer IO-Station verschiedenen Controller
die IO's zuzuordnen.
Aber jeder Hersteller hat Vor und Nachteile
Trotzdem muss man sagen das Ethercat ansich eine tolle Sache ist
EtherCat ist unbestritten der schnellste INTERBUS dem man je realisierte
Mich wundert es trotzdem das Phoenix Contact auf eine Patent-Klage verzichtet hat.
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Information:
Powerlink:
Das Echtzeitverhalten vom klassischen Ethernet wird durch das stochastische Zugangsverfahren CSMA/CD eingeschränkt. Mit EtherCAT und Ethernet-Powerlink werden diese Einschränkungen unter Beibehaltung des Ethernet-Konzeptes umgangen. Da Echtzeit-Ethernet für die Automation und Produktion besonders wichtig sind, sind auch hier die Einsatzgebiete von Ethernet-Powerlink (EPL) zu sehen. Ethernet-Powerlink ist ein Layer-2-Protokoll nach IEEE 802.3u, das deterministischen Echtzeit-Datenaustausch über Fast-Ethernet ermöglicht. Es basiert
auf einer Hub-Struktur und nutztdas Ethernet-Frame und auch die Komponenten von Fast-Ethernet. Wie andere Feldbusse auch kann Ethernet-Powerlink von der Sensor-Aktor-Ebene, der so
genannten Feldebene, bis hin zur Leitebene eingesetzt werden. Die einzelnen Komponenten sind über IP-Adressen über alle Ebenen hinweg, unternehmensweit und über das Internet ansprechbar.
Ethernet-Powerlink arbeitet im Master-Slave-Betrieb mit einem isochronen
Zeitschlitzverfahren und unterstützt den Datentransport mittels IP-, UDP- und TCPProtokoll. Dieses einfache Zugangsverfahren, das Slot Communication Network Management (SCNM), bildet die Grundlage für den Determinismus. Dabei verteilt die Managing Node (MN), die die Funktion des Managers innehat, die Zugangsberechtigung der Teilnehmer auf das Medium. Sie verhindert Kollisionen und gibt den Zeittakt für die Synchronisation aller Teilnehmer vor. Die Geräte, die im EPLKonzept
als Controlled Node (CN) bezeichnet werden, senden nur dann, wenn sie
vom Manager dazu aufgefordert werden. Das EPL-Protokoll ist ein deterministisches Zugangsverfahren, das in einem
abgegrenzten Netzwerk-Segment, der Realtime-Domain, abläuft. Der zeitkristische Datenverkehr erfolgt im sogenannten Protected Mode. In dieser Betriebsart können Zykluszeiten von 1 ms bei über 30 Stationen und 46 Byte Nutzdaten realisiert werden. Der weniger zeitkrische Datenverkehr wird nicht in dieser Netzwerk-Domäne abgewickelt und belastet dadurch auch nicht das Realtime-Segment. An die Realtime-Domäne können bis zu 240 Stationen angeschlossen werden. Die Frame-Länge der EPL-Telegramme kann bis zu 1.500 Byte betragen, die Zykluszeiten liegen bei Telegrammen in Standardlänge bei etwa 100 Mikrosekunden.
Von der Topologie her sind für EPL alle Varianten denkbar, außerdem kann ein solches Netzwerk mit Hubs und Routern erweitert und an andere IP-Netze angebunden werden. In der Anwendungsschicht setzt Ethernet-Powerlink auf CANopen. Die Aktivitäten von Ethernet-Powerlink werden von der Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG) vorangetrieben.
Das EPL-Protokoll ist ein deterministisches Zugangsverfahren für Ethernet-
Powerlink (EPL). Da Ethernet-Powerlink in Automatisierungs-,
Produktions- und Fertigungsumgebungen eingesetzt wird, fallen
zeitkritische Daten an, die mit definerter Vorhersagbarkeit
übertragen werden müssen. Zu diesem Zweck arbeitet Ethernet-
EPL-Protokoll EPL protocol Struktur des Ethernet-Powerlink
Zykluszeit von Ethernet- Powerlink in Abhängigkeit
von der Stationszahl Powerlink mit einen abgegrenzten Realtime-Domäne, einem speziellen Netzwerk-Segment über das der der zeitkrische Datenverkehr abgewickelt wird. An ein solches Realtime-Segment können bis zu 240 Controlled Node (CN), das ist die Bezeichnung
für die Stationen, angeschlossen werden. Das EPL-Protokoll ist ein zyklisches Zugangsverfahren, das sicherstellt, dass alle
Controlled Nodes mit einer zeitlichen Verzögerung von unter einer Mikrosekunde zueinander synchronisiert sind.
Beim EPL-Protokoll sendet die Managing Node einen Startzyklus (SoC) als Broadcast über die Realtime-Domäne und überprüft damit das Zeitverhalten. Dieser Startzyklus kennzeichnet den Beginn der streng deterministischen Zyklusperiode, bei dem der Managing Node im Unicast an alle Controlled Nodes einen Sendeaufruf sendet, die dann mit einer entsprechenden Response-Nachricht ihre Sendebereitschaft
dokumentieren. Da das Poll-Response im Multicast gesendet wird, empfangen es alle Controlled Nodes und können ihren Sendewunsch zurückstellen. Die Übertragung der zeitkritischen Daten erfolgt isochron in Zeitfenstern. Jeder Station wird dabei ein Zeitfenster zugeordnet. Während dieser Periode können die Knoten IPTelegramme,
das sind die aus der Datenkommunikation bekannten Datagramme, in
dem der Station zugeordneten Zeitfenster senden. Einzelne Zeitfenster können im Multiplex mehreren Stationen zugeordnet werden.
Der isochronen Übertragung folgt ein Zeitfenster für asynchrone Daten. Dies sind zeitunkritische Diagnose- und Messdaten. In einem Übertragungszyklus wird jeweils nur ein Zeitfenster für asynchrone Daten einer einzelnen Station zugeordnet. Die Zuordnung der Zeitfenster übernimmt die Managing Node, die die Anfragen der einzelnen Stationen nach Prioritäten gliedert. Für sicherheitskritische Anwendungen gibt es die Protokollversion EPLsafety. Die Safety-Lösung wurde aber von KW-Software entwickelt
Ethercat
Die Verkürzung der Durchlaufzeiten wird beim EtherCAT-Protokoll dadurch erreicht,dass die Telegramme, das sind die aus der Datenkommunikation bekannten Datagramme, nach dem Empfang nicht mehr interpretiert und kopiert werden, sondern “On-the-Fly” verarbeitet werden; also quasi im Vorbeifliegen. Dabei werden die UDP-Telegramme, die an eine so genannte Fieldbus Memory Management Unit (FMMU) adressiert sind, von dieser gelesen, während das Telegramm zur nächsten Station oder Steuergerät weitergeleitet wird. Auf ähnliche Weise werden Eingangsdaten eingefügt während das Telegramm die Station passiert. Dadurch liegen die Verzögerungszeiten der Datentelegramme bei wenigen Nanosekunden (ns).
EtherCAT arbeitet im Master-Slave-Betrieb; masterseitig kommen in der EtherCATTopologie kommerziell verfügbare Netzwerkkarten (NIC) oder On-Board-Controller zum Einsatz. Durch die FMMUs in den Slave-Knoten und den direkten Speicherzugriff (DMA) über die Netzwerkkarten, ist der komplette Prozess hardware-orientiert und unabhängig von Laufzeiten durch Protokollstacks, von CPU-Performance oder Software-Implementierungen. So beträgt die Aktualisierungszeit von 1.000 verteilten I/Os nur 30 Mikrosekunden. Innerhalb eines Ethernet-Telegramms können bis zu 1.486 Byte an Prozessdaten übertragen werden und das in einer Datentransferzeit von 300 Mikrosekunden. Voraussetzung für diese kurzen Transferraten ist eine exakte Synchronisation der verteilten Prozesse. Diese wird durch die genaue Ausrichtung des verteilten
Taktsignals erreicht, wie es im Standard IEEE 1588 beschrieben ist.
Von der Funktion her ist EtherCAT vergleichbar einem einzelnen großen Ethernet-Teilnehmer, der Ethernet-Datagramme, in Feldbussen auch als Telegramme bezeichnet, sendet und empfängt. Ein solcher Ethernet-Teilnehmer besteht aus vielen EtherCAT-Slaves, die die Telegramme während des Durchflusses bearbeiten indem sie für den jeweiligen Slave bestimmte Nutzdaten aus dem EtherCAT-Frame herausnehmen oder einfügen und gleichzeitig das Datagramm an die folgende Station
weiterleiten. Die Slaves können untereinander direkt, im Multicast und im Broadcast kommunizieren. Das EtherCAT-Protokoll verwendet Ethernet-Telegramme, das sind die aus Ethernet bekannten Ethernet-Frames, und hängt an dieses einen zwei Byte langen EtherCATHeader. Ein EtherCAT-Telegramm kann mehrere EtherCAT-Kommandos für verschiedene Slaves und deren direkt adressierbare Speicherbereiche enthalten. Die
Größe des Direct Memory Access (DMA) beträgt 64 KB. Der EtherCAT-Datenrahmen besteht aus dem Ethernet-Frame, gefolgt von einem 2
Byte großen EtherCAT-Frame, dem Nutzdatenbereiche mit den EtherCAT-Kommandos folgen. Abgeschlossen wird der EtherCAT-Datenrahmen durch ein 4 Byte langes Datenfeld für die zyklische Blockprüfung (CRC).
Erfolgt die Kommunikation über das UDP-Protokoll und IP-Protokoll, dann folgt dem Ethernet-Header zuerst der IP-Header, dann der UDP-Header und danach der EtherCAT-Header. EtherCAT, ein Feldbus-Konzept für die Automation und Produktion, kann in verschiedenen Topologien realisiert werden. Prinzipiell sind alle Ethernet-Topologien möglich, einschließlich der Sterntopologie des Ethernet-Switching. Ebenso kann EtherCAT auch in Bus- und Linientopologien, wie sie von anderen Feldbussen her
bekannt ist, aufgebaut werden. Als Übertragungsmedien stehen die bekannten Ethernet-Übertragungsmedien wie TP-Kabel, Lichtwellenleiter und Plastikfasern zur Verfügung.
