Neuer Lösungsansatz

Mit der EtherCAT-Technologie werden diese prinzipiellen Begrenzungen anderer Ethernet-Lösungen überwunden: das Ethernet Paket wird nicht mehr in jeder Anschaltung zunächst empfangen, dann interpretiert und die Prozessdaten weiterkopiert. Die neu entwickelten FMMU (Fieldbus Memory Management Unit) in jeder E/A-Klemme entnimmt die für sie bestimmten Daten, während das Telegramm das Gerät durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in das Telegramm eingefügt. Die Telegramme werden dabei nur wenige Nanosekunden verzögert.

Bild 1: Telegrammbearbeitung im Durchlauf

Da ein Ethernet-Frame sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung die Daten vieler Teilnehmer erreicht, steigt die Nutzdatenrate auf ca. 80% an. Dabei werden die Voll-Duplex Eigenschaften von 100BaseTx vollständig ausgenutzt, so dass effektive Datenraten von über 100 Mbit/s (bis zu 80% von 2 x 100 Mbit/s) erreichbar sind.

Ethernet bis in die Klemme

Das Ethernet-Protokoll gemäß IEEE 802.3 bleibt bis in die einzelne Klemme erhalten, der Sub-Bus entfällt. Lediglich die Übertragungsphysik wird im Koppler von Twisted Pair bzw. Lichtleiterphysik auf E-Bus gewandelt, um den Anforderungen der elektronischen Reihenklemme gerecht zu werden.

Bild 2: Voll-Duplex Ethernet im Ring, ein Frame für viele Teilnehmer. Die EtherCAT System-Architektur steigert den Kommunikations-Wirkungsgrad.

Die FMMU-Technologie kann steuerungsseitig durch den TwinCAT Y-Treiber für Ethernet ergänzt werden. Dieser bindet sich transparent in das System ein, so dass er als betriebssystemkonformer Netzwerktreiber und zusätzlich als TwinCAT-Feldbuskarte erscheint. Auf der Sendeseite wird über interne Priorisierung und Puffer sichergestellt, dass Ethernet-Frames aus dem Echtzeitsystem immer dann eine freie Sendeleitung vorfinden, wenn sie an der Reihe sind. Die Ethernet-Frames des Betriebssystems werden erst danach in den Lücken verschickt, wenn entsprechend Zeit ist.

Auf der Empfangsseite werden alle empfangenen Ethernet-Frames vom TwinCAT I/O-System überprüft und die echtzeitrelevanten herausgefiltert. Alle anderen Frames werden nach der Überprüfung außerhalb des Echtzeitkontextes an das Betriebssystem übergeben.

Bild 3: betriebssystemkonformer TwinCAT Y-Treiber:

Als Hardware in der Steuerung kommen sehr preiswerte handelsübliche Standard Netzwerk-Interface-Karten (NIC) zum Einsatz. Der Datentransfer zum PC erfolgt per DMA (Direct Memory Access); es wird also keine CPU-Performance für den Netzwerkzugriff abgezweigt.

Da die Ethernet-Funktionalität des Betriebssystems vollständig erhalten bleibt, können alle betriebssystemkonformen Protokolle parallel auf dem selben physikalischen Netzwerk betrieben werden. Dies umfasst nicht nur Standard IT-Protokolle wie TCP/IP, HTTP, FTP oder SOAP, sondern auch praktisch alle Industrial-Ethernet-Protokolle wie Modbus TCP, ProfiNet oder Ethernet/IP.