Mit EtherCAT zuverlässig zu präzisen, hochdynamischen Bewegungen

EtherCAT ist die mit Abstand schnellste Industrial-Ethernet-Technologie. Hinzu kommt die überragende Synchronisationsgenauigkeit in einer Größenordnung von Nanosekunden. Warum unter anderem diese Eigenschaften insbesondere im Motion-Control-Umfeld so geschätzt werden, darum geht es im folgenden Interview mit Dr. Guido Beckmann, Senior Management Control System Architecture bei Beckhoff Automation und Leiter des Technischen Committees der EtherCAT Technology Group.

EtherCAT hat sich inzwischen als wichtigster Motion-Feldbus etabliert. Welche technologischen Eigenschaften waren hierfür ausschlaggebend?

Dr. Guido Beckmann: Das stimmt. Wir kennen inzwischen über 200 Antriebshersteller, die eine EtherCAT-Schnittstelle unterstützen. Diese Hersteller bieten bei Weitem mehr als 1.000 unterschiedliche EtherCAT-Antriebsgeräte an, die vom Anwender für seine Applikation genutzt werden können. Die harten Anforderungen der Antriebstechnik an ein Feldbussystem lassen sich schnell aufzählen: Zykluszeit, Synchronität und Gleichzeitigkeit. Typische Werte für benötigte Zykluszeiten liegen im Bereich von 1 ms oder 500 µs, in einigen Anwendungen auch bei moderaten 2 ms (zyklische Lagevorgabe mit Lageregelung im Antrieb). In extremen Fällen werden aber auch Zykluszeiten von 62,5 μs (über den Bus geschlossener Stromregelkreis) benötigt. Während die Synchronität den zeitlichen Jitter der Abarbeitung der Funktionen in den beteiligten Teilnehmern (Antriebe und Steuerung) angibt, definiert die Gleichzeitigkeit das Maß des zeitlichen Versatzes dieser Funktionen. EtherCAT nutzt für die Synchronisationsregelung einen Ansatz, der auf sogenannten „verteilten Uhren“ basiert: Alle Teilnehmer besitzen eine eigenständige Uhr, auf Basis derer die lokalen Zyklen und Ereignisse ablaufen. Entscheidend dabei ist, dass alle Uhren gleich schnell laufen und die gleiche Basiszeit besitzen. Eine im EtherCAT-Slave-Controller (ESC) integrierte Regelung stellt sicher, dass sich alle Uhren an einer Referenz-Uhr orientieren und unabhängig von Temperatur und Herstell-Toleranzen synchron laufen. Eine Laufzeitmessung des Signals von der Referenz-Uhr zu jedem synchronisierten Teilnehmer – ebenfalls vom ESC, d.h. in Hardware unterstützt – ermöglicht die notwendige Gleichzeitigkeit aller Uhren. Umfangreiche Messungen haben ergeben, dass die Abweichungen sowohl bei Synchronisation als auch bei Gleichzeitigkeit – selbst bei großen Netzwerken – deutlich unter 100 ns liegen.

Hochleistungstechnologie sollte möglichst auch einfach nutzbar sein, was mit EtherCAT sehr gut gelungen ist. Welche Eigenschaften z. B. bei Engineering und Diagnose sind bezogen auf Motion-Anwendungen besonders vorteilhaft?

Dr. Guido Beckmann: Wichtige Kriterien eines Feldbussystems zur Unterstützung der Antriebstechnik sind das verwendete Kommunikationsprotokoll und -profil, die für die Kompatibilität und den effizienten Datenaustausch zwischen Steuerung und Antrieb verantwortlich sind. Das in der Antriebstechnik meistgenutzte Antriebsprofil ist das CiA402-Profil der Organisation CAN in Automation. Dieses wurde frühzeitig auf EtherCAT abgebildet (IEC 61800-7-3) und wird von nahezu allen EtherCAT-Servoantrieben unterstützt. Dadurch können diese automatisch in der Motion-Steuerung erkannt und integriert werden. Außerdem konnten so die gesamte Toolkette und vorhandene Erfahrungen zur Parametrierung entsprechender Antriebe erhalten bleiben. Da im Gegensatz zu den klassischen Feldbussen mit EtherCAT auch sehr kurze Zykluszeiten realisierbar sind, wurden von der ETG neue Betriebsarten für eine zyklussynchrone Übertragung von Positions-, Geschwindigkeits- oder Drehmoment-Prozessdaten in die Spezifikation eingebracht. Damit konnte die Funktionalität des Sollwert-Generators, der in den bisher komplexen Antriebsreglern integriert wurde, in die zentrale Motion-Steuerung verlagert werden. Das vereinfacht die Funktionalität der Antriebsverstärker und ermöglicht zudem die koordinierte Bewegungsführung mehrerer (gekoppelter) Antriebe in einer Maschine auf dem zentralen Motion-Controller.

Hier geht´s zum vollständigen Interview