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Tipps & Trends
Photo: shutterstock.com / Elenamiv

October 22, 2015

EtherCAT basierende Mess- und Prüftechnik

1. Allgemein

EtherCAT ist ein Ethernet basierendes Feldbussystem. Es wurde 2003 vorgestellt und ist seit 2007 international standardisiert. Das Protokoll ist in der IEC61158 offen gelegt und darf von Jedem in kompatibler Form genutzt werden. EtherCAT ist weltweit im Einsatz.

EtherCAT ist eine sehr schnelle Industrial-Ethernet-Technologie (maximal 100 Mbaud). EtherCAT Teilnehmer lesen das vom EtherCAT Master ausgesandte Telegramm „on-the-fly“, entnehmen die an sie adressierten Ausgangsdaten und legen ihre Eingangsdaten in das weiter geleitete Frame. Das Telegramm wird nur durch die Hardwaredurchlaufzeiten verzögert (3 Bit pro Slave). Der letzte Teilnehmer leitet das Telegramm an den Master zurück.

Der EtherCAT Master ist der einzige Teilnehmer, der aktiv einen EtherCAT Frame versenden darf. Alle anderen Teilnehmer (Slaves) leiten die Frames nur weiter. Der Master nutzt einen Standard-Ethernet-Medium-Access-Controller (MAC). Somit kann er theoretisch auf jeder Hardware Plattform installiert werden, die einen Ethernet-Port zur Verfügung stellt. In der Praxis sind aber je nach Anbieter Hardwareeinschränkungen zu beachten!

Die EtherCAT Slaves nutzen einen EtherCAT Slave Controller (ESC) als ASIC, FPGA oder integrierter Microcontroller für die Verarbeitung „on-the-fly“.

EtherCAT nutzt Standard-Ethernet-Frames, in die EtherCAT Nutzerdaten eingebettet werden.

Photo: www.ethercat.org/en/publications.html / EtherCAT Technology Group ETG Nuremberg

Auf physikalischer Ebene definiert EtherCAT eine LVDS-basierende Übertragung (Low Voltage Differential Signal), die von I/O Bausteinen genutzt wird. Eine Kopfstation (Koppler) setzt den elektrischen Anschluss von Ethernet auf LVDS um.

Für die exakte Synchronisierung aller Teilnehmer in einem EtherCAT Verbund bietet EtherCAT den Mechanismus der verteilten Uhren oder Distributed-Clocks (DC). Jeder Teilnehmer verfügt über eine synchronisierte Uhr, der Abgleich erfolgt automatisch. Damit können alle Teilnehmer gleichzeitig Ausgänge setzen oder Eingangssignale erfassen. Die Gleichzeitigkeit ist besser als 1μs.

Zur Konfiguration der Teilnehmer bietet EtherCAT verschiedene azyklische Protokolle. Darunter kommen dem CAN application protocol over EtherCAT (CoE) und File Access over EtherCAT (FoE) besondere Bedeutung zu.

Das CAN application protocol over EtherCAT (CoE) stellt Kommunikationsmechanismen bereit, wie sie vom CANopen Standard bekannt sind. Mittels SDO (Service Data Objects) werden Konfigurationen vorgenommen und mittels PDO Mapping (Process Data Objects) Prozessdaten angeordnet.

File access over EtherCAT (FoE) ermöglicht die Dateiübertragung. So können z. B. mittels FoE Firmware Updates vorgenommen oder Konfigurationsdateien übertragen werden.Der EtherCAT Master wird von einem System Konfigurations-Tool ergänzt. Der EtherCAT Master übernimmt die eigentliche online Übertragung der Prozessdaten. Das SystemKonfigurations-Tool stellt dem Master anhand der standardisierten Slave Beschreibungsdateien (ESI – EtherCAT Slave Information) und ggf. nach Abfrage derModulfunktionalität mittels CoE eine vollständige Netzwerkkonfiguration (ENI – EtherCAT Network Information) für den online Betrieb zur Verfügung. Auch übernimmt das SystemKonfigurations-Tool Änderungen der Slave Einstellungen mittels der Service Daten Objekte (SDO) oder überträgt komplett neue Konfigurationen mittels File Access over EtherCAT (FoE) in den Slave.

Die XFC-Technologie (eXtreme Fast Control Technology) von Beckhoff erlaubt neben schnellen Zykluszeiten von bis zu 100 μs auch ein Oversampling der Prozessdaten.

Oversampling bedeutet, dass ein Slave innerhalb eines Abfrage­zyklus nicht nur ein, sondern mehrere Messwerte erfasst. Die Daten werden dann als Paket in den Kommunikations­zyklus eingefügt. So werden z.B. bei einem Kommunikations­zyklus von 200 μs und 10-fachem Oversampling die Daten als Paket von 20 Werten mit einer zeitlichen Auflösung von 20 μs übertragen.

Photo: www.beckhoff.de/XFC/

2. EtherCAT Messtechnik von Gantner Instruments

Die Mess- und Prüftechnik von Gantner Instruments unterstützt EtherCAT in zwei unterschiedlichen Topologie. Zum einen bietet Gantner Instruments I/O Module als eigenständige EtherCAT Slaves an. Dies entspricht der häufigsten EtherCAT Struktur von verteilten, einzelnen EtherCAT Slaves, mit fixer I/O Kapazität. Alternativ dazu bietet Gantner auch die Möglichkeit einen beliebig komplexen Verstärkerverbund als gemeinsamer EtherCAT Slave zu betreiben. Hier koordiniert ein zwischengeordneter Controller die einzelnen I/O Module und erscheint dem EtherCAT Master als Slave, mit aber je nach Anzahl der untergeordneten Module variabler Kapazität.

2.1 I/O Module von Gantner Instruments als eigenständige EtherCAT Slaves

Die I/O Module von Gantner Instruments mit EtherCAT Fähigkeit auf Modulebene werden im nachfolgenden als Q.bloxx EC bezeichnet. In der Q.bloxx EC Serie sind alle Modultypen der klassischen Q.bloxx verfügbar. Es stehen Eingänge für Spannung, Strom, Widerstand, Potentiometer, Pt100, Pt1000, Thermoelement, Messbrücke, LVDT, IEPE, Status, Frequenz, PWM und Zähler zur Verfügung. Teilweise auch für Hochvolt Appliaktionen an Elektrofahrzeugen und Batterien mit 1200 V Isolationsspannung. Ausgänge für Spannung, Strom, Status, Frquenz und PWM sind ebenfalls gegeben. Die messtechnischen Eigenschaften entsprechen den Eigenschaften der bekannten Q.bloxx. Mehr zu Q.bloxx…

Die Q.bloxx EC Module unterstützen das EtherCAT Protokoll nach IEC61158. Elektrisch nutzen sie eine LVDS Schittstelle, die von einem Buskoppler umgesetzt wird. Mit einem Buskoppler können bis zu 10 Q.bloxx EC Module angesprochen werden. Der Buskoppler besitzt eine zusätzliche USB Konfigurations-Schnittstelle. Alle Q.bloxx EC Module verfügen über einen eigenen EtherCAT Slave Controller mit Distributed Clock (DC).

Um die maximale Abtastrate der Q.bloxx EC Module nutzen zu können (Modulabhängig bis zu 100 kS/S) wird die XFC-Technologie (eXtreme Fast Control Technology) unterstützt. Dabei können in einem Abfragezyklus bis zu 100 Werte übertragen werden, die von dem Modul mit entsprechend hoher Abtastrate äquidistant aufgezeichnet und im nachfolgenden Zyklus übertragen werden. Der Oversampling Faktor kann von Modul zu Modul variieren. Damit können in einem Abfragezyklus auch unterschiedliche Abtastraten realisiert werden.

Anders als bei einfachen EtherCAT „Busklemmen“ sind in der Q.bloxx EC Reihe auch Multifunktionsmodule verfügbar. So können einzelne Module z. B. von der Betriebsart Spannungsmessung auf Thermoelement, Widerstand, Brücke etc. umprogrammiert werden. In diesen einzelnen Betriebsarten gibt es wieder Unterarten wie Widerstandsmessung in 2-, 3- oder 4-Leiter Technik. Dazu gibt es umschaltbare Messbereiche, Linearisierungen, verschiedene Filterfunktionen etc. Diese Funktionalität kann wie bei klassischen EtherCAT Slaves durch SDO ́s modifiziert werden. Allerdings ist eine Vielzahl von Einstellkombinationen möglich. Die EtherCAT System Konfiguration-Tools bieten dem Anwender nur sehr eingeschränkte Unterstützung bei der Konfiguration durch SDO`s. Daher bietet Gantner Instruments eine Konfigurationssoftware, die eine grafische geführte Einstellung der vollen Funktionalität mit Syntaxcheck etc. ermöglicht. Mit dieser Software ist der gesamte Funktionsumfang der Q.bloxx EC auf einfache und schnelle Weise abrufbar, Fehleingaben werden ausgeschlossen. Die Konfigurationsfiles werden entweder per FoE vom EtherCAT System Konfigurations-Tool, oder direkt über die USB Schnittstelle des Buskopplers in die Q.bloxx EC Module übertragen.

Die Multifunktionalität der Q.bloxx EC Module hat auch Auswirkungen auf den ESI (EtherCAT Slave Information) File. Da je nach Konfiguration ein anderer ESI File zur kompletten Beschreibung der Konfiguration benötigt würde, bieten die Q.bloxx EC Module im ersten Schritt einen vereinfachten ESI File. Mittels CoE kann der Master anhand dessen die tatsächliche Konfiguration (SDOs und PDO-Mapping) auslesen und in den online Betrieb gehen. Falls ein Master diese Funktionalität nicht bietet, wird auf Wunsch von der Gantner Instruments Konfigurationssoftware auch ein individueller ESI File mit der jeweils aktuellen Konfiguration generiert.

2.2 Verstärkerverbund von Gantner Instruments als gemeinsamer EtherCAT Slave

Die dezentrale Messtechnik von Gantner Instruments wird bei klassischer Konfiguration von einem Controller als Verstärkerverbund gebündelt. Der Contoller bietet unterschiedliche Schnittstellen zur Kommunikation mit der Prüfstandsumgebung, so auch ein EtherCAT Interface. Daneben verfügt jeder Controller zusätzlich auch immer noch über eine Ethernet Schnittstelle. Beide Schnittstellen sind unabhängig voneinander nutzbar. So können die Prozessdaten über die EtherCAT Schnittstelle z. B. mit 1 kHz übertragen werden, zusätzlich aber über die Ethernet Schnittstelle mit 50 kHz für schnelle Messaufgaben parallel zur Prüfstandssteuerung. Der Controller kann auch Daten zusätzlich ereignisgesteuert erfassen, auf einem lokalen Speichermedium ablegen oder per FTP versenden etc. Somit sind zwei oder mehr Anwendungen gleichzeitig möglich, ohne dass die EtherCAT Funktionalität dabei beeinträchtigt wird.

3. Zusammenfassung

Die Gantner Instruments Mess- und Prüftechnik bietet eine vollständige Unterstützung des EtherCAT Standards. Die beiden Konzepte der I/O Module als eigenständiger EtherCAT Slaves oder des Verstärkerverbunds als gemeinsamer EtherCAT Slave bieten unterschiedliche Vorteile. Je nach Applikation wird die Entscheidung zu dem einen oder anderen Ansatz tendieren. Beiden gemeinsam ist aber die hervorragende Genauigkeit und Langzeitstabilität der Gantner Instruments Module, die galvanische Trennung (sogar bis 1200 V), die Multifunktionalität und die Flexibilität. Aus gutem Grund entscheiden sich führende Prüfstandshersteller immer wieder für Gantner Instruments.

Quellenangabe:
EtherCAT – Der Ethernet Feldbus, von der EtherCAT Technology Group ETG Nürnberg,
http://www.ethercat.org/en/publications.html#info

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