Seit der zweiten Hälfte der 1990er Jahre ist CANopen einer der wichtigsten Feldbusse im Maschinenbau, in der Medizintechnik und in vielen weiteren Anwendungen - von kleineren Systeme wie Verkaufsautomaten bis hin zu komplexen Anlagen wie Aufzüge oder auch in der Schiffsautomatisierung. Die CANopen Steuerungen nutzen eine große Auswahl an SPSen aber insbesondere auch embedded oder PC-basierten Systeme, welche auf die Anwendung spezialisiert sind.

EtherCAT wurde 2003 als „Ethernet-Feldbus“ eingeführt und ist heute die erfolgreichste Industrial Ethernet-Implementierung – mit mehr als 7000 Mitgliedern der Nutzerorganisation EtherCAT Technology Group und fast 80 Millionen Knoten im Feldeinsatz. EtherCAT nutzt bewährte Ideen aus der Feldbuswelt – wie die Linientopologie und Unterstützung bekannter Protokollelemente und Datenstrukturen, zum Beispiel CoE (CANopen over EtherCAT) – und ergänzt diese mit den Möglichkeiten von Ethernet wie sehr schnellem Datendurchsatz, extrem geringen Latenzen und optimierten Übertragungsmedien.

Dank der vergleichbaren Kommunikationskonzepte und Datenstrukturen von CoE ist EtherCAT ein idealer Ersatz für CANopen – durch die Umstellung können mit viel mehr Teilnehmern deutlich mehr Daten in deutlich kürzerer Zeit sicher übertragen werden – bei gleichbleibenden Systemkonzept: So kann die selbe Netzwerktopologie genutzt und der EtherCAT-Controller wie zuvor der CANopen-Master auf unterschiedlichen Plattformen aufgebaut werden: Vom kleinen Embedded-Controller für überschaubare Systeme bis hin zum Industrie-PC für leistungshungrige Anwendungen wie Messsysteme oder komplexe Mehrachs-Roboter.

Ein reiner „Datenblattvergleich“ von CANopen mit EtherCAT wird schnell enorm umfangreich, da es sehr viele verschiedene Aspekte gibt – und diese haben für jedes System, welches CAN oder EtherCAT verwendet, unterschiedliche Bedeutung: Insbesondere da beide Protokolle in zahllosen Anwendungen eingesetzt werden, die sich erheblich unterscheiden – von einfachen, kleinen Netzwerken, z. B. in Verkaufsautomaten, bis hin zu großen Netzwerken mit Tausenden von Geräten in komplexen Maschinen wie Schiffen oder vollintegrierter Fußbodenautomatisierung.
Daher werden wir in dieser Artikelreiche nur auf einzelne, meist für verschiedene Anwendungen übertragbare Themen beziehen.

Schnelle Netzwerke werden meist mit schnellen Maschinen in Verbindung gebracht - z. B. beim Einsatz von schnellen Antrieben oder Robotern. Ein schnelles Kommunikationsnetzwerk bietet jedoch auch erhebliche Vorteile für Maschinen, die auf den ersten Blick eher träge arbeite: Eine schnellere Kommunikation kann es möglich machen, die Maschine selbst zu beschleunigen, sie kann jedoch auch dazu verwendet werden, die Präzision der Maschine deutlich zu erhöhen – was zu einer qualitativ hochwertigeren Verarbeitung führt.

Wie die schnellen Datenraten und vor allem die extrem kurzen Zykluszeiten von EtherCAT zu einem deutlichen Sprung in der Präzision und damit der Produktqualität beitragen können, lässt sich anhand des folgenden Beispiels veranschaulichen: Dem Ablängen von kontinuierlich zugeführtem Material. Dies ist ein typischer Prozess in vielen Anwendungen – etwas auf genaue Länge zuschneiden; ob steifes oder flexibles Material. Je nach Schneidmechanismus und Schneiddauer müssen mehrere Achsen eng synchronisiert werden.

Als Grundkonzept gilt: Beim Ablängen von kontinuierlich zugeführtem Material bestimmt die Reaktionszeit des Schneidprozesses die Schnittgenauigkeit.

Beispielsweise bedeutet ein Jitter/Ungenauigkeit von nur 5ms beim Ablängen mit  einer Zuführgeschwindigkeit von 2m/s Abweichungen im Schneidprozess von 10mm! Werden beispielsweise Holzleisten mit 1m Länge produziert, wird der Kunde eine Ware mit Längenschwankungen von bis zu 1cm und somit 1% Längendifferenz weder optisch noch technisch akzeptieren.

Bei einem klassischen Feldbus wie CAN/CANopen dauert die Übertragung einer Nachricht mit 8 Datenbytes bei 250kBit/s im Optimalfall (kein Bitstuffing, höchste Priorisierung, Bus bei Sendewunsch verfügbar) knapp 500µs. Ist der Bus belegt oder wird die Nachricht nicht mit höchster Priorität übertragen, kann sich die Übertragungszeit vervielfachen! Bei einem gut ausgelegten System kann man bei wichtigen Nachrichten von einer durchschnittlichen Übertragungszeit von 5 bis 10ms ausgehen – was im obigen Beispiel bedeutet, dass die Qualität des Ergebnisses nicht den Anforderungen entspricht. In diversen Systemen sind Übertragungszeiten unter 20ms nicht realisierbar und Zykluszeitspitzen führen zu Produktionsausschuss.

EtherCAT bietet durch die spezifische Übertragungsstruktur einen zuverlässigen Zyklus und ermöglicht durch die hohe Übertragungsgeschwindigkeit und einfache Softwarestrukturen extrem schnelle Systeme – mit Übertragungszeiten im Microsekunden-Bereich.

Mit einer Zykluszeit von 250µs lässt sich die Genauigkeit des Schneidprozesses deutlich steigern - geht man von einem Jitter (inkl. Software) von 500µs aus, lässt sich eine Genauigkeit von 1mm erreichen.

Damit bieten die mit EtherCAT möglichen schnellen und hochpräzisen Regelkreise auch bei – auf den ersten Blick – recht einfachen Maschinen einen relevanten Vorteil – auch im Hinblick auf präzise und qualitativ hochwertige Produkte.

Natürlich gibt es noch viele weitere Beispiele, bei denen schnelle Kommunikation, kurze Zykluszeiten und auch die EtherCAT-Funktion „Distributed Clock“ für synchronen Betrieb der Netzwerkteilnehmer der Schlüssel zur Realisierung von Maschinen sind:

Halbleiterfertigung -> Lithographie: Bei der Belichtung von Silizium-Wafern müssen die Belichtungszeiten äußerst präzise sein. Schon kleinste Abweichungen können zu Fehlern in den integrierten Schaltkreisen führen.
Gleiches gilt für Ätzprozesse der Wafer : Die Dauer der Ätzprozesse muss exakt kontrolliert werden, um die gewünschte Tiefe und Form der Strukturen zu erreichen.

In der klassischen Fabrikautomation ist die robotergesteuerte Produktion nur ein Beispiel: Die synchronisierte Bewegung mehrerer Roboter erfordert eine hochpräzise Zeitmessung – und beim Schweißroboter kommt noch der Schweißvorgang selbst hinzu: Die Schweißzeit muss exakt auf die Materialeigenschaften abgestimmt sein, um eine stabile und sichere Verbindung zu gewährleisten.

Auch in der Medizintechnik gibt es viele Beispiele, bei denen es auf das Timing ankommt – etwa bei der Tumorbestrahlung: Die Bestrahlungsdauer muss auf wenige Millisekunden genau sein, um gesundes Gewebe zu schonen und den Tumor wirksam zu bekämpfen.

Werfen Sie einen Blick in das unten verlinkte Whitepaper, um mehr über die Vorteile der Umstellung auf EtherCAT insbesondere für Sondermaschinenhersteller zu erfahren. Dieses Whitepaper wird von acontis technologies gemeinsam mit unserem Partner Soluware bereitgestellt.