Wireless EtherCAT über BlitzFunk®

EtherCAT über ein deterministisches Industrie-WLAN – ohne Protokoll-Gateway, ohne Protokoll-Tunneling, ohne Schleifring.

EtherCAT aufgrund der hohen Echtzeitleistung, extrem schnellen Zykluszeiten und minimalen Jitter ein kabelgebundenes Protokoll. Für die meisten Anwendungen ist dies die ideale Wahl: Ein Kabel ist günstig, schnell, einfach zu installieren und zu prüfen und ermöglicht eine vollständig deterministische Datenkommunikation. Viele Maschinen enthalten jedoch einen Rundtisch oder andere bewegte Teile – und genau hier wird das Kabel zur Schwachstelle: Verschleiß, Schleifringe und Kabelbrüche verursachen wiederkehrende Wartungskosten bis hin zu ungeplanten Stillständen. Gemeinsam mit der fünfeinhalb Funksysteme GmbH (fuenfeinhalb.de) haben wir daher mit dem acontis EC-Master ein EtherCAT Netzwerk über deren Industrie-Funkstrecke BlitzFunk betrieben, um herauszufinden, ob EtherCAT – ohne Protokoll-Gateway oder Tunneling dazwischen – zuverlässig über eine Funkverbindung funktioniert.

Rundläufer-Abfüllmaschinen und Etikettiermaschinen verfügen über zahlreiche Stationen auf einem rotierenden Karussell: Servoachsen, Ventile, Wägezellen und I/Os sind über einen Schleifring per EtherCAT angebunden.

10 ms stabile Zykluszeit bei nur 8 ms Roundtrip-Zeit!

200 Mio.+ EtherCAT-Frames im Dauertest

Die wichtigsten Ergebnisse unserer Messungen: Stabile EtherCAT-Kommunikation bei 10 ms Zykluszeit!

Umfang der Tests: EtherCAT-I/O im Direct Mode

Der EtherCAT-Frame wird vom MainDevice gesendet, durchläuft alle SubDevices und wird anschließend vom letzten SubDevice reflektiert – er durchläuft das Netzwerk also erneut zurück zum MainDevice. Da alle SubDevices die Daten „on the fly“ in Hardware verarbeiten, werden Netzwerklatenz und Jitter minimiert. Die BlitzFunk-Strecke überbrückt ein Segment des EtherCAT-Strangs: In unserem Testaufbau ist ein BlitzFunk-Access-Point auf der MainDevice-Seite angeschlossen und ein BlitzFunk-Client auf der SubDevice-Seite; zusammen verhalten sie sich wie ein einzelnes Kabelsegment. Der Frame passiert die Funkstrecke daher in jedem Zyklus zweimal, einmal in jede Richtung – deshalb bestimmt die Latenz pro Richtung die minimale Zykluszeit.

EtherCAT Open Mode und das EtherCAT Automation Protocol haben wir nicht gesondert getestet, da diese Protokolle geswitchte Netzwerke nutzen – mit entsprechenden Einschränkungen ihrer Echtzeitfähigkeit; zudem hat acontis bereits verifiziert, dass diese auch mit Standard-Funknetzwerken (z. B. WLAN) funktionieren.

Testaufbau

Der acontis EC-Master wurde auf einem Standard-Testrechner bei acontis betrieben – einem PC mit Intel Core i3-9100 und Intel-I210-Ethernet-Karte unter Linux mit PREEMPT_RT-Patch. Auf dem PC liefen ausschließlich EC-Master und die acontis EC-Master-Demo-Applikation mit aktivierter Performance-Messung. Auf zusätzliche Lastfunktionen wie stress-ng haben wir verzichtet, da der Fokus der Tests auf der Funkstrecke lag und nicht auf der MainDevice-Hardware.

Für einen einfachen Testaufbau wurde der PC mit einem BlitzFunk-Gerät verbunden, das als drahtlose 1:1-Bridge zu einem zweiten BlitzFunk-Gerät fungiert; dieses war mit den EtherCAT-SubDevices verbunden – zwei EK1100-Kopplern mit mehreren I/O-Klemmen (EL2004, EL4132, EL1014). DC wurde in diesem Test nicht verwendet (auch aufgrund der angestrebten Zykluszeit von 10 ms).

Der Testaufbau: MainDevice über Funkstrecke mit den SubDevices verbunden.

Wir haben das System in verschiedenen Szenarien getestet – von einer kurzen Funkstrecke ohne Hindernisse bis zu einer Entfernung von ca. 15 m mit mehreren Wänden dazwischen (Trockenbauwände sowie Stahlbetonwände).

Einstellungen der Funkstrecke der BlitzFunk-Geräte: BlitzFunk-Firmware-Version 3.1.0, System-Version 2.1.5 (Software-Stand Juni 2026); 6-GHz-Band mit Kanal 9 und 45.

Testaufbau: EC-Master auf einem PC mit Intel-I210-NIC, ein Beckhoff-EK1100/EL-SubDevice-Stack und ein Paar BlitzFunk-Geräte (6 GHz), die die EtherCAT-Verbindung überbrücken.

Funktionsweise

EC-Master, der EtherCAT-MainDevice-Stack von acontis, greift über den acontis-Echtzeit-Ethernet-Treiber auf das Netzwerk zu – genau wie bei einer klassischen Kabelverbindung. Das Kabel führt zum BlitzFunk-Gerät. Das BlitzFunk-eigene Scheduling-Protokoll reserviert für die Strecke in jeder Richtung einen festen Zeitschlitz – damit lässt sich eine begrenzte Latenz pro Frame-Übertragung garantieren. EtherCAT-Frames passieren die Funkstrecke nativ – es findet keine Protokollkonvertierung statt.

Da die BlitzFunk-Geräte für das Netzwerk transparent sind, müssen weder die ENI-Konfiguration noch die SubDevice-Konfiguration noch die Applikation oberhalb von EC-Master angepasst werden. Aus Sicht des EC-Master verhält sich die Funkstrecke wie ein zusätzliches, gut charakterisiertes Stück Kabel mit begrenzter Verzögerung.

Mit der aktuellen BlitzFunk-Firmware beträgt diese begrenzte Verzögerung garantiert 4 ms pro Richtung. Daraus ergibt sich eine Roundtrip-Zeit von 8 ms – womit nach heutigem Stand jede EtherCAT-Zykluszeit über 8 ms möglich ist. Längere Zykluszeiten (10 ms, 20 ms und darüber) sollten daher mit komfortabler Reserve laufen; die unten beschriebenen Dauertests wurden mit 10 ms durchgeführt.

Gemessene Performance

Wir haben EC-Master über die BlitzFunk-Geräte in Langzeit-Dauertests bei Entfernungen von ca. 1 m bis 15 m betrieben, einschließlich Durchläufen durch mehrere Wände (Trockenbau- und Stahlbetonwände), bei einer konservativen EtherCAT-Zykluszeit von 10 ms. Roundtrip-Zeit und Frameverlust wurden kontinuierlich über Zeitfenster von 24 bis 72 Stunden gemessen. Anzumerken ist, dass fünfeinhalb von einer Installation der Funkstrecke durch Wände abrät. Die Tests durch Wände dienten dazu, die Grenzen von BlitzFunk zu ermitteln.

Szenario (teilweise mehrere Testläufe)	Entfernung	Dauer	EtherCAT-Frames	Frameverlust	Max. Roundtrip-Zeit	Mittl. Roundtrip-Zeit
A – kurze Distanz	~1 m	72 h	51,84 Mio.	0,077 ppm	6,2 ms	3,6 ms
B – mittlere Distanz, ohne Wände	~10 m	24 h	17,28 Mio.	1,2 ppm	7,2 ms	4,9 ms
C – größere Distanz, durch Wände	~15 m	24–72 h	17,28–51,84 Mio.	0,06–5,1 ppm	5,7–6,0 ms	3,4–5,1 ms
D – Test mit beeinträchtigter Signalqualität	~10 m	24 h	17,28 Mio.	33,16 ppm	7,3 ms	4,5 ms

Der Frameverlust lag über insgesamt mehr als 200 Millionen übertragene Frames zwischen 0,06 und 5,1 ppm (parts per million), und die maximalen Roundtrip-Zeiten blieben selbst bei 15 m durch Wände deutlich innerhalb des 10-ms-Zyklus.

Außerdem haben wir geprüft, ob die Fehlerrate von der Tageszeit abhängt; der normale Bürobetrieb bei acontis hatte keinen signifikanten Einfluss darauf.

Frameverlust pro Stunde über einen 72-Stunden-Dauertest bei 15 m Entfernung – vereinzelte, einstellige Verluste pro Stunde, keine systematische Drift

Stresstest: Bewusst schlechte Installation

Während der Tests haben wir das browserbasierte Konfigurationstool von BlitzFunk genutzt, um Antennenausrichtung und Verbindungsstabilität zu prüfen und zu optimieren.

Um herauszufinden, wie viel Reserve die Funkstrecke hat, haben wir zusätzlich einen Stresstest durchgeführt, der weder den Installationsrichtlinien entspricht noch irgendwelche Best-Practice-Empfehlungen berücksichtigt: 10 m Entfernung über mehrere Räume, mit Stahlbeton- und Trockenbauwänden dazwischen; zusätzlich wurden die BlitzFunk-Geräte hinter PCs platziert, deren Metallgehäuse die Funkausbreitung blockierten, und die Antennen wurden bewusst falsch ausgerichtet. Wer auf eine stabile Verbindung angewiesen ist – etwa in der Produktion –, würde das System niemals so installieren. In diesem Szenario erreichten wir dennoch Signalstärken zwischen -68 und -75 dBm – was sich auf die Funkstrecke auswirkt. Eine gute Signalstärke ergibts sich bei besser als -60 dBm, eine sehr gute besser als -50 dBm. Zum Vergleich: Allein durch Nachjustieren der Antennen – bei gleicher Entfernung und gleichen Hindernissen – meldeten die BlitzFunk-Geräte bereits -62 bis -65 dBm.

Selbst in diesem Aufbau (Szenario D) stieg der Frameverlust auf höchstens 33 ppm, und die EtherCAT-Kommunikation lief bei der verwendeten Zykluszeit von 10 ms weiterhin stabil.

Nachdem wir lediglich die PCs aus der Sichtlinie entfernt und die Antennen korrekt ausgerichtet hatten (bei ansonsten identischer Geräteplatzierung, Szenario B), maßen wir eine deutlich geringere Fehlerrate von unter 1,2 ppm.

Kurz gesagt: Selbst eine grundlegend fehlerhafte Installation hat die EtherCAT-Kommunikation nicht unterbrochen, und eine korrekte Installation hat den Frameverlust um mehr als zwei Größenordnungen reduziert. Da eine stabile EtherCAT-Kommunikation eine stabile Funkverbindung voraussetzt, sollte die Installation vor dem produktiven Einsatz mit den Konfigurations- und Monitoring-Tools von BlitzFunk verifiziert werden.

Verifikationstest: Funkstrecke zwischen SubDevices

Um zu prüfen, dass die BlitzFunk-Funkstrecke an jeder beliebigen Position im Netzwerk eingesetzt werden kann, haben wir den Aufbau geändert: Statt die Funkstrecke zwischen MainDevice und erstem SubDevice zu platzieren, haben wir sie zwischen zwei SubDevices verlegt. Der Einfachheit halber haben wir dazu einen weiteren Test-I/O-Block ins Netzwerk eingefügt und die BlitzFunk-Geräte zwischen die SubDevices gesetzt: Das MainDevice ist mit dem ersten I/O-Block verbunden, bestehend aus einem EK1100, 2× EL2004, 2× EL1014, einem EL4132 und einem EK1110 – BlitzFunk-Funkstrecke – zweiter I/O-Block, bestehend aus einem EK1100, 2× EL2004, 2× EL1014, einem EL4132 und einem EK1110.

Der Testaufbau: Funkstrecke zwischen zwei SubDevices.

Mit dieser Konfiguration haben wir auch die Benutzerfreundlichkeit geprüft: Wir haben das Netzwerk einfach mit dem EC-Engineer gescannt, um eine passende ENI-Datei zu erzeugen – es funktionierte genauso wie bei einer Standard-Verkabelung.

EC-Engineer hat das Netzwerk über die Funkstrecke gescannt!

Anschließend haben wir einen kurzen Test mit der Software und dem Grundaufbau aus Szenario A (kurze Distanz, keine Hindernisse) bei 10 ms Zykluszeit durchgeführt. Wir erhielten wieder dieselben guten Ergebnisse wie bei der Funkstrecke zwischen MainDevice und erstem SubDevice – eine mittlere Roundtrip-Zeit von 3,6 ms und eine maximale Roundtrip-Zeit von nur 4,9 ms. Die BlitzFunk-Funkstrecke kann somit an jeder Stelle im Netzwerk platziert werden: Netzwerksegmente können per Kabel verbunden sein und nur bestimmte Teile über eine Funkstrecke.

Fazit

Die Messergebnisse sind sehr vielversprechend: Wir erreichten eine stabile EtherCAT-Kommunikation mit stabiler Roundtrip-Zeit und sehr geringem Frameverlust. Der aktuelle Aufbau erscheint daher für Zykluszeiten ab 10 ms geeignet und bietet deutlich mehr Flexibilität bei der Platzierung der SubDevices: Schleifringe und ähnliche Komponenten lassen sich einfach durch eine 1:1-Funkstrecke ersetzen. Bitte beachten Sie, dass alle bisherigen Tests mit stationären Geräten in einer Büroumgebung durchgeführt wurden.

Mit diesen Tests konnten wir verifizieren, dass EtherCAT im Direct Mode auch über eine Funkstrecke genutzt werden kann – und je nach den konkreten Anforderungen Ihres Anwendungsfalls sind die BlitzFunk-Geräte möglicherweise genau die Lösung, die Sie suchen. Es gibt jedoch sicherlich Anwendungen, für die eine Funkstrecke nicht geeignet ist – z. B. wenn kürzere Zykluszeiten benötigt werden oder mehrere Funkstrecken an verschiedenen Stellen im Netzwerk erforderlich sind, was die Latenz erhöht und damit die erreichbare EtherCAT-Zykluszeit begrenzt.

10 ms mag vielen, die mit hochdynamischen Motion-Anwendungen arbeiten, langsam erscheinen. In vielen Anwendungsfällen ist das maschineninterne Netzwerk jedoch deutlich langsamer – Zykluszeiten von 10 oder 20 ms bieten immer noch eine wesentlich schnellere Datenübertragung und eine deutlich bessere Synchronität aller Geräte, als klassische Feldbusse wie CANopen oder PROFIBUS erreichen können.

Hinweis: fünfeinhalb arbeitet an einer neuen Firmware mit noch geringerer Latenz pro Richtung, die in naher Zukunft noch kürzere Zykluszeiten ermöglichen soll.

Typische Anwendungen

Drahtlose Kommunikation innerhalb von EtherCAT bietet Vorteile für viele Anwendungsfälle, in denen Kabel bisher durch mechanische oder umgebungsbedingte Randbedingungen eingeschränkt waren.

• Rundtische, Drehteller und Schleifring-Ersatz – Wegfall von Verschleißteilen an kontinuierlich rotierenden Achsen.
• Bewegte Werkzeugköpfe – Vermeidung von Kabelbiegebelastung und Steckerermüdung an der bewegten Schnittstelle.
• Schwer zu verkabelnde Nachrüstungen – Ergänzung von EtherCAT-SubDevices in bestehenden Maschinen, bei denen neue Kabelwege nicht praktikabel sind.
• Aggressive Umgebungen – Chemikalien oder andere Medien, die Kabel angreifen.
• Temporäre und umkonfigurierbare Aufbauten – Testzellen, Veranstaltungs- und Bühnenautomatisierung sowie Maschinen, die häufig umgebaut werden.

Zugehörige Produkte

• EtherCAT-MainDevice-Software EC-Master
• EtherCAT-Konfigurations- und Diagnosetool EC-Engineer

 

TECHNOLOGIEPARTNER fünfeinhalb – BlitzFunk BlitzFunk, entwickelt von der deutschen fünfeinhalb Funksysteme GmbH, ist ein deterministisches Industrie-WLAN für bewegte Maschinen, mobile Roboter und sicherheitsrelevante Steuerungen. Ein proprietäres Scheduling-Protokoll reserviert die Sendezeit für jedes Gerät im Voraus, sodass Latenz und Datenrate garantierte Worst-Case-Werte sind und keine Best-Effort-Mittelwerte – genau die Eigenschaft, die EC-Master benötigt, um echten EtherCAT-Verkehr über die Luft zu übertragen. BlitzFunk arbeitet in den Bändern 2,4 GHz, 5 GHz und 6 GHz (letzteres noch weitgehend ungenutzt), unterstützt nahtloses Roaming zwischen Access Points ohne zusätzliche Latenz, verschlüsselt und authentifiziert standardmäßig den gesamten Datenverkehr und wird in etwa einer Minute über eine Weboberfläche konfiguriert. Zu fünfeinhalb →