EtherCAT hat zwei Betriebsmodi: Direct Mode und Open Mode. Der Direct Mode wird häufig verwendet und ist für seine effiziente Echtzeitleistung bekannt, während der Open-Modus die Integration in die bestehende IT-Infrastruktur durch Standard-Schaltgeräte ermöglicht, wenn auch mit höheren Latenzen. In diesem Dokument werden wir beide Modi untersuchen und ihre Hauptmerkmale hervorheben.

Obwohl die beiden EtherCAT-Modi, Direct Mode und Open-Mode, bereits in der ersten EtherCAT-Spezifikation V1.0 von 2004 definiert wurden, verwenden heute fast alle EtherCAT-Netzwerke den Direct Mode. Tatsächlich haben die meisten Anwender noch nie etwas vom Open-Mode gehört.

Derzeit ist die Spezifikation in dem Dokument mit dem Titel "ETG.1000.3 EtherCAT Specification Part 3 – Data Link Layer service definition"

EtherCAT Direct Mode

Im Direct Mode wird ein EtherCAT-Segment mit dem MainDevice verbunden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die MAC-Adressfelder der Ethernet-Frames werden ignoriert. Zur Kommunikation verwenden alle EtherCAT-SubDevices EtherCAT-SubDevice-Controller (ESCs), während das MainDevice einen Standard-Ethernet-Port verwendet.

Der Direct Mode ist der Standard in Anwendungen, die das EtherCAT Device Protocol (EDP) verwenden. Er erfordert keine Switches, da die SubDevices typischerweise zwei oder mehr Ports haben, die Daisy-Chaining und andere Topologien ermöglichen. Im Direct Mode wird der Ethernet-Controller im MainDevice ausschließlich für EtherCAT genutzt.

Einer der Hauptvorteile des Direct Mode ist das „Processing on the Fly“-Prinzip, das zusammen mit den sehr geringen Verzögerungen in den SubDevices harte Echtzeit-Mess- und Steuerungsanwendungen mit Zykluszeiten von einer Millisekunde und schneller ermöglicht. Dank der hardwarebasierten Verarbeitung in den SubDevices (durch den EtherCAT-SubDevice-Controller) ist das Propagation Delay“ über das gesamte Netzwerksegment sehr gleichmäßig und wird nur geringfügig durch Temperaturschwankungen beeinflusst. Die Gesamtverzögerung pro SubDevice beträgt maximal eine Mikrosekunde.

Abbildung 1: EtherCAT Segment im Direct Mode

EtherCAT Open Mode (EOM)

Während der Direct Mode in der Regel wegen seiner Effizienz und Echtzeitleistung verwendet wird, bietet der Open-Mode mehr Flexibilität, da er die Integration in die bestehende IT-Infrastruktur ermöglicht. Im EtherCAT-Open-Mode (EOM) können ein oder mehrere EtherCAT-Segmente an einen (bestehenden) Standard-Switch angeschlossen werden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Dieser Modus ist besonders nützlich bei der Integration von EtherCAT-Netzwerken in größere, gemeinsam genutzte IT-Umgebungen.

Um die Nutzung von EOM zu ermöglichen, muss das MainDevice zunächst EOM unterstützen und in einem EtherCAT-Konfigurationswerkzeug wie dem EC-Engineer entsprechend konfiguriert werden. Das erste Gerät pro Segment muss zusätzliche Funktionen bereitstellen, um vom MainDevice aus auf das EtherCAT-Segment zuzugreifen. Deshalb wird das erste SubDevice auch als „Segment Address Device“ bezeichnet.

• Das MainDevice muss EOM unterstützen und dafür konfiguriert sein.
• Das erste Gerät, das so genannte „Segment Address Device“, ermöglicht den Zugriff auf das EtherCAT-Segment vom MainDevice aus. Ein Vorteil von EOM ist, dass alle anderen SubDevices nach dem Segment Address Device ohne jegliche Änderungen arbeiten können, genau wie im EtherCAT Direct Mode.

Das erste Gerät innerhalb eines EtherCAT-Segments hat eine ISO/IEC 8802-3 MAC-Adresse, die das gesamte Segment repräsentiert. Dieses Gerät hat eine Eigenschaft, die „EOM-Port“ genannt wird. Der EOM-Port ersetzt das Zieladressfeld durch das Quelladressfeld und das Quelladressfeld durch seine eigene MAC-Adresse innerhalb des Ethernet-Frames. Dadurch wird sichergestellt, dass der Frame, wenn er den Kodierungsregeln von EtherCAT folgt, nach der Verarbeitung durch alle SubDevices an das MainDevice zurückgesendet wird.

Das erste Gerät innerhalb eines EtherCAT-Segments hat eine ISO/IEC 8802-3 MAC-Adresse, die das gesamte Segment repräsentiert. Dieses Gerät hat eine Eigenschaft, die „EOM-Port“ genannt wird. Der EOM-Port ersetzt das Zieladressfeld durch das Quelladressfeld und das Quelladressfeld durch seine eigene MAC-Adresse innerhalb des Ethernet-Frames. Dadurch wird sichergestellt, dass der Frame, wenn er den Kodierungsregeln von EtherCAT folgt, nach der Verarbeitung durch alle SubDevices an das MainDevice zurückgesendet wird.

Die Verwendung eines geswitchten Netzwerks im EtherCAT Open Mode bringt Kompromisse mit sich. Der Open Mode bietet Flexibilität und ermöglicht die Integration von EtherCAT in die bestehende IT-Infrastruktur. Da jedoch alle Ethernet-Frames die gleiche Infrastruktur nutzen und Switches typischerweise auf einer „Store and Forward“ Basis arbeiten, führt dies zu deutlich höheren Latenzen innerhalb eines EtherCAT-Segments. Diese Latenzen sind nicht einheitlich und lassen sich im Voraus nicht genau berechnen, was sich auf die minimal erreichbare Zykluszeit auswirkt. Die erreichbare Performance hängt stark vom jeweiligen IT-Netzwerk, dessen Konfiguration und der aktuellen Netzwerkauslastung ab.

Die wichtigsten Kompromisse zwischen Flexibilität und Latenzzeit:

• Flexibilität: Integration in die bestehende IT-Infrastruktur, die einen gemischten Betrieb ermöglicht.
• Latenz: Höhere und inkonsistente Latenzzeiten aufgrund der gemeinsam genutzten Infrastruktur und des „Store and Forward“-Switchings.
• Auswirkungen auf die Zykluszeit: Die minimal erreichbare Zykluszeit wird durch die Netzwerkkonfiguration und Netzwerkauslastung beeinflusst.

Abbildung 2: EtherCAT Segmente im Open mode

EtherCAT Open Mode: Kommunikationstypen

Die Kommunikationsart für das EOM-Netzwerksegment kann auf „RAW“ oder auf „UDP“ eingestellt werden. Ein gemischter Betrieb zwischen verschiedenen Netzwerksegmenten innerhalb derselben IT-Infrastruktur ist möglich.

• RAW: Diese Kommunikationsart wird in der Regel für Anwendungen gewählt, die einen minimalen Verarbeitungsaufwand und die höchstmögliche Leistung erfordern. Die RAW-Kommunikation nutzt Ethernet-Frames direkt und ohne zusätzliche Verkapselung, was zu einer geringeren Latenz führt.
• UDP: Diese Kommunikationsart wird verwendet, wenn Kompatibilität mit IP-basierten Netzwerken erforderlich ist. Durch die Kapselung von EtherCAT-Frames innerhalb von UDP/IP kann das Netzwerk die bestehende IP-Routing- und -Infrastruktur nutzen, was eine größere Flexibilität auf Kosten einer höheren Latenzzeit ermöglicht.

Kommunikationstyp: RAW

Bei der Kommunikationsart RAW werden VLAN Tags verwendet. Die Ziel-MAC-Adresse des ausgehenden Frames entspricht der EtherCAT-Segmentadresse und wird durch den EOM-Port der Geräte mit Segmentadresse überprüft. Sobald dies bestätigt ist, wird der Frame an die SubDevices weitergeleitet.

Die Source-MAC-Adresse wird von der Netzwerkkarte im MainDevice zugewiesen. Der EOM-Port tauscht dann die Quell- und Zieladressen aus und stellt sicher, dass der verarbeitete Frame an das MainDevice zurückkehrt.

Prinzipielle Frame-Struktur eines EtherCAT-Frames mit VLAN Tag

Ausgehender Frame: MainDevice zu SubDevices

Eingehender Frame: SubDevices zu MainDevice

Kommunikationstyp: UDP

Bei der Kommunikationsart UDP wird ein EtherCAT-Frame in einen UDP/IP-Frame eingebettet. In diesem Fall wird der EtherType für IP (0x0800) verwendet, und die Zielportnummer ist 0x88A4, wie von der Internet Assigned Numbers Authority (IANA) zugewiesen. Die maximale Länge eines solchen Frames beträgt 1.518 Bytes.

Die Handhabung der MAC-Adressen (Ziel und Quelle) ist ähnlich wie bei der RAW-Kommunikation, wobei die IP-Adressen entsprechend eingestellt werden. Im ausgehenden Frame enthält das Quellfeld die Adresse des MainDevice und das Zielfeld enthält die Adresse des Segment Address Device (EOM-Port). Für den eingehenden Frame werden diese Adressen vertauscht, um eine ordnungsgemäße Weiterleitung zurück zum MainDevice zu gewährleisten.

Ausgehender Frame: MainDevice to SubDevices

Eingehender Frame: SubDevices zu MainDevice

Beispiel für ein Segmentadressgerät: Beckhoff EK1000 Koppler

Das Beckhoff EtherCAT-Gerät EK1000 kann als Segmentadressgerät eingesetzt werden und dient als Schnittstelle zwischen EtherCAT Open Mode und Standard-EtherCAT-SubDevices im EtherCAT Direct Mode. Zu den wichtigsten Funktionen des Beckhoff EK1000 gehören:

• Ethernet-Port X001: Anschluss an einen Switch, der den Betrieb im EtherCAT-Open-Mode durch Verarbeitung von MAC- und ID-Adressen ermöglicht.
• Interner EOM-Port: Verwaltet das Datenhandling und leitet den EtherCAT-Frame über den integrierten EtherCAT SubDevice Controller (ESC) weiter.
• EtherCAT-Port X002: Ermöglicht den Anschluss weiterer EtherCAT-SubDevices.
• Erweiterung über EBUS: An der rechten Seite des Geräts können beliebige Beckhoff EtherCAT-EBUS Klemmen angeschlossen werden.

Weitere Informationen finden Sie auf der Beckhoff EK1000-Produktwebseite: https://www.beckhoff.com/ek1000

Beckhoff^®, EtherCAT^®, sind eingetragene Marken der Beckhoff Automation GmbH.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass EtherCAT zwei Betriebsmodi bietet: Direct-Mode und Open-Mode, die je nach den Anforderungen der Anwendung unterschiedliche Zwecke erfüllen. Der Direct Mode ist hocheffizient und bietet minimale Latenzzeiten und Echtzeit-Performance, was ideal für Steuerungsanwendungen ist, die schnelle Reaktionszeiten erfordern. Der Open Mode hingegen bietet eine größere Flexibilität, da er die Integration in eine Standard-IT-Infrastruktur ermöglicht, was allerdings zu einer erhöhten und variablen Latenz führt. Der Kompromisse zwischen Leistung und Flexibilität ist der Schlüssel zur Auswahl des geeigneten Modus für Ihre Anwendung.