EtherCAT – Der Ethernet-Feldbus

2InhaltDas Bussystem ist nicht alles …

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Das Bussystem ist nicht alles …

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EtherCAT auf einen Blick

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EtherCAT Technology Group

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Warum entscheiden sich Anwender für EtherCAT?

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Die Technologie im Detail
Grundlage: Ethernet
EtherCAT-Funktionsprinzip
Protokolleigenschaften
Flexible Topologie
Hochgenaue Synchronisierung mit Distributed Clocks
Diagnose und Fehlerlokalisierung
Master-unabhängige Diagnoseschnittstelle
Hohe Verfügbarkeit
EtherCAT G: Kommunikation auf Gigabit-Level… aber ohne ein gutes Bussystem ist alles
andere nichts! Nur mit einem leistungsfähigen Bus kann die Steuerung ihre
Leistung „auf den Boden bringen“. Der Bus
ist das zentrale Element der Steuerungsarchitektur. Er hat entscheidenden Anteil
an der Performance, den Kosten, dem
Aufwand bei der Inbetriebnahme und derRobustheit des ganzen Systems. Deshalb
beginnen gute Ingenieure ihre Systemwahl
bei der Bustechnologie.
Mit dieser Broschüre möchten wir
Ihnen EtherCAT vorstellen, den EthernetFeldbus. Sie lernen die Technologie kennen
und werden verstehen, weshalb EtherCAT

als der schnellste Industrial-EthernetStandard gilt. Sie bekommen einen Einblickin die EtherCAT Technology Group, denweltweit mitgliederstärksten Feldbusverband. Wir zeigen Ihnen, welche Vorteile
EtherCAT für Ihre Aufgabenstellung hat.
Und sollten noch Fragen offen bleiben,
dann reden Sie mit uns. Wir sind vonEtherCAT begeistert, und möchten auch
Sie für die Technologie begeistern.

Im Namen des ETG-Teams,
Martin Rostan, Executive Director,
EtherCAT Technology Group

24 Systemübersicht
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35
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EtherCAT P: Kommunikation und Power auf einer Leitung
Sichere Datenübertragung mit Safety-over-EtherCAT
Kommunikationsprofile
Anlagenweite Kommunikation mit dem EtherCAT Automation Protocol (EAP)
Integration anderer Bussysteme
EtherCAT, Industrie 4.0 und IoT

38 EtherCAT-Schnittstellen-Implementierung
40 Master-Implementierung
42 Slave-Implementierung
44 Konformität und Zertifizierung

47 Kontakt

Martin Rostan, Executive Director,
EtherCAT Technology GroupDas weltweite ETG-Team bei einem
Global Strategy Meeting34

EtherCAT auf einen Blick

EtherCAT ist die Industrial-EthernetTechnologie, die durch herausragende
Performance, niedrige Kosten, flexible
Topologie und einfache Handhabung
gekennzeichnet ist. EtherCAT wurde 2003
vorgestellt, ist seit 2007 internationaler
Standard und wird durch die EtherCAT
Technology Group gefördert und weiterentwickelt. EtherCAT ist eine offene
Technologie: Jeder darf sie implementieren und nutzen.

Funktionsprinzip
EtherCAT-Feldgeräte verarbeiten die
Ethernet-Frames im Durchlauf. Jeder Teilnehmer entnimmt die für ihn bestimmten
Daten und fügt seine Daten in den gleichen Frame ein, während der Frame schon
weitergeleitet wird. Dadurch genügt meist
ein einziger Frame pro Zyklus, und die
Ethernet-Bandbreite wird ideal ausgenutzt.
Auf Switches oder Hubs kann verzichtet
werden.

5Topologie

KostenOffenheit

EtherCAT unterstützt bis zu 65.535 Teilnehmer bei völlig freier Topologiewahl:
Linie, Abzweig, Baum, Stern – in jeder beliebigen Kombination. Die Fast-EthernetPhysik erlaubt bis zu 100 m zwischen
jeweils zwei Teilnehmern; für längere
Strecken kommen Lichtleiter zum Einsatz.
An- und Abkoppeln von Geräten undSegmenten im laufenden Betrieb und
Leitungsredundanz durch Ringtopologie
komplettieren die Flexibilität.

EtherCAT bewegt sich auch hinsichtlichder Kosten auf Feldbus- und nicht auf
Industrial-Ethernet-Niveau: keine aktiven
Infrastrukturkomponenten, keine spezielle
Hardware im Master.
Kostengünstige hochintegrierte
Chips von mehreren Anbietern sorgen fürniedrige Anschaltkosten im Feldgerät.
Auf IT-Expertise für Inbetriebnahme und
Wartung kann verzichtet werden.

EtherCAT ist offengelegt und international
genormt, und jeder darf die Technologie inkompatibler Form nutzen. Offenheit heißt
bei EtherCAT aber nicht, dass jeder die
Technologie ohne Rücksprache verändern
darf – das wäre das Ende der Interoperabilität. Die Weiterentwicklung von EtherCAT
findet in der EtherCAT Technology Group
statt, der weltgrößten Feldbusnutzerorganisation.

Industrial-Ethernet

Verbreitung

Natürlich unterstützt EtherCAT die
Internettechnologien: Das Ethernetover-EtherCAT-Protokoll transportiert
unter anderem FTP, HTTP und TCP/IP,
ohne dabei die Echtzeitfähigkeit desSystems zu beeinträchtigen.

EtherCAT ist weltweit im Einsatz. Die Anbietervielfalt ist einzigartig. Nicht nur zur
Steuerung von Maschinen und Anlagen,auch in der Messtechnik, in der Medizintechnik, in Fahrzeugen und mobilen
Maschinen sowie in zahllosen EmbeddedSystemen ist EtherCAT verbreitet.

Vielseitig
EtherCAT ist sowohl für zentrale als auchfür dezentrale Architekturen geeignet,
unterstützt Master/Slave-, Master/Masterund Slave/Slave-Kommunikation und kannunterlagerte Feldbusse einbinden. Mit dem
EtherCAT Automation Protocol deckt es
auch die Fabrikebene ab und nutzt hierzu
die vorhandene Infrastruktur.

Performance

EinfachDas besondere Funktionsprinzip macht
EtherCAT zur schnellsten IndustrialEthernet-Technologie: Kein anderer
Ansatz kann die Bandbreitennutzung
und damit die Performance von EtherCATübertreffen.

Noch einfacher als der klassische Feldbus:
automatische Adressvergabe, kein Netzwerk-Tuning mehr sowie eingebaute Dia­
gnose mit Fehlerlokalisierung. EtherCAT
kommt ganz ohne Switch-Konfigurationoder komplexes Handling von MAC- oder
IP-Adressen, wie bei Industrial Ethernet
sonst üblich, aus.

Funktionale Sicherheit
Safety-over-EtherCAT ist wie EtherCAT
selbst besonders schlank und dadurchschnell. Funktionale Sicherheit kann direkt
im Bussystem integriert werden, mit zentraler oder dezentraler Sicherheitslogik.
Dank des Black-Channel-Ansatzes kann
Safety-over-EtherCAT bei Bedarf auch überandere Bussysteme genutzt werden.

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ETG-Messestände präsentieren
sowohl die Technologie als auch die
Produktvielfalt von EtherCAT.

Weltweit finden regelmäßig
ETG-Mitgliedertreffen statt.

EtherCAT Technology Group

Jeder soll EtherCAT nutzen und implementieren können. Hierfür steht die EtherCAT
Technology Group, kurz ETG. In der ETG
haben sich Hersteller von EtherCAT-Geräten, Technologie-Anbieter und Anwenderzusammengeschlossen, um EtherCAT
voranzubringen.
In einer Vielzahl von technischen
Arbeitskreisen wird EtherCAT erweitert
und umsichtig weiterentwickelt. Inter­
operabilität und Stabilität stehen dabei
im Vordergrund: Es gibt eine EtherCATVersion, nicht jedes Jahr eine neue.
Die ETG richtet mehrmals jährlich
EtherCAT Plug Fests in Europa, Asien und
Amerika aus. Dort treffen sich Entwickler
von EtherCAT-Geräten, um deren Inter­
operabilität zu testen. Mit dem offiziellen
EtherCAT Conformance Test Tool prüfen
die Hersteller ihre EtherCAT-Geräte vor
der Freigabe auf Konformität. Konformitätszertifikate werden von der ETG nachbestandenem Test in einem akkreditierten
EtherCAT-Testlabor ausgestellt.
Weltweit führt die ETG Seminare undtechnische Trainings durch und stellt
EtherCAT auf Messen vor. Produktübersichten, gemeinsame Messestände undAusstellungen bei Seminaren helfen den
Mitgliedern, ihre EtherCAT-Produkte zu
vermarkten.

Die EtherCAT Technology Group ist der
mitgliederstärkste Feldbusverband derWelt. Die Liste der Mitgliedsfirmen ist auf
der EtherCAT-Webseite zu finden. Die ETG
hat aber nicht nur besonders viele, sondern auch besonders aktive Mitglieder. Die
Vielzahl und Vielfalt von EtherCAT-Geräten
sucht ihresgleichen: Die Geschwindigkeit,
mit der sich EtherCAT weltweit verbreitet,
ist einzigartig. Keine vergleichbare Technologie weist ähnliche Verbreitung auf.

ETG-Mitglied werden
Die ETG-Mitgliedschaft steht allen Firmen
offen. Anbieter und Anwender sind gleichermaßen willkommen. ETG-Mitglieder
erhalten Zugang zu Spezifikationen
und zum Entwicklerforum,
tragen in den technischen Arbeitskreisen der ETG zur Weiterentwicklung
von EtherCAT bei,werden von den ETG-Büros bei der
Implementierung der Technologie
unterstützt,bekommen kostenlose Software-Stacks
und -Tools sowie Zugang zu weiteren
Entwicklungsprodukten,
dürfen das EtherCAT- und das ETG-Logonutzen,präsentieren ihre EtherCAT-Produkteund -Dienstleistungen im offiziellen
EtherCAT Product Guide auf der ETGWebseite, auf Gemeinschaftsständen
während Messen und bei weiteren
ETG-Veranstaltungen.
Satzung, Mitgliedsantrag undweitere Informationen:
info@ethercat.org und www.ethercat.org

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Internationale Normung

Globale Aktivitäten

Die EtherCAT Technology Group ist offizieller IEC-Normungspartner. EtherCAT und
Safety-over-EtherCAT sind internationale
IEC-Standards (in IEC 61158 und IEC 61784).
Genormt sind hierbei nicht nur die unteren
Protokollschichten, sondern auch Anwendungsschicht und Geräteprofile, z. B. fürAntriebstechnik. SEMI™ (Semiconductor
Equipment and Materials International)
hat EtherCAT als Kommunikationsstandard(E54.20) für die Halbleiterindustrie akzeptiert. Die Arbeitskreise der ETG Semiconductor Technical Working Group definieren
entsprechende branchenspezifische Geräteprofile und Implementierungsrichtlinien.
Die EtherCAT-Spezifikation steht inenglischer, japanischer, koreanischer undchinesischer Sprache zur Verfügung.

Die EtherCAT Technology Group ist eine
weltweit agierende Vereinigung. ETGBüros in Europa, Nordamerika, Japan,
China und Korea unterstützen die Mitglieder vor Ort bei der Nutzung und
Implementierung der Technologie.
Zur Pflege der Technologie werdenin Technical Working Groups (TWG)
Erweiterungen und einheitliche Verhaltensweisen in gerätespezifischen Profilen
definiert. Alle Mitglieder sind aufgefordert,sich aktiv an der Arbeit dieser TWGs zu
beteiligen.

In vielen Ländern ist EtherCAT
zusätzlich auch nationaler Standard,z. B. in Korea und China.

EtherCAT-Meilensteine

2003

 orstellung  
V
von EtherCAT

2007 therCAT ist
E
IEC-StandardGründung der ETG

2005

 afety-overS
EtherCAT2006

 therCATE
ASIC

2008

 therCAT
E
Conformance
Test Tool2009

1000. Mitglied

20122000. Mitglied est-Center inT
Deutschland undJapan rofile für die
P
Halbleiter­branche

2011

2013

 therCATE
Interfacein StandardµP & -µC

2500. Mitglied est-Center
Tin China

2014

3000. Mitglied est-Center inT
den USA2015

FSoE Test-CenterI ndustrie-4.0und IoT-Initiative

 therCAT ist
Echinesischer
Standard20171 0 Jahre
ETG-Büros in
China, Korea
und USATSN-Profil

2016

4000. MitgliedEtherCAT P

2018

5000. Mitglied
Steuerungsunabhängige DiagnoseSchnittstelle

2019EtherCAT G

8Warum entscheiden sich Anwenderfür EtherCAT?

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EtherCAT ist „the engineer’s choice“ – das einzigartige Funktionsprinzip ist überzeugend.
Darüber hinaus sind häufig die folgenden Gründe ausschlaggebend:

1. Außergewöhnliche
Performance
EtherCAT ist die mit Abstand schnellste
Industrial-Ethernet-Technologie. Hinzu
kommt die überragende Synchronisationsgenauigkeit im Nanosekundenbereich.
Natürlich profitieren davon alle Anwendungen, bei welchen über den Bus geregeltoder auch gemessen wird. Aufgrund derdeutlich verkürzten Reaktionszeit werden
zudem auch alle Applikationen effizienter,bei denen Weiterschaltbedingungen vorkommen. Zudem entlastet die EtherCATSystemarchitektur die Steuerung: Bei gleicher Zykluszeit sind 25 bis 30 % weniger
CPU-Belastung im Vergleich zu anderen
Bussystemen typisch. Richtig eingesetzt
führt die EtherCAT-Performance zu höherer
Genauigkeit, mehr Durchsatz und damit
auch zu niedrigeren Kosten.

2. Flexible Topologie
Bei EtherCAT bestimmt die Anlagenstruktur
die Netzwerktopologie, nicht das Bussystem.
Switches oder Hubs werden nicht benötigt,
also gibt es auch kein Limit bezüglich deren
Kaskadierung. Es gibt bei EtherCAT praktisch keine Einschränkungen hinsichtlichder Bustopologie. Linie, Baum, Stern undjede Kombination daraus sind bei nahezu
beliebiger Knotenanzahl möglich. Dank automatischer Link-Erkennung können Knoten
und Netzsegmente im laufenden Betrieb

ab- und wieder angekoppelt werden – sogar
an anderer Stelle. Für Leitungsredundanz
wird die Linie zum Ring ergänzt. Auf MasterSeite ist neben Software lediglich ein zweiter Ethernet-Port erforderlich; Feldgeräte
unterstützen die Redundanz ohnehin. Damit
wird auch ein Gerätetausch im laufenden
Betrieb möglich.

3. Einfach und robust
Konfiguration, Diagnose und Wartungsind bedeutende Kostenfaktoren. Mit dem
Ethernet-Feldbus EtherCAT werden diese
Aufgaben stark vereinfacht: Knotenadressen vergibt EtherCAT auf Wunsch automatisch, die manuelle Einstellung entfällt.
Geringe Buslast und die Peer-to-PeerPhysik maximieren die elektromagnetische
Verträglichkeit. Etwaige Störungen werden
nicht nur zuverlässig erkannt, sondern
auch exakt lokalisiert: Das verkürzt die
Fehlersuche. Durch Soll-Ist-Vergleich beim
Aufstarten der Anlage werden auch Abweichungen vom geplanten Layout sofort festgestellt. Auch bei der Konfiguration hilft
die EtherCAT-Performance: Das von anderen Systemen bekannte Netzwerktuning ist
nicht erforderlich. Und dank der großen
Bandbreite wird zusätzlicher TCP/IPVerkehr einfach mit übertragen. Aber da
EtherCAT selbst nicht TCP/IP-basiert ist,sind weder MAC- oder IP-Adressen zu verwalten, noch IT-Experten für Switch- oderRouter-Konfiguration gefragt.

4. Integrierte Sicherheit
Funktionale Sicherheit als integraler
Bestandteil der Netzwerkarchitektur –mit Safety-over-EtherCAT (FSoE) kein
Problem. Die Technologie ist bewährt:Seit 2005 gibt es TÜV-zertifizierte Geräte.
FSoE erfüllt die Anforderungen nach SIL 3
und eignet sich für zentrale SafetySteuerungen ebenso wie für dezentrale.
Dank Black-Channel-Ansatz und besonders schlankem Safety-Container kannFSoE auch auf anderen Bussen eingesetzt
werden. Der integrierte Ansatz sowie dasschlanke Protokoll führen zu niedrigen
Systemkosten. Und auch eine nicht-sichere
Steuerung darf die sicherheitsrelevanten
Daten mithören und auswerten.

5. Kostengünstig
EtherCAT ist Industrial-Ethernet auf odersogar unter dem Kostenniveau der klassischen Feldbusse. Ein Ethernet-Port ist
die einzige Hardware-Anforderung an
den Master. Teure Einsteckkarten oder
Co-Prozessoren sind überflüssig. EtherCAT
Slave Controller (ESC) sind von verschie­
denen Herstellern verfügbar; als ASIC,
auf FPGA-Basis oder auch als Option
für Standard Mikroprozessorbaureihen.
Da diese kostengünstigen Controller allezeitkritischen Aufgaben übernehmen, stellt
EtherCAT keine Anforderungen an die CPUPerformance der angebundenen Geräte:
Niedrige Anschaltkosten sind die Folge.
Und weil EtherCAT keine Switches oderandere aktive Infrastrukturgeräte benötigt,
entfallen auch die Kosten für Kauf, Installation, Konfiguration und Wartung dieser
Baugruppen.

EtherCAT wird deshalb
u. a. eingesetzt in: oboternRWerkzeugmaschinenVerpackungsmaschinen
Druckmaschinen
Kunststoffmaschinen
Pressen und Stanzen
HalbleiterfertigungsanlagenPrüfständen
BestückungsanlagenMesssystemen  Kraftwerken
SchaltanlagenLogistikanlagenGepäckförderanlagenBühnensteuerungenverketteten MontageanlagenPapiermaschinenTunnelsteuerungenSchweißanlagen
Kränen und Aufzügen
AgrarmaschinenÖl- und Gasförderanlagen
Sägewerken
FensterbaumaschinenGebäudesteuerungenHütten- und Walzwerken
WindenergieanlagenFräsmaschinenfahrerlosen Transportsystemen
UnterhaltungsshowsMedizingeräten
HolzbearbeitungsanlagenFlachglasanlagen
Wägesystemen
etc.

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Die Technologie im Detail

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Die Grundlage: Ethernet

Das EtherCAT-Funktionsprinzip

EtherCAT ist Industrial-Ethernet und nutzt Standard-Frames und die physikalischen
Schichten aus dem Ethernet-Standard IEEE 802.3. Für die Nutzung eines Ethernet-basierten Kommunikationssystems in der Automatisierungstechnik gibt es gegenüber der ITund Office-Welt weitere Anforderungen:Harte Echtzeit mit deterministischen Antwortzeiten wird benötigt.
In der Regel sind in den Anlagen viele Teilnehmer vorhanden, die jeweils nur
wenige zyklische Prozessdaten besitzen.
Die Kosten für Geräte spielen eine viel wichtigere Rolle.

EtherCAT umgeht diese Nachteile durch das besonders performante Funktionsprinzip:
Ein Frame reicht in der Regel aus, um in allen Teilnehmern die Ausgangsinformationen zu
aktualisieren und mit dem gleichen Frame die Eingangsinformationen für die Steuerung
einzulesen!
Das vom EtherCAT-Master ausgesandte Telegramm durchläuft alle Teilnehmer. Jeder
EtherCAT-Slave liest die an ihn adressierten Ausgangsdaten im Durchlauf („on-the-fly“)
und legt seine Eingangsdaten in den weitergeleiteten Frame. Das Telegramm wird nur
durch Hardware-Durchlaufzeiten verzögert. Der letzte Teilnehmer eines Segments (oderAbzweigs) erkennt einen offenen Port und sendet das Telegramm zum Master zurück.
Hierbei wird die Full-Duplex-Eigenschaft der Ethernet-Physik ausgenutzt.
Die maximale Nutzdatenrate eines Telegramms liegt dadurch bei über 90 %, und die
theoretische effektive Datenrate durch Ausnutzung der Full-Duplex-Eigenschaft sogar beiüber 100 Mb/s (mehr als 90 % von zweimal 100 Mb/s).
Der EtherCAT-Master ist der einzige Teilnehmer im Segment, der aktiv einen EtherCATFrame versenden darf; alle anderen Teilnehmer leiten die Frames nur weiter. Dies vermeidet unvorhersehbare Verzögerungen und garantiert die Echtzeitfähigkeit.
Der Master nutzt einen Standard-Ethernet Medium Access Controller (MAC) ohneeinen zusätzlichen Kommunikationsprozessor. Damit kann ein Master auf jeder Hardware-Plattform installiert werden, die einen Ethernet-Port zur Verfügung stellt. Das verwendete Echtzeit-Betriebssystem oder die Applikationssoftware sind dabei unerheblich.
Die EtherCAT-Feldgeräte nutzen einen EtherCAT Slave Controller (ESC) für die Verar­
beitung im Durchlauf. Die Verarbeitung erfolgt also vollkommen in Hardware, wodurch
die Performance des Netzwerks berechenbar wird und nicht von der Implementierung
der einzelnen Netzwerkteilnehmer abhängt.

Diese Anforderungen schließen die Nutzung eines Standard-Ethernet-Netzwerks innerhalb der Feldebene praktisch aus. Wird für jeden Teilnehmer ein individuelles EthernetTelegramm genutzt, dann sinkt bei wenigen Bytes zyklischer Prozessdaten die effektive
Datenrate erheblich: Das kürzeste Ethernet-Telegramm hat eine Länge von 84 Byte (inkl.
Inter Frame Gap), von denen bis zu 46 Byte für Nutzdaten verwendet werden können.
Wenn beispielsweise ein Antrieb 4 Byte Prozessdaten für die aktuelle Position und eine
Statusinformation versendet und ebenfalls 4 Byte Daten für die Zielposition und eine
Control-Information empfängt, sinkt die Nutzdatenrate für die beiden Telegramme auf
4/84 = 4,8 %. Hinzu kommt in der Regel eine Reaktionszeit im Antrieb, um durch den
Empfang der Sollwerte das Senden der Istwerte auszulösen. Von der 100-Mb/s-Datenrate bleibt dann nicht viel übrig.
Protokoll-Stacks, wie sie in der IT-Welt für das Routing (IP) und den Verbindungsaufbau (TCP) verwendet werden, bedeuten einen zusätzlichen Overhead in den Teilnehmern
und bedingen durch die Stack-Laufzeiten weitere Verzögerungen.

Protokolleigenschaften

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EtherCAT nutzt Standard-Ethernet-Frames. In die Frames eingebettet sind die EtherCATNutzdaten. Ein EtherCAT-Frame wird durch Verwendung der Kennung (Ox88A4) im EtherType-Feld identifiziert. Da das EtherCAT-Protokoll für kurzzyklische Prozessdaten optimiert
ist, kann auf die Verwendung von belastenden Protokoll-Stacks, wie z. B. TCP/IP oder
UDP/IP, verzichtet werden.

Ethernet header

ECAT

EtherCAT framenötig, die Daten von jedem einzelnen Feldbusteilnehmer einzeln auszulesen und dannmit Hilfe des Prozessors diese Daten zu sortieren und in den Arbeitsspeicher zu kopieren.
Mit EtherCAT muss der Master nur einen EtherCAT-Frame mit neuen Ausgangsdaten
füllen und kann diesen per automatischem Direct Memory Access (DMA) an den MAC
senden. Wenn der Frame mit den Eingangsinformationen vom MAC wieder empfangen
wird, kann dieser ihn ebenfalls per DMA in den Arbeits­speicher des Rechners kopieren.
Ein aktives Kopieren durch die CPU wird nicht benötigt.
Zusätzlich zu den zyklischen Daten können weitere Datagramme eingefügt werden,um asynchrone oder bedarfsgesteuerte Kommunikation zu ermöglichen.

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Ethernet

Preamble

SFD

DA

SA

EtherType

Frame HDR

Datagram 1

Datagram 2

Datagram n

PAD

FCS

(7)

(1)

(6)

(6)

(2)

(2)

(10+n+2)(10+m+2)(10+k+2)(0…32)(4)

EtherType Ox88A4
EtherCAT: Standard-Ethernet-Telegramm entsprechend IEEE 802.3

Zur Wahrung einer Ethernet-IT-Kommunikation zwischen den Teilnehmern können
TCP/IP-Verbindungen optional parallel über einen Mailbox-Kanal getunnelt werden,
ohne dabei den Echtzeitverkehr zu beeinträchtigen.
Die Konfiguration bzw. das Mapping der Prozessdaten wird während des Hochlaufs
vom Master in den Teilnehmern konfiguriert. Pro Teilnehmer können unterschiedlich
viele Daten ausgetauscht werden: von einer Bit-Information über einige Bytes bis
hin zu Kilobytes.
Der EtherCAT-Frame enthält den Frame-Header sowie ein oder mehrere Datagramme.
Im Datagramm-Header wird festgelegt, welchen Zugriff der Master im Netzwerk durchführen möchte:
Lesen, Schreiben, Lesen und SchreibenZugriff auf einen bestimmten Slave durch direkte Adressierung oder Zugriff auf viele
Slaves durch eine logische Adressierung (implizite Adressierung)
Die logische Adressierung wird für den zyklischen Austausch der Prozessdaten verwendet. Jedes Datagramm adressiert einen bestimmten Teil des Prozessabbilds im EtherCATSegment. Hierfür steht ein 4-GB-Adressraum zur Verfügung. Jeder Knoten bekommt
beim Hochlauf des Netzwerks eine oder mehrere Adressen in diesem Adressraum
zugewiesen. Indem mehrere Teilnehmer eine Adresse im gleichen Bereich bekommen,
können sie über ein einziges Datagramm angesprochen werden. Da die Information überden gewünschten Datenzugriff vollständig in den Datagrammen enthalten ist, kann der
Master entscheiden, wann er auf welche Daten zugreift. Er kann dies zum Beispiel nutzen, um mit kurzen Zykluszeiten die Antriebe im System zu aktualisieren und gleichzeitig
mit einer längeren Zykluszeit die I/Os abzufragen; ein fester Frame-Aufbau  ist nicht vorgeschrieben. Dies entlastet auch den Master: In bisherigen Feldbusanschaltungen war es

Ethernet header

ECAT HDR

Datagram 1

Datagram 2

Datagram 3

Logical Process
Image Task 1

Logical Process
Image Task 2

Logical Process
Image Task 3

Prozessdaten werden im Durchlauf in das Telegramm eingefügt.

Neben der logischen Adressierung hat der Master die Möglichkeit, einen Teilnehmer anhand seiner Position im Netzwerk zu adressieren. Dies wird verwendet, um die Topologie
des Netzwerks beim Aufstarten auszulesen und gegen eine erwartete Konfiguration zu
prüfen.
Nachdem die Konfiguration überprüft wurde, kann der Master jedem Knoten eine konfigurierte Knotenadresse zuweisen und ihn von da an über diese fixe Knotenadresse erreichen. Damit ist ein gezielter Gerätezugriff auch dann möglich, wenn sich die Topologie
im laufenden Betrieb ändert, zum Beispiel durch Hot-Connect-Gruppen. Slave-zu-SlaveKommunikation kann auf zwei Weisen erfolgen: Ein Teilnehmer kann einem anderen Teilnehmer, der weiter hinten im Netzwerk eingebunden ist, direkt Daten zusenden. Da die
Verarbeitung des EtherCAT-Frames nur in Vorwärtsrichtung erfolgt, ist diese direkte Kommunikation topologieabhängig. Sie ist besonders geeignet für Slave-zu-Slave-Beziehungen

Ethernet

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in einem festen Maschinendesign, zum Beispiel in Druck- oder Verpackungsmaschinen.
Frei konfigurierbare Slave-zu-Slave-Kommunikation erfolgt hingegen über den Master.
Hierfür werden zwei Buszyklen benötigt (nicht unbedingt zwei Steuerungszyklen); dank
der hervorragenden Performance von EtherCAT ist dies dennoch schneller als bei anderen
Ansätzen.

Flexible Topologie
Linie, Baum, Stern, Abzweig: EtherCAT unterstützt nahezu alle Topologievarianten.
Eine reine Bus- bzw. Linientopologie aus vielen hunderten Teilnehmern ist mit EtherCAT
möglich; und das ohne Einschränkungen, die sich bei anderen Systemen z. B. aus der
Kaskadierung von Switches oder Hubs ergeben.

Flexible Topologie: Linie, Baum, Stern oder Abzweig

Für die Systemverdrahtung ist aber auch besonders die Kombination aus Linie undAbzweigen oder Stichleitungen von Vorteil: Die hierfür benötigten Abzweigports sind
auf vielen I/O-Modulen direkt integriert. Switches oder andere aktive Infrastruktur­komponenten werden nicht benötigt. Natürlich kann auch die für Ethernet klassische Sterntopologie genutzt werden.
Modulare Maschinen oder Werkzeugwechsler benötigen ein Zu- und Abschalten vonNetzwerksegmenten oder einzelnen Teilnehmern im laufenden Betrieb. In den EtherCAT
Slave Controllern ist die Grundlage für diese Hot-Connect-Funktion bereits enthalten:  
Wird eine Partnerstation abgezogen, dann wird der Port automatisch geschlossen, so dassdas verbleibende Netzwerk störungsfrei weiterarbeiten kann. Sehr kurze Detektionszeiten
von weniger als 15 μs gewährleisten dabei eine stoßfreie Umschaltung.
Eine hohe Flexibilität bietet auch die Varianz der möglichen Kabel. Kostengünstige
Industrial-Ethernet-Kabel können für den 100BASE-TX-Modus mit einer Länge von 100 m
zwischen zwei Teilnehmern verwendet werden. Lichtleiter können ebenfalls genutzt werden, zum Beispiel, um zwischen zwei Teilnehmern Strecken von über 100 m zu überwinden. Darüber hinaus ermöglicht die Protokollerweiterung EtherCAT P die Übertragung vonDaten und Strom auf nur einem Kabel. Diese Option erlaubt den Anschluss von Geräten,beispielsweise Sensoren, mit nur einer Leitung. Die komplette Bandbreite an EthernetVerkabelung steht also auch für EtherCAT zur Verfügung.
Da bei EtherCAT bis zu 65.535 Teilnehmer in einem Segment angeschlossen werden
können, ist die Netzwerkausdehnung nahezu unbegrenzt. Dank der praktisch unbeschränkten Teilnehmerzahl können modulare Geräte wie z. B. anreihbare I/O-Stationen
so ausgeprägt werden, dass jedes Modul ein eigener EtherCAT-Teilnehmer ist. Damit entfällt der sonst erforderliche lokale Erweiterungsbus; die EtherCAT-Performance erreichtjedes Modul direkt und ohne Verzögerung, da das Gateway in der Kopfstation entfällt.

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16

Hochgenaue Synchronisierung
mit Distributed Clocks

Da die Uhrzeitinformation der Referenzuhr durch die Laufzeitverzögerung auf dem
Kabel und in den Teilnehmern erst verspätet bei den Slave-Uhren empfangen wird, isteine Messung und ein Ausgleich dieser Verzögerung für jeden Teilnehmer notwendig,
um neben der physikalischen Synchronität auch Gleichzeitigkeit zu erreichen. Auch diese
Gleichzeitigkeit ist signifikant kleiner als 1 μs.

Der exakten Synchronisierung kommt immer dann eine besondere Bedeutung zu, wenn
räumlich verteilte Prozesse gleichzeitige Aktionen erfordern. Das kann z. B. in Applikationen der Fall sein, bei denen mehrere Servoachsen gleichzeitig koordinierte Bewegungenausführen.
Im Gegensatz zur vollsynchronen Kommunikation, deren Qualität bei Kommunikationsstörungen sofort leidet, verfügen verteilte abgeglichene Uhren über ein hohes Maß an
Toleranz gegenüber möglichen störungsbedingten Verzögerungen im Kommunikationssystem. Daher basiert die EtherCAT-Lösung zur Synchronisierung von Teilnehmern auf
dem Mechanismus der verteilten Uhren, genannt Distributed Clocks (DC).

t

Die Synchronisierung der Teilnehmer erfolgt vollständig hardwarebasiert;
Laufzeitverzögerungen werden berechnet und ausgeglichen.

Der Abgleich der Uhren in den Teilnehmern erfolgt vollständig in Hardware. Hierfür wird
die Uhrzeit des ersten synchron arbeitenden Feldgeräts zyklisch an alle anderen Uhren
im System verteilt. Die Uhren in den Teilnehmern können sich dadurch exakt auf dieseReferenzuhr einregeln. Der resultierende Jitter im System ist signifikant kleiner als 1 µs.

Synchronität und Gleichzeitigkeit:
Scope-Aufnahme zweier verteilter
Geräte; dazwischen sind 300 Knoten
und 120 m Leitungslänge.

Wenn alle Teilnehmer die gleiche Zeitinformation besitzen, dann können in den Teilnehmern Ausgänge gleichzeitig gesetzt werden und Eingangssignale mit einem hochgenauen Zeitstempel versehen werden. Bei Motion-Control-Anwendungen ist neben Synchronität und Gleichzeitigkeit auch die Zyklustreue entscheidend: Typischerweise wird
hier die Geschwindigkeit aus der zyklisch gemessenen Position ermittelt. Besonders bei
kurzen Zykluszeiten macht sich bereits ein kleiner Jitter in der Erfassung der Position inForm eines großen Sprungs in der Geschwindigkeit bemerkbar. Wenn die Positionserfassung aber nicht mit dem Empfang des Telegramms erfolgt, sondern äquidistant aufgrund
der Distributed Clock, wird eine wesentlich höhere Genauigkeit erreicht.
Die Verwendung der Distributed Clocks entlastet auch den Master: Das Versenden eines EtherCAT-Telegramms wird in einem Bereich von mehr als einer Mikrosekunde jittern,da der Master-Stack in Software realisiert ist und eine Standard-Ethernet-Schnittstelle verwendet wird. Da die zum Sendezeitpunkt des Telegramms aus der Referenzuhr gelesene
Uhrzeit verwendet wird, um die Uhren in den Teilnehmern nachzustellen, ist der absolute
Sendezeitpunkt unerheblich und darf auch jittern. Der EtherCAT-Master muss nur noch
dafür sorgen, dass das EtherCAT-Telegramm früh genug verschickt wird, bevor in den
Teilnehmern das DC-Signal den Trigger zum Setzen der Ausgänge gibt.

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Diagnose und Fehlerlokalisierung
Die Erfahrungen mit den klassischen Feldbussystemen zeigen, dass die Verfügbarkeit
und Inbetriebnahmezeit einer Anlage wesentlich durch die Diagnoseeigenschaften desSystems bestimmt werden. Hierbei ist neben der Fehlererkennung auch die Fehlerlokalisierung für eine schnelle Behebung wichtig. Neben der Möglichkeit zum Einscannen undVergleichen der Netzwerktopologie während des Hochlaufs unterstützt EtherCAT system-­­inhärent viele weitere Diagnoseeigenschaften.
In jedem Knoten wird das durchlaufende Telegramm vom EtherCAT Slave Controller
mit Hilfe einer Prüfsumme auf Fehler untersucht. Nur wenn das Telegramm fehlerfrei
empfangen wurde, werden die Informationen auch der Slave-Applikation zur Verfügung
gestellt. Fehlerhafte Telegramme hingegen inkrementieren einen Zähler und werden für
die nachfolgenden Teilnehmer als fehlerhaft gekennzeichnet. Das fehlerhafte Telegramm
wird auch im Master erkannt und dort ebenfalls verworfen. Über das Auslesen der Fehlerzähler der Teilnehmer ist der Master in der Lage, die Fehlerstelle im System exakt zu
lokalisieren. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den klassischen Feldbussystemen,bei denen sich Störungen auf der gemeinsam genutzten Busleitung im System ausbreiten
und die Quelle einer Störung nicht lokalisiert werden kann. Selten auftretende Störeinflüsse können bei EtherCAT erkannt und lokalisiert werden, selbst wenn die Störungen die
Funktionalität der Maschine noch nicht beeinflussen.
Dank der deutlich besseren Bandbreitennutzung ist bei EtherCAT die Wahrscheinlichkeit, dass ein Frame von einer Störung verfälscht wird, ohnehin deutlich geringer als bei
Technologien mit einzelnen Frames – gleiche Zykluszeit vorausgesetzt.
Und wenn, wie bei EtherCAT üblich, kürzere Zykluszeiten Verwendung finden, ist die
temporäre Wirkung einer etwaigen Störung signifikant verringert. Damit wird auch dieapplikative Beherrschung solcher Störungen deutlich vereinfacht.
In den Datenpaketen ermöglicht in jedem Datagramm ein Working Counter (WC) dieÜberwachung der Datenkonsistenz. Jeder Teilnehmer, der von einem Datagramm adressiert wird und dessen Speicherbereich für den Datenzugriff verfügbar ist, inkrementiert
den Working Counter automatisch. Der Master kann dadurch zyklussynchron überprüfen,ob alle konfigurierten Teilnehmer die Daten auch bearbeitet haben. Mit Hilfe von Statusund Fehlerinformationen der Teilnehmer sowie ggf. dem Link-Status kann der Masterdann den Grund für das unerwartete Verhalten ermitteln.
Ethernet-Netzwerkverkehr kann mit Hilfe von kostenfreien Software-Tools aufgezeichnet werden. Diese Tools können für EtherCAT ebenfalls verwendet werden, da EtherCATStandard-Ethernet-Telegramme nutzt. Das weit verbreitete Tool Wireshark hat beispielsweise einen Protokollinterpretierer für EtherCAT in der Installation enthalten, so dassdie protokollspezifischen Informationen, wie etwa Working Counter, Kommandos etc.,
in Klartext angezeigt werden.

Weitere Informationen zur Diagnose: www.ethercat.org/diagnose

CyclicAcyclic

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Cyclic Synchronous Diagnostics- Working Counter

Hardware Diagnostics

Software Diagnostics- Lost Link Counters- RX Error Counters- State Machine Errors- Diagnosis History Object

Hardware

SoftwareÜbersicht der Diagnosefunktionalitäten von EtherCAT

Master-unabhängige Diagnoseschnittstelle
Dank der im vorangegangenen Abschnitt erläuterten Funktionen stehen dem Masterin allen EtherCAT-Netzwerken sämtliche notwendige Diagnoseinformationen zur Ver­fügung, um den Netzwerkstatus zu überwachen sowie Fehler erkennen und lokalisierenzu können.
Zur Auswertung und Nutzung müssen diese rohen Daten an Diagnose-Tools sowie
Anwender weitergegeben werden. Mit der Spezifikation ETG.1510 Profile for Master
Diagnosis Interface hat die EtherCAT Technology Group eine Lösung definiert, die es
externen Tools ermöglicht, unabhängig vom Master-Hersteller sowie der SoftwareImplementierung auf die vom EtherCAT-Netzwerk zur Verfügung gestellten Diagnose­
informationen zuzugreifen.
Die ETG.1510 erweitert die Spezifikation ETG.1500 EtherCAT Master Classes. Die
Diagnoseinformation wird in das EtherCAT-Objektverzeichnis abgebildet, welches inder ETG.1500 definiert und zu diesem Zweck ergänzt wurde. Sowohl die erwartete
Netzwerkstruktur, wie von der Offline-Konfiguration beschrieben, als auch die aktuelle
Netzwerktopologie, wie sie mittels eines Online-Scans festgestellt wurde, sind hierüber
auslesbar. Die Diagnoseinformation selbst ist in Form von konsistenten, kumulativen
Zählern abgebildet, welche den Netzwerkstatus vom Systemstart bis zum gegenwärtigen
Zeitpunkt zusammenfassen. So kann mit einer Frequenz auf die Diagnoseschnittstellezugegriffen werden, welche unabhängig von der Zykluszeit des EtherCAT-Netzwerks ist,
und externe Tools müssen keine Echtzeitleistung erbringen.

20

Der Zugriff auf die Diagnoseinformationen erfolgt über das „CAN application protocol
over EtherCAT“ (CoE). Die Diagnoseschnittstelle kann damit als schlanke SoftwareErweiterung zusätzlich zu jeder Standard-Master-Implementierung realisiert werden.
Die benötigten Ressourcen einer solchen Software-Erweiterung sind sehr gering, weshalb
sich die Diagnoseschnittstelle für alle Master-Lösungen inklusive einfacher und kompakter
Embedded-Systeme eignet.
Dank der EtherCAT-Diagnoseschnittstelle können Anbieter von Maschinen- undNetzwerkdiagnose-Tools eine universelle Schnittstelle zum Sammeln von Diagnosedaten
aus EtherCAT-Netzwerken nutzen. Sie können diese Informationen anwenderfreundlich und grafisch intuitiv an Techniker und Ingenieure weitergeben, ohne dabei jedes
Mal herstellerspezifisch den Master berücksichtigen oder das Zugriffsprotokoll für jede
unterschied­liche Master-Implementierung anpassen zu müssen.  

Diagnostic
Interface

HMI orDiagnostic
Tool

Diagnostic
Interface

Diagnostic
Interface

Hohe Verfügbarkeit
Bei vielen Anlagen dürfen Kabelunterbrechungen oder der Ausfall eines Teilnehmers
nicht dazu führen, dass das Netzwerk ausfällt oder dass Netzwerksegmente nicht mehrerreichbar sind.
Kabelredundanz wird bei EtherCAT über einfache Maßnahmen ermöglicht: Ein zusätzlicher Ethernet-Port im Master und ein zusätzliches Kabel vom letzten Teilnehmer
zu diesem Port erweitern die Linien- zu einer Ringtopologie; eine Software-Erweiterung
im Master-Stack dient zur Erkennung des Redundanzfalls. Mehr ist nicht notwendig.
Die angeschlossenen Teilnehmer bleiben unverändert und wissen nicht einmal, dass sie ineinem redundanten Netzwerk betrieben werden.

Vendor 1

Kostengünstige Kabelredundanz mit Standard-EtherCAT-Feldgeräten

Vendor 2

Vendor n

Prinzip der Master-unabhängigen Diagnoseschnittstelle

Der Redundanzfall – eine Kabelunterbrechung oder ein ausgefallener Teilnehmer –wird durch die Link-Erkennung der Teilnehmer automatisch erkannt und aufgelöst.
Die Recovery-Zeit liegt bei weniger als 15 μs, so dass maximal ein Kommunikationszyklus
gestört wird. Damit können auch kurzzyklische Motion-Anwendungen im Falle eines
Kabelbruchs ungestört weiterarbeiten.
Auch Master-Redundanz mit Hot-Standby-Funktionen kann mit EtherCAT realisiert
werden. Zudem können gefährdete Maschinenteile, zum Beispiel Teilnehmer, die übereine Schleppkette angebunden sind, per Stichleitungen angebunden werden, um im Falle
einer Unterbrechung nicht weitere Teile des Netzwerks zu beeinflussen.

21

22

EtherCAT G: Kommunikation auf
Gigabit-Level

Segment 1EBC

23

1 Gb/sSegment 2

Als Erweiterung des Standard-EtherCAT-Protokolls ermöglicht EtherCAT G die Datenkommunikation mit 1 Gb/s sowie 10 Gb/s. Dies bietet vor allem da Vorteile, wo besonders viele
Prozessdaten pro Netzwerkteilnehmer transportiert werden müssen, wie es etwa im Bereich der industriellen Bildverarbeitung, in der High-End-Messtechnik oder in komplexen
Motion-Applikationen der Fall ist.
Das EtherCAT-Protokoll selbst sowie alle damit einhergehenden positiven Eigenschaften bleiben auch mit EtherCAT G/G10 erhalten. EtherCAT G/G10 ist vollständig kompatibel
zum IEEE-802.3-Standard und auch die Topologieflexibilität bleibt gänzlich gleich: Abzweige, Stichleitungen, Daisy-Chains oder Baumstrukturen können ohne weiteres realisiert
werden.
Mit der Gigabit-Erweiterung kommt das Branch-Konzept hinzu, welches mit Hilfe
so genannter EtherCAT Branch Controller (EBC) umgesetzt wird. Die EBCs agieren zum
einen als Knotenpunkt zur Integration eigenständiger EtherCAT-Segmente aus 100-Mb/sGeräten, zum anderen ermöglichen sie die parallele Verarbeitung der angeschlossenen
EtherCAT-Segmente in einem EtherCAT-G-Netzwerk. Auch die Kombination von Gb/ssowie 100-Mb/s-Segmenten in einem Netzwerk ist problemlos möglich.
Die Weiterleitung der Daten in die einzelnen Segmente erfolgt prioritäts- und/oder
zeitgesteuert, wobei jeder Abzweig als eigenständiges EtherCAT-Segment betrachtet wird:
Ein Datagramm durchläuft nicht alle Segmente nacheinander, sondern die Segmente werden parallel bearbeitet, was die Durchlaufzeiten gerade in großen Netzwerken signifikant
verringert und die Systemleistung um ein Vielfaches steigert.
Wie bei EtherCAT üblich erfolgt auch die Konfiguration der EtherCAT Branch Controllerüber den Master, weshalb keine zusätzlichen Konfigurationswerkzeuge benötigt werden,
lediglich ein entsprechender Gb/s-Port muss vorhanden sein. Und auch so entscheidende
Funktionalitäten wie Diagnose oder die Netzwerksynchronisierung über Distributed
Clocks werden von den EBCs unterstützt und transparent in die angeschlossenen Seg­
mente weitergegeben.
EtherCAT G/G10 erschließt damit die Vorteile der deutlich gesteigerten Bandbreite undder reduzierten Durchlaufzeiten, ohne dass die Feldgeräte selbst alle mit Gigabit Schnittstellen versehen werden müssen: die bewährten 100-Mb/s-Geräte bleiben erhalten undprofitieren dank der EtherCAT Branch Controller dennoch von der Technologieerweiterung. EtherCAT ist damit auch für erweiterte zukünftige Anforderungen gerüstet.

EBC

100 Mb/s

100 Mb/s

10 Gb/s
Segment 3
EBC

1 Gb/s100 Mb/s

Segment 4

EBC

1 Gb/sSegment 5
10 Gb/s

EBC

100 Mb/s

Beispielhafter Aufbau eines EtherCAT-G/G10-Netzwerks

Weitere Informationen zu EtherCAT G: www.ethercat.org/ethercat-g

100 Mb/s

Systemübersicht
EtherCAT Device Protocol (EDP)

Standard
Ethernet
interfaceDistributed Clocks:
Reference Clock

Decentralized
Safety over EtherCAT
masterPORT 0EPU

EtherCAT Automation Protocol (EAP)

EtherCAT für die Maschinen- und Anlagensteuerung

Safety device

LVDS
backplane

PORT 3ESC

PORT 1

EtherCAT für die Fabrikvernetzung

PORT 2

Flexible topology:- line- tree- star- branch

MES
High process data:
e.g. machine vision

EtherCAT BranchController

High-end
measurement

Externalsynchronization:- GPS- IEEE 1588
- DCF77

Distributed Clocks:
providing extremely
accurate synchronization;jitter << 1 µs

Optical fibre:
up to 20 km between
two devices

EtherCAT P:
data and power on
the same cable

Up to 65,535
devices

EtherCAT P
power
sourceEBC
24 V DC
Segment 1

ID 01
Hot Connect
ERP

Junction

Segment 2

EBC

SwitchID 02

Masterto master
communication

Actor

ID 03

Class A or Class B
master according toMaster Class Directive

Up to 100 m between
two devices

Fieldbus integration via gateway:- Modular Device Profile (MDP)- ADS over EtherCAT (AoE)

Centralized
Safety over
EtherCAT masterSlave to master

Data exchange &synchronization
between EtherCAT
segments

Switchport

Gateway

TabletActor

Explicit device
identification

Junction

Segment m

HMI

SensorHigh availability:
cable redundancy

WiFi

Other fieldbuses

Standard Ethernet
integration:- Ethernet over
EtherCAT (EoE)
e.g. TCP/IP

Drive integration:- CAN application protocol over EtherCAT (CoE)with DS402 Drive Profile- Servo Drive Profile over EtherCAT (SoE)- Safety Drive Profile- Modular Device Profile (MDP)26

EtherCAT P: Kommunikation undPower auf einer Leitung

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RX- TX-

TXUS
TX+ RX+USUPPower: 2 x 24 V DC,
3 A (US, UP )RXUP

EtherCATPower
TX+ RX+GNDS GNDP

Zweikabelanschluss: Daten und Spannungsversorgung getrennt

GNDS
GNDP

EtherCAT P (P = Power) ist ebenfalls eine Erweiterung des bisher beschriebenen EtherCATProtokolls und ermöglicht nicht nur die Übertragung von Kommunikationsdaten, sondern
auch die Spannungsversorgung über ein und dasselbe vieradrige Standard-Ethernet-Kabel.
EtherCAT und EtherCAT P sind protokolltechnisch identisch. Die Erweiterung betrifft
ausschließlich die physikalische Schicht, was auch bedeutet, dass für EtherCAT P keine
neuen EtherCAT Slave Controller vonnöten sind. EtherCAT P bietet demnach die gleichen
Vorteile wie EtherCAT, ermöglicht zusätzlich jedoch die Spannungsversorgung über das
Kommunikationskabel und bietet damit für viele Applikationen attraktive Vorteile.
Zur Versorgung der speziellen EtherCAT-P-Geräte stehen zwei galvanisch getrennte,
auch einzeln schaltbare 24-Volt-Spannungen zur Verfügung, wobei US der System- undSensorversorgung, UP der Versorgung von Peripherie und Aktoren dient. Beide Spannungen, US und UP, sind bei EtherCAT P direkt in die 100-Mb/s-EtherCAT-Kommunikationsleitung eingebunden, und dank Weiterleitung können mehrere EtherCAT-Geräte kaskadiert
werden, alles mit einem Kabel. All das führt zu reduzierter Verkabelung, kompakter und

EtherCAT P: Daten und Spannungversorgung in nur einem Kabel

kostengünstiger Verdrahtung, gesenkten Systemkosten und allgemein einem geringeren
Platzbedarf für Geräte, Zubehör und Maschinen.
Besonders interessant ist EtherCAT P für Maschinenteile, die in sich abgeschlossen undabgesetzt vom Rest des Systems arbeiten und dank der Erweiterung durch eine einzige
Stichleitung mit Daten und Leistung versorgt werden können. Auch für Sensoren aller Art
ist EtherCAT P hervorragend geeignet: Diese werden von nun an über einen speziellen
M8-Stecker ins Highspeed-Netzwerk integriert und an die Versorgungsspannung angeschlossen. Mögliches Fehlstecken wird dank der mechanischen Kodierung des Steckers
ausgeschlossen.
EtherCAT P kann mit EtherCAT im selben Netzwerk genutzt werden. Entsprechende
Einspeisegeräte setzen von der herkömmlichen EtherCAT-Physik auf EtherCAT P um, wobei die Ethernet-Datenkodierung voll erhalten bleibt. Genauso kann ein Gerät für sich mit
EtherCAT P versorgt werden, daneben aber auch herkömmliches EtherCAT weiterleiten.
Weitere Informationen zu EtherCAT P: www.ethercat.org/ethercat-p

Sichere Datenübertragung
mit Safety-over-EtherCAT

28

Moderne Kommunikationssysteme erfüllen heute nicht nur den deterministischen Transport von Steuerungsinformationen, sie bieten außerdem die Möglichkeit, sicherheitsrelevante Daten auf dem gleichen Medium zu übertragen. EtherCAT setzt dabei auf das sichere Protokoll Safety-over-EtherCAT (FSoE = FailSafe over EtherCAT) mit folgenden Vorteilen:ein System für die steuerungs- und die sicherheitsrelevanten Informationen
flexible Erweiterungsmöglichkeiten der sicherheitsrelevanten Anlagenstruktur
vorgefertigte, zertifizierte Sicherheitslösungen für ein hohes Maß an Sicherheitviele Diagnosemöglichkeiten auch für Sicherheitsfunktionen
nahtlose Integration des Sicherheitskonzepts in das Maschinenkonzept
keine getrennten Entwicklungswerkzeuge für Standard- und Sicherheitsapplikation

system EtherCAT bleibt einkanalig und überträgt nebeneinander sichere und StandardInformationen. Die Safety-over-EtherCAT-Frames enthalten die sicheren Prozessdaten sowie
zusätzliche Informationen zur Datensicherung; diese Frames werden als Container mit den
Prozessdaten der Kommunikation verschickt. Die Übertragungsstrecke ist beliebig und nicht
auf EtherCAT beschränkt: So kann der Safety-Container über beliebige Feldbusse, Ethernet
oder ähnliche Kommunikationstechnologien übertragen werden – unabhängig vom physikalischen Medium wie z. B. elektrische Leitungen oder Lichtwellenleiter.
Ethernet telegram
Ethernet header

ECAT HDR

Datagram 1

Datagram 2

FSC

Safety over EtherCAT frame
CMD

Safe data

CRC_0

Safe data

CRC_1

Conn ID

Der Safety-over-EtherCAT-Frame (Safety-Container) wird in die Prozessdaten der zyklischen Kommunikation eingebettet.

Durch diese Unabhängigkeit wird auch die sicherheitsrelevante Vernetzung von Anlagenteilen vereinfacht. Der Safety-Container wird über die Steuerungen geroutet undim anderen Anlagenteil ausgewertet. Übergreifende Not-Halt-Funktionen und gezieltes
Stillsetzen von Maschinenmodulen sind somit problemlos durchführbar, auch wenn dieseüber andere Kommunikationssysteme wie z. B. Ethernet miteinander gekoppelt sind.
Die Implementierung des Protokolls in ein Gerät benötigt nur wenige Ressourcen undkann eine hohe Performance und damit kurze Reaktionszeit erreichen. Es gibt z. B. Roboterapplikationen, die mit Safety-over-EtherCAT in einem 8-kHz-Raster arbeiten.

Relais Logic

Device 1
Controller A
safetyprotocolDevice 2
Controller B
safetyprotocolController B
safetyprotocolEtherCAT Slave ControllerIN
Gegenüber herkömmlicher sicherer I/O-Verdrahtung ermöglicht der Einsatz von Safety-over-EtherCAT wesentlich
einfachere und flexiblere Architekturen.

Die vom TÜV SÜD Rail bestätigte Technologie wurde nach IEC 61508 entwickelt und ist in
der IEC 61784-3 international standardisiert. Das Protokoll ist geeignet, um in Anwendungen bis zu einem Safety Integrity Level SIL 3 eingesetzt zu werden.
Das Transportmedium wird bei Safety-over-EtherCAT als Black Channel betrachtet unddaher nicht in die Sicherheitsbetrachtung einbezogen. Das Standard-Kommunikations-Controller A
safetyprotocolEtherCAT Slave Controller

OUT

IN
EtherCAT

Black-Channel-Prinzip: Die Standard-Kommunikationsanschaltung kann verwendet werden.

Weitere Informationen zu Safety: www.ethercat.org/safety

OUT

29

30

Kommunikationsprofile

CAN application protocol over EtherCAT (CoE)Zur Konfiguration und Diagnose der Teilnehmer kann mit Hilfe von azyklischer Kommunikation auf die für das Netzwerk zur Verfügung gestellten Variablen zugegriffen werden.
Ein zuverlässiges Mailbox-Protokoll, mit Auto-Recover-Funktion fehlerhafter Telegramme,
ist hierfür die Grundlage.
Basierend auf diesem Mailbox-Kanal sind folgende Kommunikationsprofile fürEtherCAT festgelegt:
CAN application protocol over EtherCAT (CoE)Servo drive profile according to IEC 61800-7-204 (SoE)Ethernet over EtherCAT (EoE)File access over EtherCAT (FoE)

File system,
bootloader

File accessSubordinatedobject dictionaries or devices

Gatewayfunction

HTTP, FTP, …

IEC 61800-7-204
application(SERCOS)TCP UDPIDN

IP

ServicechannelCANopenapplication

SDO

AoE

EoE

SoE

Mailbox

CoE

Servo drive profile according to IEC 61800-7-204 (SoE)
SERCOS™ ist als Echtzeit-Kommunikationsschnittstelle für Motion-Control-Anwendungenbekannt. Das SERCOS-Profil für Servoantriebe ist in der IEC 61800-7 genormt. In dieser
Norm ist auch dessen Abbildung auf EtherCAT enthalten. Der Servicekanal, und damit  
der Zugriff auf alle antriebsinternen Parameter und Funktionen, wird auf die EtherCATMailbox abgebildet.

Ethernet over EtherCAT (EoE)

ObjectDictionary

Ethernet
FoE

Process data

EtherCAT stellt mit dem CoE-Protokoll die gleichen Kommunikationsmechanismen bereit,
wie sie vom CANopen®-Standard EN 50325-4 her bekannt sind: Objektverzeichnis, Mapping von Prozessdatenobjekten (PDO) und Servicedatenobjekten (SDO). Selbst das Netzwerkmanagement ist vergleichbar. So kann EtherCAT auf Geräten, die bisher mit CANopen
ausgestattet waren, mit minimalem Aufwand implementiert werden. Große Teile der
CANopen-Firmware sind wiederverwendbar. Dabei lassen sich die Objekte optional er­­­weitern, um einerseits die 8-Byte-Beschränkung aufzuheben und andererseits die vollständige Auslesbarkeit des Objektverzeichnisses zu ermöglichen. So wird auch der größeren
Bandbreite von EtherCAT Rechnung getragen. Auch die Geräteprofile, zum Beispiel das
Antriebsprofil CiA® 402, können dadurch für EtherCAT wiederverwendet werden.

PDO
mappingAT
MDT

EtherCAT nutzt die Ethernet-Kompatibilität auf der physikalischen Schicht und im
Telegrammaufbau. Häufig wird mit dem Begriff Ethernet aber auch die Übertragung
von IT-Anwendungen assoziiert, die z. B. auf einer TCP/IP-Verbindung beruhen.

CoE/SoE

Process data

EtherCAT Slave Controller

Switchport

Physical layer
Verschiedene Kommunikationsprofile können nebeneinander realisiert werden.

Ein Teilnehmer muss nicht alle Profile unterstützen, sondern kann entsprechend dereigenen Anforderungen entscheiden, welches Profil geeignet ist. Dem Master werden
die implementierten Profile in der Gerätebeschreibungsdatei bekannt gegeben.

Transparente Durchleitung von Standard-IT-Protokollen

Webserver31

32

Mit dem EoE-Protokoll kann beliebiger Ethernet-Datenverkehr im EtherCAT-Segment
transportiert werden. Standard-Ethernet-Geräte werden innerhalb des EtherCAT-Segments via Switchport angeschlossen und die Ethernet-Frames per EoE getunnelt. Dies
ist bei den Internet-Protokollen auch in anderen Bereichen üblich (z. B. TCP/IP, VPN,
PPPoE (DSL) etc.). Das EtherCAT-Netzwerk ist dabei für die Ethernet-Geräte voll transparent. Das Gerät mit Switchport-Eigenschaft sorgt für das Eintakten von TCP/IP-Fragmenten in den EtherCAT-Verkehr und vermeidet dadurch, dass die Echtzeit im Netzwerk
beeinflusst wird.
EtherCAT-Geräte können zusätzlich selbständig Ethernet-Protokolle (wie z. B. HTTP)
unterstützen und damit außerhalb des EtherCAT-Segments wie ein Standard-EthernetTeilnehmer auftreten. Der Master fungiert als Layer-2-Switch, der die Frames gemäß der
MAC-Adressinformation zu den entsprechenden Teilnehmern per EoE weiterleitet. Damit
können sämtliche Internet-Technologien auch im EtherCAT-Umfeld zum Einsatz kommen:
integrierte Webserver, E-Mail, FTP-Transfer, etc.

Anlagenweite Kommunikation
mit dem EtherCAT Automation
Protocol (EAP)Die Prozessleitebene erfordert zum Betrieb einer Anlage oder einer Fabrik weitere (undteilweise andere) Kommunikationsmöglichkeiten, als es das bisher beschriebene EtherCAT
Device Protocol bietet. Anlagenteile müssen häufig mit Steuerungen benachbarter Anlagenteile Informationen über den eigenen Status und die nächsten Produktionsschritte
abgleichen. Zudem gibt es in der Regel einen zentralen Leitrechner, der die Überwachungdes gesamten Systems durchführt, dem Anwender Statusdaten zur Produktivität bereitstellt und neue Aufträge an die Maschinenteile vergibt.

File access over EtherCAT (FoE)
Dieses an TFTP (Trivial File Transfer Protocol) angelehnte, sehr einfache Protokoll ermöglicht den Zugriff auf Dateien im Gerät. Genutzt wird dies vor allem, um einen einheitlichen
Firmware-Upload auf die Geräte über das Netzwerk zu erreichen. Damit das FoE-Protokoll
auch von Boot-Loader-Programmen unterstützt werden kann, wurde es bewusst schlank
spezifiziert. Ein TCP/IP-Stack muss hierfür nicht vorhanden sein.

ERP
HMI(e.g. OPC,
Thin Client)

SwitchEtherCAT Automation Protocol
Process
Control

Configuration

ADS over EtherCAT (AoE)
Die EtherCAT-Spezifikation beschreibt ADS over EtherCAT (AoE) als ein auf Mailbox basierendes Client-Server-Protokoll. Während Protokolle wie ein detailliertes semantisches
Konzept anbieten, ergänzt AoE dieses mit routingfähigen und parallelen Diensten, wo
diese benötigt werden. Dies ist zum Beispiel beim Zugriff aus einem SPS-Programm auf
unterlagerte Netzwerke über ein EtherCAT/Feldbus-Gateway wie etwa CANopen®,
IO-Link™, etc. der Fall. Die AoE-Implementierung benötigt deutlich weniger Speicher als
vergleichbare Dienste wie sie vom Internet Protocol (IP) angeboten werden. Die Adress­
parameter von Sender und Empfänger sind im AoE-Telegramm enthalten, was eine besonders ressourcenschonende Implementierung sowohl auf Client- als auch auf Server-Seite
ermöglicht.
Darüber hinaus ist AoE das Mittel der Wahl für die azyklische Kommunikation desEtherCAT Automation Protocols (EAP) und bietet somit eine durchgängige Kommunikation zwischen einem übergeordneten ERP-System, einer EtherCAT-Steuerung und einem via
Gateway angeschlossenen, unterlagerten Feldbus-Gerät. AoE ist auch der standardisierte
Weg, über den eine abgesetzte, herstellerunabhängige Diagnosesoftware Informationen
zum Zustand des EtherCAT-Netzwerks abfragen kann.

Handheld

Switchport

EtherCAT Device Protocol
Anlagenweite Kommunikation mit EtherCAT

33

34

Das EtherCAT Automation Protocol (EAP) erfüllt die Anforderungen der genannten
Anwendungsfälle. Es definiert Schnittstellen und Dienste fürden Datenaustausch zwischen EtherCAT-Master-Geräten(Master/Master-Kommunikation),den Datenaustausch zu Visualisierungsgeräten,den Durchgriff von überlagerten Steuerungen auf Teilnehmer in unterlagerten
EtherCAT-Segmenten (Routing),die Anbindung von Konfigurationstools für die Anlagen- sowie für die Teilnehmerkonfiguration.

PROCESSCONTROLDie zyklische EAP-Kommunikation kann direkt in den Nutzdaten eines Ethernet-Telegramms übertragen werden, ohne ein zusätzliches Transport- oder Sicherungsprotokoll.
Der EtherType Ox88A4 identifiziert auch hier die EtherCAT-spezifische Nutzung des Frames.
Dadurch können mit dem EAP Daten im Millisekunden-Takt ausgetauscht werden. Wenn
ein Routing der Daten innerhalb einer verteilten Anlage gefordert ist, dann können die
Prozessdaten auch per UDP/IP oder TCP/IP übertragen werden.
Mit Hilfe von EAP und der Nutzung des Safety-over-EtherCAT-Protokolls können auchsicherheitsrelevante Daten ausgetauscht werden. Anlagenweit werden zwischen den
Maschinenmodulen Sicherheitsinformationen ausgetauscht, um z. B. übergreifende NotAus-Funktionen zu realisieren oder um Vorgänger- und Nachfolge-Module über die Aktivierung von Stillstandfunktionen zu informieren.

Integration anderer Bussysteme

EtherCAT Automaton Protocol (EAP)
Safety-over-EtherCAT

Durch die zur Verfügung stehende Bandbreite ist es möglich, klassische Feldbusanschaltungen in einem EtherCAT-Gateway als unterlagertes System zu nutzen. Hilfreich ist
das beispielsweise bei der Migration von einem klassischen Feldbus hin zu EtherCAT. Die
schrittweise Umsetzung einer Anlage auf EtherCAT sowie die Einbindung von Automatisierungskomponenten, die (noch) keine EtherCAT-Schnittstelle unterstützen, ist somit
möglich.

Gateway

Machine module A

Machine module B

Gateway

Machine module C

Anlagenweite Kommunikationsarchitektur mit EtherCAT Automation Protocol und Safety-over-EtherCAT

Die in EAP verwendeten Kommunikationsprotokolle sind Bestandteil des IEC-1158-Standards. EAP kann über beliebige Ethernet-Verbindungen, auch über Funk, übertragen werden. So lassen sich zum Beispiel auch fahrerlose Transportgeräte, wie sie in der Halbleiteroder Automobilindustrie üblich sind, über Funk in das Netzwerk einbinden.
Der zyklische Prozessdatenaustausch im EAP kann nach dem „Pushed“- oder dem„Polled“-Prinzip erfolgen. Im „Pushed“-Betrieb sendet jeder Kommunikationsteilnehmer
seine Daten zyklisch oder in einem Vielfachen der eigenen Zykluszeit. Im Empfänger kannkonfiguriert werden, von welchem Sender welche Daten empfangen werden sollen. Die
Konfiguration zwischen Sender- und Empfängerdaten erfolgt wie gewohnt über das Objektverzeichnis. Im „Polled“-Betrieb werden die Daten von den Teilnehmern abgefragt.

EtherCAT ermöglicht die Integration dezentraler Feldbus-Schnittstellen.

Zudem werden dadurch kleine oder Embedded-Industrie-PC-Lösungen ermöglicht, da derPlatz für Erweiterungskarten nicht mehr bereitgestellt werden muss: Über einen einzigen
Ethernet-Port im PC können neben den dezentralen I/Os, Achsen und Bediengeräten auchkomplexe Systeme wie Feldbus-Master/Slaves (Gateways), schnelle serielle Schnittstellen
und andere Kommunikations-Interfaces angesprochen werden. Die Daten des eingebundenen Feldbusses stehen dem Master im Prozessdatenabbild direkt zur Verfügung.

35

36

EtherCAT, Industrie 4.0 und IoT

Prozessoptimierung, vorausschauende Instandhaltung, Manufacturing-as-a-Service, adaptive Systeme, Ressourcenschonung, die intelligente Fabrik oder schlicht Kostensenkung:für die Nutzung von Prozessdaten in überlagerten Systemen gibt es zahlreiche gute Gründe.
Sei es das Internet of Things (IoT), Industrie 4.0, Made in China 2025 oder die japanische Industrial Value Chain Initiative (IVI): Allen Ansätzen gemein ist die Forderung nach
nahtloser, kontinuierlicher und standardisierter Kommunikation über alle Ebenen hinweg.
Sensordaten, die in die Cloud hochgeladen werden, sowie Auftragsdaten und Parameter,
welche von ERP-Systemen in verteilte Geräte heruntergeladen werden; ein Zuführsystem,das sich zwei Maschinen teilen: Anforderungen an den Datenfluss gibt es sowohl in vertikaler wie horizontaler Richtung.
Aufgrund seiner Leistung, Flexibilität und der offenen Schnittstellen erfüllt EtherCAT
bereits von Natur aus die Anforderungen der digitalen Transformation:
Herausragende Leistung ist die Voraussetzung, um Big-Data-Anwendungen zu
Steuerungsnetzwerken hinzuzufügen.
Die hohe Flexibilität von EtherCAT ermöglicht das Hinzufügen von Cloud-Connectivity
zu bestehenden Systemen, ganz ohne die Steuerung anfassen oder die Feldgeräte
aktualisieren zu müssen: Mit Hilfe der Mailbox-Gateway-Eigenschaft des EtherCATMasters greifen Edge-Gateways auf sämtliche Daten innerhalb beliebiger EtherCATFeldgeräte zu. Hierbei kann das Edge-Gateway entweder ein abgesetztes Gerät
sein, welches über TCP oder UDP/IP mit dem Master kommuniziert, oder aber eine
Software-Funktion, die sich auf derselben Hardware wie der EtherCAT-Master selbst
befindet.
Die offenen Schnittstellen sind es, welche die Integration jedes beliebigen IT-basierten
Protokolls innerhalb des Masters oder direkt in die Teilnehmer erlauben. Beispiele hierzu sind OPC UA, MQTT oder AMQP. So wird die direkte Verbindung ohne Technologiebrüche vom Sensor in die Cloud möglich.
Die Tatsache, dass all diese Eigenschaften bereits von vornherein Bestandteil der Technologie waren, zeigt, wie zukunftsfähig die EtherCAT-Architektur ist. Sollten im Laufe derEntwicklung weitere Features relevant werden, werden diese selbstverständlich hinzugefügt und zwar ohne das Basis-Protokoll selbst zu ändern: EtherCAT ist seit der Einführung
2003 stabil.
Die neuen Eigenschaften von TSN (Time-Sensitive Networking) verbessern die Echtzeit-Eigenschaften der Controller-zu-Controller-Kommunikation. Unterstützt durch TSN
können Steuerungen – sogar solche, die cloud-basiert sind – über die vorhandene Ethernet-Infrastruktur auf ein Netzwerk aus EtherCAT-Geräten zugreifen. Und da EtherCAT
typischerweise nur einen Frame für ein gesamtes Netzwerk benötigt, erfolgt dieser Zugriff
deutlich schlanker und somit schneller als bei jeder anderen Feldbus- oder IndustrialEthernet-Technologie. Die ETG trägt zur TSN-Entwicklung bereits seit dem ersten Tag bei:Schon als TSN noch als AVB bekannt war, waren EtherCAT-Experten in der TSN-Arbeitsgruppe innerhalb der IEEE 802.1 aktiv.

Weitere Informationen zu EtherCAT und TSN: www.ethercat.org/tsn

37

Die EtherCAT Technology Group war zudem unter den ersten Feldbusnutzerorganisationen, welche eine Partnerschaft mit der OPC Foundation vereinbart haben. OPC UA stellt
dem EtherCAT-Portfolio eine skalierbare TCP/IP-basierte Client-Server-Kommunikation mit
integrierter Sicherheit zur Seite und ermöglicht so den verschlüsselten Datentransfer in
MES/ERP-Systeme.
Mit OPC UA Pub/Sub wurde die Nutzbarkeit von OPC UA in Maschine-zu-MaschineApplikationen sowie für die vertikale Kommunikation mit cloud-basierten Diensten
verbessert. Die ETG trägt aktiv zu diesen Entwicklungen bei und sorgt dafür, dass sie
sich nahtlos in die EtherCAT-Umgebung einfügen.
EtherCAT ist nicht nur IoT-ready, EtherCAT ist IoT!

OPC UA, AMQP, MQTT, TSN, EAP

ERP
MES

Edge
Gateway

Edge
Gateway

IoT Protocols:
OPC UA, AMQP, MQTT

38

39

EtherCAT-SchnittstellenImplementierung

Die EtherCAT-Technologie wurde speziell auf niedrige Kosten optimiert. Jeder Sensor,
jedes I/O-Gerät und jeder Embedded-Controller soll in der Lage sein, eine EtherCATAnschaltung zu geringen Kosten einbinden zu können. Nicht die EtherCAT-Schnittstelle,sondern die Geräteapplikation bestimmt die Leistungsanforderung der benötigten CPU.
Neben den reinen Hardware- und Softwareanforderungen sind für die Entwicklung
einer Schnittstelle der Support und verfügbare Kommunikationsstacks von hoher Bedeutung. Die EtherCAT Technology Group setzt hier durch ein weltweites Support-Team auf
schnelle Hilfe bei technischen Problemen oder offenen Fragen. Evaluation-Kits von verschiedenen Herstellern, Entwickler-Workshops und frei verfügbare Beispielcodes erleichtern zudem den Einstieg.
Für den Anwender ist der wichtigste Faktor die Interoperabilität und Kompatibilität
von EtherCAT-Geräten verschiedener Hersteller. Daher ist jeder Gerätehersteller verpflichtet, vor der Markteinführung einen Konformitätstest durchzuführen. Dieser Test prüft das
korrekte Verhalten eines Gerätes und hilft bereits während der Entwicklung Fehler in der
Implementierung zu erkennen und zu beheben.

40

Master-Implementierung

Die Hardware-Anforderungen an einen EtherCAT-Master sind denkbar einfach: Ein
Standard-Ethernet-Port ist ausreichend. Damit ist EtherCAT die Ethernet-Lösung fürharte Echtzeit-Anforderungen, die ohne spezielle Master-Hardware auskommt; derOn-Board-Ethernet-Controller oder eine günstige Standard-Netzwerkkarte genügen.
Die Anbindung dieser Ethernet-Controller erfolgt bei nahezu all diesen InterfaceLösungen per Direct Memory Access (DMA). Der Datentransfer zwischen Master und
Netzwerk benötigt also keine CPU-Performance. Dabei ist das Prozessabbild bereits
fertig sortiert, da das Mapping bei EtherCAT nicht im Master, sondern in den Netzwerkteilnehmern erfolgt. Die Peripheriegeräte fügen ihre Daten an die entsprechende Stelle imdurchlaufenden Frame ein und lesen die für sie bestimmten Daten ebenfalls im Durchlauf.
Das bedeutet, die Leistungsanforderung der Master-CPU wird nicht durch die
EtherCAT-Anschaltung bestimmt, sondern durch die gewünschte Master-Applikation.
Speziell für die kleine und mittlere Steuerungstechnik und für klar umrissene Anwendungen ist die Implementierung eines EtherCAT-Masters sehr einfach. Auf einer Vielzahl von
Betriebssystemen wurden bereits EtherCAT-Master implementiert: Windows und Linux
in verschiedenen Ausprägungen, QNX, RTX, VxWorks, INtime und eCos sind nur einige
Beispiele.
Zur Entwicklungsunterstützung einer Master-Implementierung stellen ETG-Mitglieder
eine ganze Bandbreite an Möglichkeiten bereit: von frei verfügbaren EtherCAT-MasterBibliotheken zum Download über Master Sample Codes bis hin zu kompletten Paketen
inkl. Dienstleistungen für unterschiedliche Echtzeit-Betriebssysteme und Prozessoren.
Der EtherCAT-Master benötigt zum Betrieb des Netzwerks neben dem zyklischen
Frame-Aufbau noch die Hochlaufkommandos für jedes Feldgerät. Diese Kommandos
können mit Hilfe eines EtherCAT-Konfigurationstools in eine Netzwerkbeschreibungsdatei (ENI; EtherCAT Network Information) exportiert werden. Hierzu verwendet das
Konfigurations­tool die Gerätebeschreibungsdateien (ESI; EtherCAT Slave Information)
der angeschlossenen Geräte.

41

Der Umfang der verfügbaren Master-Implementierung und der unterstützten Funktionen
variiert je nach Zielapplikation. Optionale Funktionen werden unterstützt oder bewusst
weggelassen, um die Hardware- und Software-Ressourcen zu optimieren. Die ETG.1500
EtherCAT-Master-Classes-Spezifikation definiert daher zwei Klassen von Master-Geräten:Ein Class-A-Master ist ein Standard-EtherCAT-Master, ein Class-B-Master einer mit reduziertem Funktionsumfang. Class B wird nur empfohlen, wenn die verfügbaren Ressourcen
Class A nicht zulassen, zum Beispiel in einem Embedded-System. Notwendige und empfohlene Funktionen werden dementsprechend für die beiden Klassen aus Sicht des Endanwenders zugeordnet.

Control task

Process image
description (XML)

Systemconfiguration
tool

EtherCAT network
information (ENI)

XML parser

XML

HW configuration
Init Commands

EtherCAT slave
information (ESI)
XML

HDR

Process data

online functions
EtherCAT master driver
EtherCAT master
Standard Ethernet MAC

Typische EtherCAT-Master-Architektur

42

Slave-Implementierung

Im angeschlossenen Feldgerät kommt ein kostengünstiger EtherCAT Slave Controller (ESC)
als ASIC, FPGA oder integriert in einem Standard-Microcontroller zum Einsatz. Für einfache
Geräte ist nicht einmal ein zusätzlicher Microcontroller erforderlich. Die Prozessein- und-ausgänge können direkt an den ESC angeschlossen werden. Bei komplexeren Geräten ist
die Kommunikations-Performance bei EtherCAT nahezu unabhängig von der Leistungs­
fähigkeit des verwendeten Microcontrollers. In den meisten Fällen ist ein 8-Bit-Micro­
controller ausreichend.
EtherCAT Slave Controller sind von mehreren Herstellern verfügbar. Je nach Ausprägung variiert die Größe des internen DPRAM sowie die Anzahl der FMMUs und SyncManager. Unterschiedliche Prozessdatenschnittstellen (PDI) für den externen Zugriff des Applikationscontrollers auf den Anwendungsspeicher stehen zur Verfügung:Die 32-Bit-Parallel-I/O-Schnittstelle eignet sich für den Anschluss von bis zu 32 digitalen
Ein- und Ausgängen, aber auch für einfache Sensoren oder Aktoren, die mit 32 Datenbits auskommen und keinen Applikationscontroller benötigen.
Das SPI (Serial Peripheral Interface) ist speziell für Geräte mit kleiner Prozessdatenmenge gedacht, wie z. B. analoge I/O-Module, Geber, Encoder oder auch einfache
Antriebe.
Das parallele 8/16-Bit-Microcontroller-Interface entspricht herkömmlichen Schnittstellen bei Feldbus-Controllern mit integriertem DPRAM. Es eignet sich besonders fürkomplexere Teilnehmer mit größerem Datenaufkommen.
Für die Varianten wie FPGA und System-on-Chip (SoC) sind passende synchrone Busse
für die verschiedenen Microcontroller implementiert.

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Host CPU
Processdata

Service
data

HTTP,
FTP, …

RAM for TCP/IP
and complex
applications

TCP/IP(optional)

8 I/O

8 I/O

PDI (Process data interface)

8 I/O

PDI (Process data interface)

Process data
MailboxDual port memory

ESC(EtherCAT slave
controller)

SYNC-manager, FMMU

Registers

RJ 45

8 I/O

SII (e.g.
EEPROM)

Process data
Dual port memory

ESC(EtherCAT slave
controller)

SYNC-manager, FMMU

Registers

EtherCAT processing unit
and auto-forwarder with loop back

EtherCAT processing unit
and auto-forwarder with loop back

EtherCAT Port 0
MII

EtherCAT Port 0
MII

Magnetics

PHY

EtherCAT Port n
MII
PHY

Slave-Hardware:
EtherCAT Slave Controller mit Host CPU

Magnetics

RJ 45

RJ 45

Magnetics

PHY

EtherCAT Port n
MII
PHY

Slave-Hardware:
EtherCAT Slave Controller mit direktem I/O

In einem nichtflüchtigen Speicherbaustein (z. B. EEPROM) werden Informationen überdie Hardware-Konfiguration der PDI-Schnittstelle abgelegt. Zudem werden in diesem
SII (Slave Information Interface) die zentralen Geräteeigenschaften abgelegt, sodass ein
EtherCAT-Master auch ohne vorhandene Gerätebeschreibungsdatei das Gerät betreibenkann. Die vollständige Beschreibung der Geräteeigenschaften wird in der Gerätebeschreibungsdatei mitgeliefert. Diese XML-Datei enthält unter anderem Möglichkeiten des Prozessdaten-Mappings, unterstützte Mailbox-Protokolle inkl. der optionalen Features sowie
die unterstützten Synchronisierungsmodi. Ein Netzwerk-Konfigurationstool nutzt diese
Informationen zur (Offline-)Konfiguration des Netzwerks.
Zur Unterstützung einer Slave-Implementierung werden verschiedene EvaluationKits von den Herstellern angeboten. Der Umfang umfasst auch Anwendungssoftware im
Source-Code; Test-Master sind teilweise enthalten. Somit kann in wenigen Schritten ein
voll funktionsfähiges Master-Slave-EtherCAT-Netzwerk in Betrieb genommen werden.
Der ETG.2200 Slave Implementation Guide gibt wertvolle Tipps und Hinweise auf
weiterführende Dokumente zur Geräteimplementierung:www.ethercat.org/etg2200

SII (e.g.
EEPROM)

Magnetics

RJ 45

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Konformität und Zertifizierung

Konformität und Interoperabilität sind sehr entscheidende Faktoren für den Erfolg einer
Kommunikationstechnologie. Daher wird in der EtherCAT Technology Group ein Hauptaugenmerk auf dieses Thema gelegt. Ausgehend von der notwendigen Konformitätsprüfung jeder Geräteimplementierung mit Hilfe eines automatischen Konformitätstesttools bietet die ETG viele weitere Aktivitäten zur Verbesserung der Interoperabilität
zwischen EtherCAT-Mastern, EtherCAT-Slaves und den EtherCAT-Konfigurationstools an.

EtherCAT Plug FestEin sehr pragmatischer Ansatz, um die Interoperabilität der Geräte untereinander zu testen, ist, diese in einem Netzwerk zusammenzuschließen. Hierfür lädt die ETG mehrmals
jährlich zu EtherCAT Plug Fests ein. Zu diesen in der Regel zweitägigen Events treffen sich
Master- und Slave-Anbieter, um das gegenseitige Verhalten der Geräte zu testen und die
einfache Handhabung im Feld zu verbessern. Tipps und Tricks zur EtherCAT-Technologie
werden ausgetauscht und offene Fragen können mit den Experten der ETG geklärt werden. Die ETG organisiert diese Entwicklertreffen regelmäßig in Europa, Nordamerika und
in Asien.

EtherCAT Conformance Test Tool
Das EtherCAT Conformance Test Tool (CTT) ermöglicht die automatische Überprüfung desVerhaltens eines EtherCAT-Slave-Geräts.
Das CTT ist eine Windows-Applikation, die als Hardware-Schnittstelle lediglich einenStandard-Ethernet-Port benötigt. Über diesen Port werden EtherCAT-Frames an das Device
under Test (DuT) versendet und die Antworten empfangen. Die Antworten werden dann
mit einem erwarteten Ergebnis verglichen und der Test-Case damit als gültig oder ungültig gewertet. Die Test-Cases inklusive der erwarteten Antwort werden in Form von XMLDateien beschrieben. Dadurch ist es möglich, die Test-Cases zu erweitern, ohne das Toolselbst anpassen zu müssen. Die Spezifikation der aktuell gültigen Test-Cases erfolgt durch
die Technical Working Group Conformance.
Neben den reinen Protokolltests wird vom CTT auch das EtherCAT Slave Information
File (ESI) auf gültige Werte überprüft. Zudem gibt es gerätespezifische Protokolltests, beispielsweise für das CiA 402 Antriebsprofil.
Alle Testschritte und die Testergebnisse werden in einem Test-Logger gespeichert undkönnen anschließend näher analysiert werden oder zur Ablage und zum Nachweis für die
Gerätefreigabe dienen.
Das Conformance Test Tool wird kontinuierlich gepflegt und mit neuen Testfällen erweitert. Für einen Gerätehersteller ist es wichtig, stets die aktuelle Version des Tools zur
Freigabe seiner Geräte zu nutzen – das Tool wird daher in Form eines Abonnements angeboten. Die Nutzung des Conformance Test Tools bereits während der Entwicklungsphase
ist hilfreich, um frühzeitig Fehler in der Schnittstellenimplementierung zu entdecken.

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Technical Working Group Conformance
Die EtherCAT Conformance Test Policy verlangt von jedem Gerätehersteller, dass das Gerät mit der gültigen Version des EtherCAT Conformance Test Tools getestet werden muss.
Dieser Test kann in-house beim Gerätehersteller erfolgen.
Das Technical Committee (TC) der ETG hat eine Technical Working Group (TWG)
Conformance etabliert, die die Testprozedur und die Testinhalte für die Umsetzung im
Conformance Test Tool festlegt. Die TWG Conformance arbeitet kontinuierlich an derErweiterung der Tests und der Testtiefe.
Darüber hinaus steht dank der TWG Conformance auch die Spezifikation eines Interoperabilitätstests zur Verfügung.

EtherCAT Test Center
Die ETG hat offizielle EtherCAT Test Center (ETC) in Europa, Asien and Nordamerika
akkreditiert. Diese führen offizielle EtherCAT Conformance Tests durch. Dieser EtherCAT
Conformance Test beinhaltet die Durchführung der automatischen Tests mit Hilfe des
CTT, Interoperabilitätstests in einem Netzwerk und zusätzliche Tests bezüglich derAnzeigen und der Beschriftung des Geräts sowie der EtherCAT-Schnittstellen. Geräte­
hersteller sind aufgefordert aber nicht verpflichtet, ihre Geräte in einem ETC testen zu
lassen. Wenn der Test im ETC erfolgreich durchgeführt wurde, bekommt der Hersteller
ein EtherCAT-Conformance-Tested-Zertifikat. Dieses Zertifikat kann nicht durch In-houseTests beim Gerätehersteller selbst erlangt werden.
Der zusätzliche Test in einem unabhängigen EtherCAT Test Center erhöht noch einmal
die Kompatibilität und die einheitliche Bedienung und Diagnose der EtherCAT-Implementierungen. Endanwender sollten daher bei ihren Geräteherstellern nach einem EtherCATConformance-Tested-Zertifikat fragen und dieses in die Geräteauswahl einbeziehen.
Neben dem EtherCAT Conformance Test gibt es zudem einen Konformitätstest, derspeziell für Geräte mit Safety-Schnittstelle entwickelt wurde und für die Hersteller von
FSoE-Geräten gemäß der FSoE Policy verpflichtend ist. Der Test wird von einer anerkannten Prüfstelle, in Deutschland dem TÜV Süd Rail, durchgeführt und liefert den Nachweis
für die zuverlässige und standardkonforme Implementierung des Safety-over-EtherCATProtokolls.
Weitere Informationen zur Konformität und Zertifizierung sind auf der EtherCATWebseite verfügbar: www.ethercat.org/conformance

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www.ethercat.org

ETG weltweit

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Auf der Webseite der ETG finden Sie alles rund um EtherCAT, kommende Veranstaltungen, die neuesten Produkte, alle Mitglieder in der Übersicht sowie
Informationen zu Themenschwerpunkten wie sichere Datenkommunikationoder Konformität von EtherCAT-Geräten. Sie können sich über die Vorteile einer
kostenlosen Mitgliedschaft informieren und Präsentationen, Presseartikel und
Publikationen unter www.ethercat.org/downloads herunterladen.

EtherCAT Product Guide
Der EtherCAT Product Guide findet sich online unter www.ethercat.org/products.
Dieses Verzeichnis listet eine Auswahl an EtherCAT-Produkten und -Dienst­
leistungen nach Angabe der ETG-Mitglieder. Bei Fragen wenden Sie sich bitte
direkt an den Hersteller: Die EtherCAT Technology Group vertreibt selbst keine
Produkte.

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Event Section
Die Event Section beinhaltet alle weltweiten Veranstaltungen der ETG sowie
diejenigen, welche in Zusammenarbeit mit dem Verband organisiert werden.
Im Veranstaltungskalender unter www.ethercat.org/events finden sich u. a.
die Termine der technischen Arbeitsgruppen, Messebeteiligungen, EtherCATWorkshops und Industrial-Ethernet-Seminare.

Member Area

Kontakt

Als ETG-Mitglied haben Sie Zugriff auf den geschützten Bereich der Webseite
unter www.ethercat.org/memberarea, welcher unter anderem alle EtherCATSpezifikationen, ein Entwicklerforum und eine Knowledge Base mit allen notwendigen Informationen zum Entwickeln, Konfigurieren und zur Diagnose vonEtherCAT-Geräten und -Netzwerken enthält.

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Telefon: + 49 (911) 5 40 56 20
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EtherCAT®, EtherCAT G®, EtherCAT P®, Safety over EtherCAT®, are registeredtrademarks and patented technologies, licensed by Beckhoff Automation
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