Die Automatisierungstechnik setzt zunehmend auf Industrial Ethernet – und das aus gutem Grund: Es verbindet Echtzeitfähigkeit mit der Robustheit und Sicherheit von Feldbussen. Allerdings sind hochzuverlässige Quarze und Oszillatoren mit hoher Signalgenauigkeit erforderlich, um die Einhaltung der strengen Echtzeitanforderungen der Feld- und Steuerungsebene zu gewährleisten.
Laut einer Studie von HMS Industrial Networks kommen in 48 Prozent der eingesetzten Industrienetzwerke herkömmliche Feldbusse zum Einsatz, während Industrial Ethernet einen Anteil von 46 Prozent hat (Stand: März 2017). Aber diese Verteilung kann sich drastisch ändern. HMS schätzt das jährliche Wachstum auf 4 Prozent für Feldbusse und 22 Prozent für Industrial Ethernet. Der Marktanteil von Industrial Ethernet ist schnell gewachsen (von 38 Prozent im Jahr 2016 auf 46 Prozent im Jahr 2017). Andere Analysten haben andere Zahlen angeboten, stimmen aber dem Übergang zu Industrial Ethernet zu.
Aufgrund seiner Fähigkeit, Echtzeitleistung mit der Robustheit und Sicherheit von Feldbussen zu kombinieren, übertrifft Industrial Ethernet die Anforderungen heutiger Automatisierungsprojekte. Zudem ermöglicht es eine durchgängige Kommunikation vom Aktor oder Sensor auf der Feldebene bis zu den Systemen auf der Management- oder Unternehmensebene, da die IT-Lösungen der Unternehmen auf Ethernet basieren. Derzeit gibt es viele inkompatible Anwendungsprotokolle wie Ethernet/IP, EtherCAT, SERCOS, Profinet oder Powerlink. Laut HMS wird der Markt immer noch von EtherNet/IP, Profinet und EtherCAT dominiert, die von einer Vielzahl von Fabrikmaschinenanbietern mit dem Ziel eingesetzt werden, die Prozessleistung und Benutzerfreundlichkeit zu verbessern – insbesondere wenn Zuverlässigkeit und Stabilität wesentliche Aspekte sind .
Schnell und flexibel: EtherCAT
Die mit Abstand schnellste Technologie ist EtherCAT, das zudem eine außergewöhnliche Synchronisationsgenauigkeit im Nanosekundenbereich bietet. Mit diesen kurzen Reaktionszeiten beschleunigt es jede Anwendung mit bedingungsabhängigen Schritten. Da EtherCAT die CPU-Belastung im Vergleich zu anderen Bussystemen bei gleichem Zyklus um rund 30 Prozent reduziert, schafft es die Grundlage für Verbesserungen in Performance und Genauigkeit – und damit für Steuerungs- und Regelungskonzepte, die mit konventionellen nicht realisierbar sind Feldbussysteme.
Die Protokollverarbeitung ist vollständig hardwarebasiert, ohne Berücksichtigung der Softwareimplementierung. Der Datenaustausch basiert auf dem Master-Slave-Modell; Dabei bietet EtherCAT in puncto Topologie absolute Flexibilität: Es können Linien-, Baum- und Sterntopologien sowie beliebige Kombinationen daraus mit einer nahezu unbegrenzten Anzahl von Knoten genutzt werden. Auch für Ethernet stehen mit EtherCAT die bekannten Feldbusstrukturen zur Verfügung. Das Protokoll eignet sich besonders für schnell reagierende Bewegungssteuerungsanwendungen wie Verpackungsmaschinen, CNC-Maschinen (Computer Numerical Control), Robotersysteme und Hydrauliksteuerungen.
Die EtherCAT Technology Group (ETG) fördert die ursprünglich von Beckhoff entwickelte EtherCAT-Technologie und ist für deren weltweite Verbreitung verantwortlich. Die Gruppe hat das Conformance Test Tool erstellt, das verwendet wird, um die Interoperabilität und Protokollkonformität von EtherCAT-Geräten sicherzustellen. Darüber hinaus bietet es Unterstützung für ETG-Partner vor, während und nach der Implementierung sowie Schulungen und Workshops. Mit mehr als 4.400 Mitgliedern – darunter auch Rutronik – ist die ETG die größte Industrial-Ethernet-Nutzerorganisation.
harte und weiche Echtzeit
Während die Systemkommunikation auf Management- und Unternehmensebene nicht besonders zeitkritisch ist und nur weiche Echtzeitanforderungen definiert, verlangt die Feld- und Leitebene zunehmend nach harter Echtzeit. Um ein komplexes System zu gewährleisten, in dem alle Komponenten effizient zusammenspielen, ist ein schneller und sicherer Datenaustausch erforderlich. Neben einem exzellenten Echtzeitverhalten sollen Netzwerke auch für minimale Störungen und synchronisierte Abläufe in den Netzknoten sorgen. Die Synchronisierung ist sehr wichtig bei Anwendungen mit räumlich verteilten Prozessen, die simultane Aktionen erfordern, wie beispielsweise Aufgaben, bei denen mehrere Servocontroller koordinierte Bewegungen ausführen. Verteilte Uhren erreichen eine sehr genaue Netzwerkzeitbasis. Diese Anforderungen und Funktionen gehen über den einfachen Ethernet-Standard hinaus. Sie können auf verschiedenen realisierbaren Hardwarelösungen implementiert werden, beispielsweise mit FPGAs, ASICs oder vollintegrierten Controllern. Hier werden hochzuverlässige Quarze, Oszillatoren oder Echtzeituhren mit hoher Signalqualität benötigt, um die Synchronisation durchzuführen.
Präzise und zuverlässige Quarze und Oszillatoren
EPSON bietet Quarze und Oszillatoren, die weiche und harte Echtzeitanforderungen mit kurzen Zykluszeiten und hoher Stabilität vereinen. Die breite Palette an Frequenzkomponenten des Herstellers erfüllt die Anforderungen aktueller Protokolle. Diese Produkte sind ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI), speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder Bewegungssteuerungen (Servos, FA-Kameras und Sensoren) und Frequenzumrichter. MEMS-Oszillatoren gelten als mechanisch robust, ein schöner Vorteil in rauen Industrieanwendungen. Aber hinsichtlich Präzision, Phasen- und Temperaturstabilität sind quarzbasierte Modelle immer noch die beste Wahl. Bei Beckhoffs beliebten EtherCAT-ASICs ET1100/ET1200 integriert die Hardware viele Protokollalgorithmen.
Sie verfügen über Distributed-Clocks, die eine sehr genaue Synchronisation (<<1 μs) der EtherCAT-Slaves ermöglichen. Die SG-210STF-Serie, die ein Format von 2.5 x 2.0 mm hat, ist mit den gleichen Funktionen auch in den Versionen 7 x 5 mm (SG7050) und 5 x 3.2 mm (SG5032) erhältlich und wird für Standard-Audiofrequenzen empfohlen /-50 ppm im Temperaturbereich von -40 bis +85°C. Die Serie SG-210S*B ist ideal für einen erweiterten Temperaturbereich bis +105 bzw. +125 °C. Die programmierbaren Quarzoszillatoren der SG-8018- und SG-8101-Serie wiederum eignen sich besonders für Sonderfrequenzen, Kleinserien und kurze Lieferzeiten. Sie werden mit einer internen PLL-Schaltung geliefert, die die entsprechenden Frequenzen erzeugt. Die neue SG-8101-Serie bietet einen Betriebstemperaturbereich von bis zu +105 °C und kann somit unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden.
Es bietet außerdem eine um 66 Prozent engere Frequenztoleranz (+/-50 ppm bis +/-15 ppm) und eine um 50 Prozent geringere Stromaufnahme als vergleichbare Produkte. Die Quarzoszillatoren der SG-8101-Reihe tragen daher dazu bei, die Systemeigenschaften mit harter Echtzeit, niedrigem Stromverbrauch und schnellen Entwicklungszyklen zu verbessern. Sie eignen sich ideal für die Produktion kleinerer Stückzahlen und sind in verschiedenen Topfgrößen von 7 x 5 mm bis 2.5 x 2 mm erhältlich. Und wie bei allen Oszillatoren von Epson gilt: Je kompakter, desto günstiger. SG-8018 ist die wirtschaftlichste PLL-Serie von Epson und ist standardmäßig mit einer Frequenztoleranz von +/-50 ppm für den Bereich zwischen -40 und +105 °C spezifiziert und übertrifft damit die Anforderungen zukünftiger Anwendungen. Diese Familie wird auch in Paketen mit einem Format von 7 x 5 mm bis 2.5 x 2 mm geliefert.
Echtzeituhren für höchste Präzision
Wenn eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, sind Echtzeituhren (RTC) die Antwort. Diese separaten Module haben durch den integrierten Quarz einen einfachen Aufbau, eine hohe Zuverlässigkeit und einen geringen Stromverbrauch und können beispielsweise als Backup-Funktion genutzt werden. Um diese höhere Genauigkeit zu gewährleisten, die in vernetzten Systemen immer wichtiger wird, verfügt die RX8900CE-Serie von Epson über temperaturkompensierte Quarzoszillatoren. So können sie die zeitliche Abfolge verschiedener Ereignisse vergleichen. Die RTCs bieten eine Frequenzstabilität von bis zu ±3.4 x 10-6 im Temperaturbereich von -40 bis +85 °C. Der Hersteller ist für die kundenspezifische Anpassung des Kristalls sowohl in Oszillatoren als auch in Echtzeituhren verantwortlich, wodurch die Notwendigkeit einer erneuten Designanalyse entfällt und die Markteinführungszeit erheblich verkürzt wird. EPSON bietet auch einen Evaluierungsservice an, um das Glas an das Design anzupassen und so Zeit und Geld zu sparen. Rutronik hilft bei der Auswahl der am besten geeigneten Produkte und fungiert als Vermittler zwischen Hersteller und Kunde.
