Kabelredundanz in EtherCAT Netzwerken

Wie industrielle Ethernet Netzwerke stabil und ausfallsicher mit EtherCAT Kabelredundanzmechanismen funktionieren

Die Ethernet-Technologie erlaubt per Definition keine physikalischen Schleifenstrukturen/Ringstrukturen. Außerdem sind aufgrund der Broadcast-Eigenschaften von Ethernet keine redundanten Kommunikationswege möglich. Allerdings sind Zuverlässigkeit und der Einsatz von redundanten Architekturen grundlegende Anforderungen vieler Automatisierungssysteme. Bestimmte industrielle Ethernet-Protokolle wie zum Beispiel EtherCAT bieten Redundanzmethoden, um robustere und ausfallsichere Netzwerke zu realisieren.

Redundanz in der Fabrikautomation

Die Anforderungen hinsichtlich Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit an moderne industrielle Ethernet-Systeme wachsen stetig. Das liegt vor allem daran, dass die Komplexität der Automatisierungsprozesse zunimmt. Bei einem Single Point of Failure, also ein Bestandteil, dessen Ausfall den Stillstand des gesamten Systems zur Folge hat, kann zum Beispiel das Kommunikationsnetz einer automatisierten Produktionslinie ausfallen. Dies kann zu hohen Folgekosten führen. Werden allerdings redundante Strukturen verwendet, ist in einem einzelnen Fehlerfall die Kommunikation zwischen den Teilnehmern des Netzwerks weiterhin möglich. Durch Reparaturen während der Stillstandszeit der Anlage lässt sich der fehlerfreie Zustand wiederherstellen.

Funktionsweise der Kabelredundanz

Eine typische Netzwerkstruktur ist die Daisy-Chain, bei der der Master des Netzwerkes alle Frames mit Prozessdaten jeweils gebündelt die Kette der angeschlossenen Maschinen und Geräte hinunter sendet. Das letzte Glied in der Kette sendet die Frames über alle anderen Glieder der Kette zurück an den Master. Tritt ein einzelner Fehler auf, sind die hinter dem Fehler befindlichen Komponenten nicht mehr erreichbar. Im schlimmsten Fall droht hier der Zusammenbruch des gesamten Prozesses in einer Produktionslinie. Um diese Schwachstelle zu überwinden, hat die EtherCAT Technology Group (ETG), die globale Nutzerorganisation, in der sich Hersteller von EtherCAT-Geräten, Technologieanbietern und Anwender zusammengeschlossen haben, um die EtherCAT-Technologie voranzubringen, den EtherCAT-Kabelredundanzmechanismus definiert. Die Kabelredundanz wird eingesetzt, um den Ausfall eines Kommunikationskabelabschnitts in EtherCAT-Systemen zu kompensieren.

EtherCAT Kabelredundanz – Frames mit Prozessdaten in einer Ringtopologie

Network failure and EtherCAT redundancy switch

Netzwerkfehler und Einsetzen des EtherCAT Redundanzmechanismus
 

Um eine Ringtopologie einzurichten, verbindet ein zusätzliches Kabel das letzte Glied der Verkettung mit dem Master. Der Master wiederum überträgt nun die gleichen Frames über beide Ports. Tritt ein einzelner Fehler in der Kette auf, können trotzdem alle Teilnehmer erreicht werden. Der Master korreliert die empfangenen Daten innerhalb der Frames und kann so auf alle notwendigen Prozessdaten und Zustände zugreifen. Dadurch kann die Kommunikation zwischen dem Master und den Slaves aufrechterhalten werden, auch wenn die Datenverbindung an einer Stelle physikalisch unterbrochen ist. Wenn eine ordnungsgemäße Kommunikation wiederhergestellt ist, wird auch der ursprüngliche Kommunikationspfad wiederhergestellt. Wenn die Kommunikation an mehr als einem Punkt unterbrochen wird, müssen alle Verbindungen wiederhergestellt werden, bevor der Redundanzmechanismus wieder eingreifen kann.

Was sind die Vorteile von Redundancen in EtherCAT Netzwerken?

  • Höhere Stabilität der Netzwerke
  • Schutz gegen den Verlust von Laufzeiten und Single Points of Failure
  • Nutzbar mit Standard EtherCAT Slave Geräten
  • Hilschers EtherCAT Master Stacks ünterstützen diese Feature seit Version V4.4.0.0

Die folgenden Produkte sind ebenfalls in der Lage, Redundanzen zu nutzen: