EtherCAT FSoE auch drahtlos zuverlässig

Hoch responsive und zuverlässige Datenverbindungen sind die Spezialität von EtherCAT FSoE. Dabei werden sowohl Safety- wie auch Steuerdaten über EtherCAT ausgetauscht – bisher allerdings vorrangig per Kabelverbindung. Brinkmann Electronic Berlin und R3 Solutions zeigen jetzt, dass EtherCAT FSoE auch drahtlos zuverlässig funktioniert.
 

Bisher wird EtherCAT insbesondere im Anwendungsfall als Safety-Protokoll FSoE – das steht für „FailSafe over EtherCAT“ – fast ausschließlich per Kabel übertragen. Hauptgrund dafür sind die hohen Anforderungen, die das Industrie-Protokoll an die Leitung stellt. Die Übertragung findet als Geräte-durchlaufendes Datentelegramm statt. Geräte entnehmen diesem Datenstrom jene Pakete, die für sie bestimmt sind oder fügen neue Daten dem Telegramm hinzu.

Funk für Notaus noch zu ­unzuverlässig?

Dieses Verhalten passt nicht zum Wesen der Übertragung von Daten über herkömmliche drahtlose Technologien mit ihren Laufzeitverzögerungen (Latenz) und regelmäßig auftretenden Paketverlusten durch funkspezifische Effekte. Für die Übertragung normaler Daten wie einem Videostream oder Surfen im Internet stellt das dank vielfältiger Korrekturverfahren meist kein Problem dar. In der Industrie, insbesondere bei EtherCAT FSoE, können aber schon mittlere Latenzen und ein paar wenige Paketverluste Verbindungsabbrüche und damit das Ende der Funkübertragung verursachen.

Besonders schwerwiegend ist der Abbruch der Datenverbindung, wenn sicherheitsrelevante Anwendungen über Funk abgebildet werden sollen. So zum Beispiel, wenn ein Notausschalter die Fahrt eines Fahrerlosen Transportsystems (FTS/AGV) per Knopfdruck stoppen soll. Dass hier Kabel nur stören würden, liegt auf der Hand. Die Funkanbindung jedoch muss den sogenannten „Black Channel“, also den Sicherheitskanal, realisieren. Über diesen Black Channel senden die Controller regelmäßig kurze Datenpakete und prüfen so, dass der Kanal offen und nicht gestört ist. Beim zuvor beschriebenen Abbruch der Verbindung würde die Steuerung das System sofort in einen sicheren Zustand versetzen. Die Produktion steht, die Logistik kommt zum Erliegen.

Stabile Funkverbindung: Echo ­überträgt zuverlässig bei Störungen

Die Safety-Experten des Industrie-Service-Anbieters Brinkmann Electronic Berlin haben genau hier angesetzt und einen AGV-Demonstrator aufgebaut, bei dem eine stabile Funkverbindung über die EchoRing-basierte Bridge E von R3 Solutions realisiert wird. Dabei nutzten sie die Besonderheiten der EchoRing-Technologie, die mit Hilfe zweier besonderer Ansätze hochzuverlässige Echtzeit-Datenübertragung nahezu ohne Paketverlust realisiert. Das bewährte Token-Ring-Verfahren (kurz: „der Ring“) garantiert eine kollisionsfreie und zeitlich berechenbare (deterministische) Datenübertragung. Sollte eine Nachricht ihren Empfänger aufgrund von Störungen dennoch nicht erreichen, so überträgt einer der benachbarten EchoRing-Funkknoten das Signal, quasi ein „Echo”, sodass der Empfang der ursprünglichen Nachricht innerhalb der definierten Latenz garantiert werden kann.

Synchrone Übersetzung zwischen EtherCAT und EchoRing

Die Herausforderung für die Mitarbeiter bei Brinkmann Electronic lag nun darin, das EtherCAT FSoE Datenformat über die Paket-basierte EchoRing-Technologie zu übertragen. Dazu entwickelten sie eine Art Übersetzer zwischen beiden Welten. Auf jeweils einem Industrie PC (IPC) wird das Datensignal konvertiert – die Daten-Telegramme werden in einzelne UDP-Pakete, die Data Frames, verpackt – und dann via EchoRing übertragen. Beim Empfänger erfolgt die Wandlung retour: Die Datenpakete werden wieder als Telegramme ins EtherCAT-Netz eingespeist.

Eine besondere Hürde, die die Brinkmann-Entwickler bei Wandlung und Übertragung bewältigen mussten, war die Synchronität der Datenübertragung zu gewährleisten. In EtherCAT werden dazu unter anderem Prüfsummen errechnet. Diese gilt es innerhalb kürzester Zeit zu verifizieren, was den eingesetzten IPCs einiges an Rechenleistung abfordert. Parallel prüft das Testsystem, dass die Verbindung weiterhin besteht.

Zuverlässiger Funk über EchoRing

Sowohl die Herausforderung wie auch die besondere Hürde haben die Entwickler bei Brinkmann gemeistert. Sie erstellten ein stabiles Netzwerk inklusive der Funkstrecke, in dem die Daten per EtherCAT FSoE übertragen wurden. Die Worst-Case-Latency lag bei rund 60 Millisekunden und damit im Rahmen der akzeptablen Verzögerung. Vor allem die Konvertierung des Datenstroms für die Funkverbindung verursacht aktuell noch die größte Verzögerung. Durch einen optimierten beziehungsweise leistungsfähigeren EtherCAT-Konverter lassen sich die Ergebnisse weiter verbessern. Weitere Optimierung von Netzparametern und Paketgrößen versprechen zusätzliches Potential, die Latenz zu verkürzen.

Peter Brinkmann, Gründer und Geschäftsführer der Brinkmann Electronic Berlin, erklärt: „Der Druck in Richtung kabellose Verbindung im Bereich Safety insbesondere bei der funktionalen Sicherheit ist sehr groß. Wir sehen da einen echten Trend. Mit der Bridge E von R3 Solutions haben wir eine sehr einfach nutzbare und vor allem hochzuverlässige Lösung, die die Echtzeit-Anforderungen unserer Kunden erfüllt.“ Auch Mathias Bohge, Geschäftsführer bei R3 Solutions freut sich über das Ergebnis der Entwicklung: „Vor allem für Hersteller und Nutzer von AGV ist es sehr wichtig, dass die Brinkmann-Entwickler eine funktionierende Lösung für die drahtlose Datenübertragung per EtherCAT FSoE gefunden haben. Wir sind stolz, dass unsere Bridge E und die EchoRing-Technologie dabei eine so zentrale Rolle spielen.“

Autoren
Hilal Abu Saleh, Brinkmann Electronic Berlin
Jan Rähm, R3 Solutions