I/O-Portfolio mit EtherCAT-Technologievorteilen und nahezu unbegrenzter Anwendungsvielfalt

Zusammen mit EtherCAT feiert auch das EtherCAT-I/O-Spektrum von Beckhoff sein 20-jähriges Jubiläum. Welche technologischen Vorteile die Verbindung des ultraschnellen Kommunikationssystems mit dem vielfältigen I/O-Spektrum bietet und wie schnell sich die Anwendungsmöglichkeiten in den vergangenen zwei Jahrzehnten erweitert haben, beschreibt Michael Jost, Senior Produktmanager I/O-Systeme und EtherCAT, im Interview.

EtherCAT feiert 20-jähriges Jubiläum und das Gleiche gilt für die EtherCAT-Klemmen von Beckhoff. Welche Motivation stand aus I/O-Sicht hinter diesen beiden Entwicklungen?

Michael Jost: EtherCAT als Technologie ist die logische Fortsetzung der PC-basierten Steuerungsphilosophie von Beckhoff. Um die Leistungsfähigkeit moderner CPUs für PLC, Motion usw. vollumfänglich nutzen zu können, muss auch das Kommunikationsinterface vom IPC in die automatisierungstechnische Welt bzgl. seiner Geschwindigkeit und Synchronität mithalten können. Entscheidend ist dabei, dass EtherCAT nicht nur bis zum Buskoppler implementiert wurde, sondern bis in jede Klemme weitergeführt ist. Auf diese Weise stehen auch im I/O-System alle Features von EtherCAT zur Verfügung. Als Ergebnis haben wir bezogen auf die Kommunikationsperformance (fast) keine Einschränkungen hinsichtlich der realisierbaren EtherCAT-Klemmen.

Welche besonderen Vorteile bietet EtherCAT als Systembus im I/O-Bereich, rein technisch gesehen und funktional z. B. mit den Distributed Clocks, eXtreme Fast Control (XFC) und Safety over EtherCAT?

Michael Jost: Der wesentliche Vorteil liegt darin, dass weder wir selbst bei der Entwicklung noch der Kunde bei seiner Applikation über die Geschwindigkeit der Datenübertragung nachdenken muss. Sie ist ganz einfach für >99 % der Produkte und Anwendungen ausreichend hoch. Auch für Safety-I/Os ist die EtherCAT-Bandbreite sehr vorteilhaft, da alle Safety-Protokolle durch die zusätzlichen Sicherungsmechanismen recht lang sind und die Bandbreite langsamerer Systeme schnell erschöpft ist bzw. zu entsprechend geringeren Zykluszeiten führt. Für die Safety-Applikation wäre dies nachteilig, da z. B. größere Abstände zwischen Schutzeinrichtungen und der Gefahrenstelle erforderlich sind. Die Distributed Clocks als EtherCAT-Synchronisationsmechanismus sind die Basistechnologie für synchron arbeitende Ausgangsbaugruppen – von der synchron zum Bewegungsablauf angesteuerten Leimdüse bis zur Servoklemme mit interpolierten Bewegungsabläufen. Auf der Eingangsseite ist diese Funktion für die synchrone Positions- oder Messdatenerfassung unerlässlich. Optimiertes Timing der Maschinenabläufe durch XFC (eXtreme Fast Control Technology) erlaubt es zudem, die Effizienz einer Maschine – ohne Änderung der Mechanik – zu steigern.

Mit den EtherCAT-Klemmen wurde das vorherige Busklemmen-Portfolio enorm erweitert. Wie hat sich das Spektrum der IP20-EtherCAT-I/Os seither entwickelt und was waren hierbei die wichtigsten Entwicklungsschritte?

Michael Jost: Wir entwickeln immer plattformbasierte Lösungen, die meist zu einer ganzen Gruppe neuer Produkte führen. Wesentliche Beispiele sind hier:

• die XFC-Technologien Time Stamp, Oversampling und Microinkremente,
• kosteneffiziente Lösungen durch mehrkanalige Klemmen,
• umfangreiche Lösungen im Bereich der I/O-System-integrierten kompakten Antriebstechnik für Servo-, Stepper-, DC- und BLDC-Motoren,
• die Highend-Messtechnik der ELM-Serie.

In welchen Anwendungsbereichen kamen die neuen EtherCAT-Klemmen am schnellsten zum Einsatz und wie hat sich dies im Lauf der Zeit weiterentwickelt?

Michael Jost: Da wir damals entschieden haben, die EtherCAT-Klemmen nicht als Highspeed-/Highprice-System zu vermarkten, sondern im Gegenteil die Preise sogar leicht unter denen unserer existierenden Systeme lagen, wurden die EtherCAT-Klemmen von Anfang an in allen Bereichen eingesetzt. Insbesondere natürlich dort, wo die schnelleren Updatezeiten große Vorteile in der Anwendung ermöglichen. Einer der ersten damit ausgestatteten Maschinen war eine hydraulische Presse, bei der durch EtherCAT die schnelle Erfassung von Position (SSI-Klemme) und Druck (Analog-Eingangsklemme) sowie die schnelle Ansteuerung der hydraulischen Proportionalventile (Analog-Ausgangsklemme) sowie die komplette Regelung in TwinCAT realisiert werden konnte. Somit konnte der Maschinenbauer selbst die Anlagenperformance und Teilequalität verbessern, ohne von einer zugekauften Regelungsbaugruppe abhängig zu sein.

Wie viele EtherCAT-Klemmen-Varianten gibt es aktuell und welches Signalspektrum wird damit abgedeckt?

Michael Jost: Aktuell gibt es rund 700 verschiedene EtherCAT-Klemmen, die nahezu alle marktrelevanten Signale abdecken.

In den vergangenen zwei Jahrzehnten sind auch hinsichtlich der Bauform mehrere Varianten hinzugekommen, z. B. die EtherCAT-Box-Module der EP-Reihe in Schutzart IP67. Was war hierfür der Entwicklungsanlass und wie schnell hat sich diese Bauform im Markt etabliert?

Michael Jost: Wir bieten die für die jeweilige Anwendung optimale I/O-Lösung an, ob für den Schaltschrank in IP20 als Klemme oder ganz ohne Schaltschrank in IP67. Anlass für solche Entwicklungen sind die Kundenbedürfnisse, die auch eine verstärkte Nachfrage im Bereich IP67 zeigen. Die Schaltungen und Firmware beruhen in der Regel auf einem einheitlichen Basisdesign, sodass wir bewährte Lösungen in der Bauform variieren können, ohne komplett neu entwickeln zu müssen.

Und wie war dies bei den HD-Klemmen sowie den EtherCAT-Steckmodulen der EJ-Serie als weitere Varianten?

Michael Jost: Mit der Entwicklung der HD-Klemmen haben wir eine neuen Marktstandard für die Packungsdichte bei modularen I/O-Systemen gesetzt. Und ganz nebenbei konnten wir zudem bei vielen Signalen die Preise je Kanal senken. Der Kunde spart also Platz im Schaltschrank und Kosten, weshalb der Markterfolg nicht lange auf sich hat warten lassen. Die EJ-Variante als „Busklemme“ für die Leiterkarte optimierte den Schaltschrankbau insbesondere im Großserienmaschinenbau, indem die arbeitsaufwändige Einzeladerverdrahtung durch industriell gefertigte Platinen mit für die Applikation optimaler Anschlusstechnik ersetzt wird. Das führt zu wesentlich kürzeren Verdrahtungszeiten und einem reduziertem Fehlerrisiko. Im Prinzip verdrahtet man die Maschine so effizient wie ein Auto – mit Elektronik und vorkonfektionierten Kabelbäumen –, ohne die Flexibilität und Wartungsfreundlichkeit eines feinmodularen I/O-Systems aufzugeben.

Gilt das Gleiche für die ELM-Klemmen im Metallgehäuse?

Michael Jost: Mit dem ELM-Gehäuse haben wir die Voraussetzung geschaffen, um völlig neue Produktkategorien im I/O-System realisieren zu können. Paradebeispiel ist die hochpräzise Messtechnik. Die optimale Abschirmung und signaloptimierte Steckverbinder sind hier zwei wesentliche Eigenschaften. Diese führen zusammen mit der passenden Schaltungsentwicklung und dem ausgeklügelten Abgleichprozess zu Genauigkeiten, die oft um den Faktor 30 über den industrieüblichen Werten liegen. Außerdem kann das Metallgehäuse höhere Verlustleistungen abführen, was völlig neue Leistungsklassen und Mehrachslösungen im Bereich der kompakten Antriebstechnik ermöglicht.

Im I/O-Bereich hat das Thema Connectivity eine besondere Bedeutung. Was zeichnet die entsprechenden Entwicklungen, wie z. B. EtherCAT P und die Beckhoff Hybridsteckverbinder, aus?

Michael Jost: Time-to-Market ist für Maschinenbauer, aber auch viele innovative Endkunden entscheidend. Die One Cable Automation (OCA) von Beckhoff schafft hierfür die optimalen Voraussetzungen. Unsere skalierbaren Hybridsteckverbinder ermöglichen die kombinierte Kommunikations- und Leistungsübertragung für nahezu alle Applikationsanforderungen. Sie bieten den Vorteil einer hohen Modularität, die eine große Variantenvielfalt für unterschiedlichste Anwendungen zulässt und dabei auch mechanische Kodierung und damit Verstecksicherheit beinhaltet. Es gibt einen einheitlichen Datenkern, der in allen vier Baugrößen – B12, B17, B23 und B40 – zum Einsatz kommt. Damit ist die Grundvoraussetzung gegeben, um sich erfolgreich als der Steckverbinder für die dezentrale Automatisierung, also die OCA, zu etablieren. Zumal unsere Hybridsteckverbinder zu den ersten Produkten gehören, die der zukünftigen Norm IEC 61076-2-118 entsprechen.

Die EtherCAT-Klemmen feiern nicht nur ihren 20. Geburtstag, es kommt zudem das zehnjährige Jubiläum der kompakten Antriebstechnik hinzu. Wie ist es zu dieser Neuentwicklung im Jahr 2013 gekommen?

Michael Jost: Wie bei einigen Produkten: „Es ging einfach.“ Durch immer effizientere Leistungshalbleiter konnte die Leistungsendstufe in einer Klemme realisiert werden. Die Fortschritte in der Halbleitertechnologie automatisierungstechnisch nutzbar zu machen, ist sozusagen Teil unserer Mission. Das sichere Marktgefühl, dass die Anwender eine optimal ins System integrierte Lösung externen Leistungsendstufen mit analoger Sollwertvorgabe oder Pulse-Train-Eingang vorziehen werden, gehört natürlich ebenfalls dazu.

Welches sind hier die Entwicklungs-Highlights, bezogen auf die Anwendungsbereiche und auf die Portfolio-Erweiterungen z. B. durch die ELM-Servomotorklemmen mit erhöhter Leistung?

Michael Jost: Die kompakte Antriebstechnik schließt nun fast nahtlos an die Leistung der großen Antriebstechnik (Servoverstärker AX8000/AX5000) an. Hinsichtlich der Integration der Brems-Chopper-Funktion und von Safe Motion ist das Featureset jetzt sehr durchgängig. Das macht es für die Anwender einfach, denn sie können rein nach Leistungsbedarf auswählen und die realisierbaren Eigenschaften sind nahezu identisch – egal ob 48-V-DC- oder 400-V-AC-Versorgungsspannung. Dementsprechend hat die kompakte Antriebstechnik heute einen wesentlichen Stellenwert in unserem Motion-Portfolio.

Welche zukünftigen Entwicklungen im Bereich der EtherCAT-I/Os, sowohl hinsichtlich neuer Klemmenprodukte als auch mit Blick auf EtherCAT als Systembus, können heute schon verraten werden?

Michael Jost: Unser Anspruch ist es, alle marktrelevanten Signale zu unterstützen, in allen einzelnen Bereichen wettbewerbsfähig zu sein und getreu unserem Slogan „New Automation Technology“ die Leistungsfähigkeit der PC- und EtherCAT-basierten Steuerungstechnik kontinuierlich zu steigern. Konkret arbeiten wir z. B. im Analogbereich an einigen Produkten mit erweiterten Features und optimierten Preisen. Außerdem werden wir weiterhin bewährte EtherCAT-Klemmen in anderen Bauformen umsetzen, um eine optimale Verdrahtung an der Maschine zu ermöglichen. Details werden wir auf den nächsten Messen verraten.