Quarze und Oszillatoren für Industrial Ethernet: Taktgeber in Echtzeit
Quarze und Oszillatoren für Industrial Ethernet

Taktgeber in Echtzeit

Die Automatisierungstechnik basiert zunehmend auf Industrial Ethernet – und das aus gutem Grund: Die Technik vereint Echtzeitfähigkeit mit der Robustheit und Sicherheit der Feldbusse. Damit sie auch die harten Echtzeitanforderungen der Steuer- und Feldebene erfüllt, sind Quarze und Oszillatoren mit hoher Signalgenauigkeit und Zuverlässigkeit gefragt.

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Feldbusse kommen noch in 48 Prozent der derzeit neu realisierten industriellen Netzwerke zum Einsatz, auf Industrial Ethernet entfallen 46 Prozent, so die Einschätzung von HMS Industrial Networks (Stand März 2017). Diese Verteilung wird sich bald drastisch ändern. Denn für die Feldbusse geht HMS von einem jährlichen Wachstum von vier Prozent aus, für Industrial Ethernet sind es ganze 22 Prozent. So ist der Marktanteil von Industrial Ethernet bereits deutlich von 38 Prozent (2016) auf 46 Prozent (2017) gestiegen. Durch ihre Fähigkeit, Echtzeit-Leistung mit der Belastbarkeit und Sicherheit von Feldbuslösungen zu vereinen, entspricht die Technik den aktuellen Bedürfnissen der Industrieautomatisierung. Zudem ermöglicht Industrial Ethernet eine durchgängige Kommunikation vom Aktor oder Sensor auf der Feldebene bis zu den Systemen der Leit- und Unternehmensebene, da die EDV-Systeme der Unternehmen bereits auf Ethernet basieren. Aktuell stehen viele, jedoch untereinander inkompatible Anwendungsprotokolle zur Verfügung, z.B. Ethernet/IP, Ethercat, Sercos, Profinet oder Powerlink. Die größten Marktanteile haben laut HMS derzeit Ethernet/IP, Profinet und Ethercat.

Schnell und flexibel: Ethercat

Die schnellste Technologie ist Ethercat, zudem bietet sie eine Synchronisationsgenauigkeit im Nanosekundenbereich. Mit ihren kurzen Reaktionszeiten beschleunigt sie alle Applikationen mit Weiterschaltbedingungen. Da Ethercat die CPU bei gleicher Zykluszeit um rund ein Drittel weniger beansprucht als andere Bussysteme, bildet sie die Basis für höhere Performance und Genauigkeit bei niedrigeren Kosten – und damit Steuerungs- und Regelungskonzepte, die mit herkömmlichen Feldbussystemen nicht realisierbar sind. Hierfür wird das Protokoll komplett in Hardware bearbeitet, unabhängig von Laufzeiten der Softwareimplementierung. Der Datenaustausch folgt dem Master-Slave-Modell, hinsichtlich der Topologie bietet Ethercat absolute Flexibilität: Es unterstützt die Linien-, Baum- und Sterntopologie sowie jede Kombination daraus. Die Knotenzahl ist nahezu unbegrenzt. Damit macht Ethercat die von den Feldbussen her bekannten Strukturen auch für Ethernet verfügbar. Das Protokoll eignet sich für den Einsatz in zeitkritischen Motion-Control-Anwendungen, beispielsweise in Verpackungsmaschinen, CNC-Maschinen, Robotik und Hydraulikregelungen.

Harte und weiche Echtzeit

Während die Kommunikation der Systeme in der Leit- und Unternehmensebene nicht sehr zeitkritisch ist und lediglich weiche Echtzeitanforderung stellt, ist in der Steuer- und Feldebene zunehmend harte Echtzeit gefordert. Damit die unterschiedlichen Systemkomponenten einer vielschichtigen Anlage sauber zusammenarbeiten können, ist ein sicherer und schneller Datenaustausch gefordert. Hierfür müssen die Netzwerke außer einem schnellen Real-Time-Verhalten auch geringe Abweichungen und synchronisierte Abläufe in den Netzwerkknoten sicherstellen. Die exakte Synchronisierung ist vor allem dann wichtig, wenn räumlich verteilte Prozesse gleichzeitige Aktionen erfordern, z.B. in Applikationen, in denen mehrere Servoantriebe gleichzeitig koordinierte Bewegungen ausführen. Verteilt abgeglichene Uhren, sogenannte Distributed Clocks, stellen hier eine hochgenaue, netzwerkweite Zeitbasis zur Verfügung. Diese Forderungen und Funktionen gehen über den einfachen Ethernet-Standard hinaus. Sie lassen sich in verschieden realisierbaren Hardwarelösungen implementieren, z.B. mit FPGAs, ASICs oder vollintegrierten Controllern. Für den Signaltakt sind Quarze, Oszillatoren oder Real Time Clocks mit hoher Signalqualität und Zuverlässigkeit erforderlich.

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren, die sowohl weiche als auch harte Echtzeitanforderungen mit kurzen Zykluszeiten und niedrigem Jitter verbinden, bietet Epson. Die Komponenten eignen sich für unterschiedliche Applikationen, z.B. Human Machine Interface (HMI), Programmable Logic Controller (PLC) oder Motion Controller (Servomotoren, FA Kamera, Sensoren) und Frequenzinverter.

• MEMS-Oszillatoren gelten zwar als mechanisch belastbarer, was gerade für raue industrielle Anwendungen von Vorteil ist. Doch bezüglich Präzision, Phasenrauschen und Temperaturstabilität haben quarzbasierende Oszillatoren immer noch die Nase vorn.

• In die stark verbreiteten Ethercat-ASICs ET1100/ET1200 von Beckhoff sind viele Algorithmen des Protokolls in Hardware integriert. Sie verfügen über Distributed-Clocks, die die hochpräzise Synchronisation (<< 1µs) der Ethercat-Slaves ermöglichen.

• Für Standardfrequenzen der Industrieprotokolle mit einer Anforderung von +/-50ppm über -40 bis +85°C empfiehlt sich die 2.5×2.0-Serie SG-210STF, mit gleicher Charakteristik auch in 7×5 (SG7050) und 5×3.2 (SG5032) verfügbar. Den erweiterten Temperaturbereich bis 105 oder 125°C deckt die SG-210S*B-Serie ab.

• Für Nicht-Standardfrequenzen, kleine Stückzahlen und kurze Lieferzeiten empfehlen sich die programmierbaren Quarzoszillatoren der SG-8018- und SG-8101-Serie. Diese kommen mit einer internen PLL-Schaltung, die die entsprechenden Frequenzen erzeugt.

Die neue Serie SG-8101 hat einen erweiterten Temperaturbereich bis zu 105°C und kann auch unter rauen Umweltbedingungen zum Einsatz kommen. Außerdem zeichnet sie sich durch eine um ca. 66 Prozent engere Frequenztoleranz (+/-50 bis +/-15ppm) und einen um 50 Prozent niedrigeren Stromverbrauch gegenüber vergleichbaren Produkten aus. Damit tragen die Quarzoszillatoren der SG-8101 Serie erheblich zu den Systemeigenschaften mit harter Echtzeit, niedrigen Stromverbrauch und schnelleren Entwicklungszyklen bei. Sie eignen sich auch für kleinere Produktionsmengen, es gibt sie in mehreren Baugrößen von 7x5mm bis 2,5x2mm, wobei bei Epson-Oszillatoren immer gilt: je kleiner, desto günstiger. Die neue Serie SG-8018 ist die günstigste PLL-Serie von Epson, die per Standard bereits mit +/-50ppm über -40 – 105°C spezifiziert ist und zukünftige Anforderungen bezüglich Betriebstemperatur bereits erfüllt. Auch hier sind alle Bauformen von 7x5mm bis 2,5x2mm verfügbar.

Nur 2,5x2mm groß: das kleinste Mitglied aus Epsons SG-210-Serie (Bild: Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH)

Echtzeituhren

Ist eine noch höhere Präzision erforderlich, sind Echtzeituhren (Real Time Clocks, RTC) das Mittel der Wahl. Diese separaten Module bieten ein einfacheres Design durch integriertem Quarz, eine hohe Zuverlässigkeit und niedrige Stromaufnahme und können z.B. als Backup-Funktion eingesetzt werden. Für hohe Genauigkeit, die bei vernetzten Systemen zunehmend wichtiger wird, hat die RX8900CE Serie von Epson eine integrierte Temperaturkompensation. Damit kann sie etwa die zeitliche Zuordnung verschiedener Ereignisse in Relation zueinander setzen. Die RTCs haben eine Ganggenauigkeit von bis zu +/-3,4×10-6 bei Temperaturen von -40 bis +85°C. Sowohl bei den Oszillatoren als auch bei den Echtzeituhren führt der Hersteller die Abstimmung des Quarzes durch. Damit ist keine große Untersuchung des Designs notwendig, was die Time-to-Market deutlich verkürzt.

Autor: Jochen Neller,
Technischer Support Inductors & Timing Devices,
Rutronik Elektroische Bauelemente GmbH
www.rutronik.com/de

Ausgabe:
Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
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