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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Steuergerät mit einer Feldbus-Schnittstelle.
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Die
US 2013/0121346 A1 , die
DE 10 2010 030 811 A1 und die
US 2010/0306511 A1 zeigen jeweils dynamische Protokollumschaltungen einer Feldbus-Schnittstelle basierend auf Inhalten von Daten, die über die Feldbus-Schnittstelle übertragen werden, wobei zwischen Echtzeit-Protokollen und Nicht-Echtzeit-Protokollen umgeschaltet werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Steuergerät mit einer Feldbus-Schnittstelle zur Verfügung zu stellen, das möglichst flexibel einsetzbar ist.
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Das elektrische Steuergerät weist eine herkömmliche erste Feldbus-Schnittstelle auf, die zum Empfangen und Senden von Ethernet-Rahmen (Ethernet Frames) ausgebildet ist, beispielsweise gemäß IEEE 802.3. Die (physische) Feldbus-Schnittstelle kann beispielsweise auf einem 10BASE-T/100BASE-TX-Ethernet basieren, insbesondere mit so genannten RJ45 Steckern.
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Das elektrische Steuergerät weist weiter eine mit der ersten Feldbus-Schnittstelle gekoppelte Steuereinheit auf. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, den im EtherType-Feld eines empfangenen Ethernet-Rahmens stehenden Wert zu lesen. Die Steuereinheit implementiert dann ein EtherCAT-Protokoll zum Empfangen und Senden von Daten über die erste Feldbus-Schnittstelle, wenn der gelesene Wert einem EtherCAT Protokoll entspricht, beispielsweise wenn der gelesene Wert 0x88A4 beträgt. Die Steuereinheit implementiert stattdessen ein Ethernet-(Non Real Time, NRT-)Protokoll zum Empfangen und Senden von Daten über die erste Feldbus-Schnittstelle, wenn der gelesene Wert einem Ethernet-Protokoll entspricht, insbesondere wenn der gelesene Wert von 0x88A4 verschieden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das elektrische Steuergerät eine zweite Feldbus-Schnittstelle auf, wobei die erste Feldbus-Schnittstelle einen In-Port eines EtherCAT-Slaves bildet und die zweite Feldbus-Schnittstelle einen Out-Port eines EtherCAT-Slaves bildet, wenn der gelesene Wert ein EtherCAT Protokoll anzeigt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, ein EtherCAT-Protokoll zum Empfangen und Senden von Daten über die erste Feldbus-Schnittstelle und die zweite Feldbus-Schnittstelle zu implementieren, wenn der gelesene Wert ein EtherCAT Protokoll anzeigt, und ein Ethernet-Non-Real-Time-Protokoll zum Empfangen und Senden von Daten über die erste Feldbus-Schnittstelle und die zweite Feldbus-Schnittstelle zu implementieren, wenn der gelesene Wert ein Ethernet-Protokoll anzeigt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das elektrische Steuergerät weiter auf: eine EtherCAT-Slave-Steuereinheit, eine Ethernet-Steuereinheit, eine Multiplexer-Einheit, die ansteuerungsabhängig entweder einen ersten Sende-Ausgang der EtherCAT-Slave-Steuereinheit oder einen ersten Sende-Ausgang der Ethernet-Steuereinheit mit einem Sende-Port der ersten Feldbus-Schnittstelle verbindet und die ansteuerungsabhängig entweder einen zweiten Sende-Ausgang der EtherCAT-Slave-Steuereinheit oder einen zweiten Sende-Ausgang der Ethernet-Steuereinheit mit einem Sende-Port der zweiten Feldbus-Schnittstelle verbindet, und eine mit der ersten Feldbus-Schnittstelle gekoppelte Analyse-Einheit, die dazu ausgebildet ist, den im EtherType-Feld des empfangenen Ethernet-Rahmens stehenden Wert zu lesen und die Multiplexer-Einheit in Abhängigkeit von dem gelesenen Wert anzusteuern. Die Analyse-Einheit steuert die Multiplexer-Einheit bevorzugt derart an, dass die Sende-Ausgänge der Ethernet-Steuereinheit mit den entsprechenden Sende-Ports verbunden sind, wenn der gelesene Wert ein Ethernet-Protokoll anzeigt, und die Sende-Ausgänge der EtherCAT-Slave-Steuereinheit mit den entsprechenden Sende-Ports verbunden sind, wenn der gelesene Wert ein EtherCAT-Protokoll anzeigt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit als bzw. mittels eines FPGA ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das elektrische Steuergerät ein Frequenzumrichter, ein Servoumrichter oder ein Motion Controller.
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Erfindungsgemäß weist das Steuergerät beispielsweise nur einen RJ45 IN-Port und einen RJ45 OUT-Port auf, jedoch keinen zusätzlicher Ethernet-Port. Über den IN-Port kann das Steuergerät entweder als EtherCAT-Slave oder als Ethernet-Steuergerät angesprochen werden. Über den OUT-Port können in beiden Fällen wie üblich weitere Teilnehmer für einen Systemverbund angeschlossen werden. Prinzipiell kann die Umschaltung der Kommunikationsart über eine Analyse des Ethernet-Rahmens beispielsweise mittels eines so genannten Sniffers und anschließender Weichenstellung auf den entsprechenden Protokoll-Stack erfolgen. Hierbei gibt es diverse Möglichkeiten, den Ethernet-Rahmen zu analysieren, ob dieser von einem EtherCAT Master oder einem Gerät stammt, das mittels eines Ethernet-Protokolls kommuniziert. Die einfachste Auswertung ist der Wert im EtherType-Feld.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 hoch schematisch ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektrischen Steuergeräts,
- 2 hoch schematisch einen Anwendungsfall, bei dem zwei elektrische Steuergeräte jeweils als EtherCAT-Slaves mit einem EtherCAT-Master basierend auf einem EtherCAT-Protokoll kommunizieren und einen zugehörigen Ethernet-Rahmen, der von dem EtherCAT-Master anfänglich an das mit ihm verbundene elektrische Steuergerät gesendet wird,
- 3 hoch schematisch einen weiteren Anwendungsfall, bei dem zwei elektrische Steuergeräte mit einem Diagnosegerät basierend auf einem Ethernet-NRT-Protokoll kommunizieren und einen zugehörigen Ethernet-Rahmen, der von dem Diagnosegerät anfänglich an das mit ihm verbundene elektrische Steuergerät gesendet wird, und
- 4 hoch schematisch einen weiteren Anwendungsfall, bei dem ein Gateway entweder als EtherCAT-Master oder als Ethernet-NRT-Protokoll-basierter Router arbeitet.
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1 zeigt hoch schematisch ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen elektrischen Steuergeräts 1, beispielsweise in Form eines Frequenzumrichters, eines Servoumrichters oder eines Motion Controllers.
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Das elektrische Steuergerät 1 weist eine erste Feldbus-Schnittstelle 2 auf, die zum Empfangen und Senden von Ethernet-Rahmen 3 (siehe beispielsweise 2) ausgebildet ist.
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Das elektrische Steuergerät 1 weist weiter eine mit der ersten Feldbus-Schnittstelle 2 gekoppelte Steuereinheit 4 auf, wobei die Steuereinheit 4 dazu ausgebildet ist, den im EtherType-Feld 5 eines empfangenen Ethernet-Rahmens 3 stehenden Wert zu lesen, und ein EtherCAT-Protokoll zum Empfangen und Senden von Daten über die erste Feldbus-Schnittstelle 2 zu implementieren, wenn der gelesene Wert 0x88A4 beträgt und daher ein EtherCAT Protokoll anzeigt, und ein Ethernet-NRT-Protokoll zum Empfangen und Senden von Daten über die erste Feldbus-Schnittstelle 2 zu implementieren, wenn der gelesene Wert von 0x88A4 verschieden ist und ein Ethernet-NRT-Protokoll anzeigt.
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Das elektrische Steuergerät 1 weist weiter eine zweite Feldbus-Schnittstelle 6 auf, wobei die erste Feldbus-Schnittstelle 2 einen In-Port eines EtherCAT-Slaves bildet und die zweite Feldbus-Schnittstelle 6 einen Out-Port eines EtherCAT-Slaves bildet, wenn der gelesene Wert ein EtherCAT Protokoll anzeigt.
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Die Steuereinheit 4 ist dazu ausgebildet, ein EtherCAT-Protokoll zum Empfangen und Senden von Daten über die erste Feldbus-Schnittstelle 2 und die zweite Feldbus-Schnittstelle 6 zu implementieren, wenn der gelesene Wert ein EtherCAT Protokoll anzeigt, und ein Ethernet-Non-Real-Time-Protokoll zum Empfangen und Senden von Daten über die erste Feldbus-Schnittstelle 2 und die zweite Feldbus-Schnittstelle 6 zu implementieren, wenn der gelesene Wert ein Ethernet-Protokoll anzeigt.
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Hierzu weist das elektrische Steuergerät weiter eine EtherCAT-Slave-Steuereinheit 7, eine Ethernet-Steuereinheit 8, eine Multiplexer-Einheit 9, 10 und eine mit der ersten Feldbus-Schnittstelle 2 gekoppelte Analyse-Einheit 11 auf.
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Die EtherCAT-Slave-Steuereinheit 7 kann beispielsweise auf dem EtherCAT-ASIC ET1100 der Firma Beckhoff Automation basieren.
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Die Multiplexer-Einheit 9, 10 verbindet ansteuerungsabhängig entweder einen ersten Sende-Ausgang 7a der EtherCAT-Slave-Steuereinheit 7 oder einen ersten Sende-Ausgang 8a der Ethernet-Steuereinheit 8 mit einem Sende-Port 2a der ersten Feldbus-Schnittstelle 2 und verbindet ansteuerungsabhängig entweder einen zweiten Sende-Ausgang 7b der EtherCAT-Slave-Steuereinheit 7 oder einen zweiten Sende-Ausgang 8b der Ethernet-Steuereinheit 8 mit einem Sende-Port 6a der zweiten Feldbus-Schnittstelle. Die Ports 2b und 6b sind jeweils Empfangs-Ports.
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Die Analyse-Einheit 11 ist dazu ausgebildet, den im EtherType-Feld 5 des empfangenen Ethernet-Rahmens 3 stehenden Wert zu lesen und die Multiplexer-Einheit 9, 10 in Abhängigkeit von dem gelesenen Wert anzusteuern.
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Die Steuereinheit 4 kann ein FPGA sein/aufweisen.
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2 zeigt hoch schematisch einen Anwendungsfall, bei dem zwei elektrische Steuergeräte 1 jeweils als EtherCAT-Slaves mit einem EtherCAT-Master 12 basierend auf einem EtherCAT Protokoll kommunizieren und einen zugehörigen Ethernet-Rahmen 3, der von dem EtherCAT-Master 12 anfänglich an das unmittelbar mit ihm verbundene elektrische Steuergerät 1 gesendet wird.
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Dieses kann Standard-Einstellung auf den elektrischen Steuergeräten sein, sodass diese sich nach dem Einschalten zunächst jeweils wie EtherCAT Slaves verhalten. Der EtherCAT-Master 12 ist an dem IN-Port 2 des ersten bzw. linken Steuergeräts 1 angeschlossen. Der EtherCAT-Master sendet den Ethernet-Rahmen 3, dessen EtherType-Feld 5 den Wert 0x88A4 aufweist entsprechend dem EtherCAT-Protokoll.
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Die jeweiligen Multiplexer-Einheiten 9, 10 sind standardmäßig derart eingestellt, dass der EtherCAT-spezifische DataLink-Layer mit dem ET1100 an den PHYs angeschlossen ist. Neben der Prozessdatenkommunikation ist die EtherCAT Mailbox-Kommunikation Ethernet over EtherCAT(EoE) möglich, um die elektrischen Steuergeräte 1 zu diagnostizieren.
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3 zeigt hoch schematisch einen weiteren Anwendungsfall, bei dem zwei elektrische Steuergeräte 1 mit einem Diagnosegerät 13 basierend auf einem Ethernet-NRT-Protokoll kommunizieren und einen zugehörigen Ethernet-Rahmen 3, der von dem Diagnosegerät 13 anfänglich an das mit ihm verbundene elektrische Steuergerät 1 gesendet wird. Das Diagnosegerät 13 sendet folglich Ethernet-Rahmen mit einem im EtherType-Feld 5 stehenden Wert, der sich von dem EtherCAT-Protokoll-spezifischen Wert 0x88A4 unterscheidet.
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Innerhalb des jeweiligen elektrischen Steuergeräts 1 wertet die jeweilige Analyse-Einheit 11, die einen so genannten Sniffer bildet, das EtherType-Feld 5 des Ethernet-Rahmens 3 aus. Erkennt die Analyse-Einheit 11 anhand dieser Auswertung einen Ethernet-NRT-Rahmen, so werden unter Zwischenschaltung eines Stellglieds 18 mittels der Multiplexer 9 und 10 die Weichen von EtherCAT auf Ethernet-NRT gestellt.
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Hierbei ist zwischen der ersten Feldbus-Schnittstelle bzw. dem In-Port 2, der zweiten Feldbus-Schnittstelle bzw. dem Out-Port 6 und einem Ethernet Media Access Controller (EMAC) 15 für Ethernet ein Hub 14 geschaltet.
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Der Ethernet-Rahmen 3, der dem Umschaltvorgang diente, ist nun verloren. Alternativ ist es möglich, dass ein beispielsweise in Firmware gebildetes Steuerteil 16 eine Betriebsart beim Aufstarten des Steuergeräts 1 auf „Forward Ethernet-Frames“ schaltet. Somit wäre der Ethernet-Rahmen 3 zum Umschalten nicht verloren, sondern würde direkt zum nächsten Device gesendet werden.
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Das Diagnosegerät 13 sendet üblicherweise weitere Ethernet-Rahmen 3. Diese gelangen nun über den Hub 14 an den EMAC 15 des jeweiligen Steuergerätes 1 und können dort bearbeitet werden, wenn die im Ethernet-Rahmen 3 enthaltene Zieladresse übereinstimmt.
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Zusätzlich gelangt der jeweilige Ethernet-Rahmen 3 über den Hub 14 auch zu der zweiten Feldbus-Schnittstelle bzw. dem Out-Port 6 und wird an ein gegebenenfalls vorhandenes zweites elektrisches Steuergerät 1 weitergeleitet.
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Bei den folgenden elektrischen Steuergeräten 1 wiederholt sich dieser Vorgang, bis die ganze Kette hinsichtlich der Ethernet-Kommunikation freigeschaltet bzw. umgeschaltet ist.
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Sobald die Kommunikationsart einmal von EtherCAT auf Ethernet-NRT umgeschaltet ist, rastet die Kommunikation auf Ethernet-NRT ein. Ein Zurückschalten ist jedoch beispielsweise möglich mittels: Ein/Ausschalten und/oder einem Gerätekommando aus einer Gerätefirmware 16. Hierbei müssen jedoch Rückwirkungen auf das Gesamtsystem berücksichtigt werden, da nachgeschaltete elektrische Steuergeräte 1 nach einem Rückschalten auf EtherCAT nicht mehr via Ethernet-NRT erreicht werden können.
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Auch elektrische Steuergeräte 1, die keinen internen EMAC 15 aufweisen, können in den Verbund integriert werden ohne ihn zu stören, wenn ihr EtherCAT-Chip die Ethernet Weiterleitung ermöglicht.
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4 zeigt hoch schematisch einen weiteren Anwendungsfall, bei dem ein Gateway 17 entweder als EtherCAT-Master oder als Ethernet-NRT-Protokoll-basierter Router arbeitet.
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Im Betrieb des Gateways 17 als Ethernet-NRT-Protokoll-basierter Router ermöglicht das Gateway 17 einen zentralen Zugang zu allen elektrischen Steuergeräten 1. Das Gateway 17 kann hierbei in einen speziellen Ethernet-NRT-Modus geschaltet werden, sodass das Gateway 17 in diesem Modus an dem entsprechenden Ethernet-Ausgang zu den elektrischen Steuergeräten anders als in seinem herkömmlichen Modus keinen EtherCAT-Master bildet, sondern einen gewöhnlichen TCP-IP Ethernet-Adapter. Das Gateway 17 kann hierbei als Switch oder Router fungieren.
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Damit kann von dem Diagnosegerät 13 über das Gateway 17 der gesamte nachgeschaltete Verbund erreicht werden. Auch das Gateway 17 selbst könnte bei Bedarf selbstständig in den Ethernet-NRT-Modus wechseln, beispielsweise um bei einem erkannten Gerätetausch die richtige Firmware und/oder Applikation via Ethernet auf die elektrischen Steuergeräte 1 zu laden.
