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Quarze und Oszillatoren für Industrial Ethernet

Erstellt von Jochen Neller, Technischer Support Inductors & Timing Devices bei Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH |

Industrial Ethernet ermöglicht die durchgängige Kommunikation vom Aktor oder Sensor auf der Feldebene bis zu den Systemen der Leit- und Unternehmensebene. Zudem vereint es Echtzeitfähigkeit mit der Robustheit und Sicherheit der Feldbusse – und löst diese deswegen sukzessive ab. Damit Industrial Ethernet auch harte Echtzeitanforderungen erfüllt, sind Quarze und Oszillatoren mit hoher Signalgenauigkeit und Zuverlässigkeit erforderlich.

Aktuell stehen viele Anwendungsprotokolle zur Verfügung, z.B. Ethernet/IP, EtherCAT, SERCOS, Profinet oder Powerlink. Die größten Marktanteile haben laut HMS derzeit EtherNet/IP, Profinet und EtherCAT.

 

EtherCAT - schnell und flexibel

Die bei weitem schnellste Technologie ist EtherCAT, sie bietet zudem eine außerordentlich schnelle Synchronisation im Nanosekunden-Bereich. 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 für Steuerungs- und Regelungskonzepte, die mit herkömmlichen Bussystemen nicht realisierbar sind. Hierfür wird das Protokoll komplett in Hardware bearbeitet.

 

Der Datenaustausch folgt dem Master-Slave-Modell. Hinsichtlich der Topologie bietet EtherCAT absolute Flexibilität: Es unterstützt die Linien-, Baum- und Sterntopologie sowie jede Kombination aus diesen. Die Knotenzahl ist nahezu unbegrenzt. So macht EtherCAT die von den Bussystemen her bekannten Strukturen auch für Ethernet verfügbar. Damit eignet sich EtherCAT ideal für den Einsatz in zeitkritischen Motion Control Anwendungen.

 

Harte und weiche Echtzeit

Für die Kommunikation in der Leit- und Unternehmensebene genügt weiche Echtzeit. In der Steuer- und Feldebene ist dagegen zunehmend harte Echtzeit gefordert, damit die Komponenten einer vielschichtigen Anlage sauber zusammenarbeiten können. Wenn räumlich verteilte Prozesse gleichzeitige Aktionen erfordern, z. B. wenn mehrere Servo-Antriebe gleichzeitig koordinierte Bewegungen ausführen, sind zudem geringe Abweichungen und synchronisierte Abläufe in den Netzwerkknoten entscheidend. Verteilte abgeglichene Uhren, sogenannte Distributed Clocks, stellen hierfür eine hochgenaue, netzwerkweite Zeitbasis zur Verfügung.

 

Diese Forderungen und Funktionen gehen über den einfachen Ethernet Standard hinaus. Sie lassen sich in verschieden Hardware-Lösungen implementieren, z.B. FPGAs, ASICs oder vollintegrierten Controllern. Für den Signaltakt sind Quarze, Oszillatoren oder Echtzeituhren (Real Time Clocks, RTC) mit hoher Signalqualität und Zuverlässigkeit erforderlich.

 

Präzise und zuverlässige Quarze und Oszillatoren

Bei den Oszillatoren besteht die Wahl zwischen MEMS und Quarz-basierenden Modellen:

  • MEMS-Oszillatoren gelten als mechanisch belastbarer.
  • Quarz-basierende Oszillatoren punkten bei Präzision, Phasenrauschen und Temperaturstabilität.

 

Quarze und Oszillatoren, die harte Echtzeit, kurze Zykluszeiten und niedrigen Jitter bieten, gibt es z.B. von EPSON. Der Hersteller deckt jeden Bedarf der aktuellen Protokolle mit hochwertigen frequenzbestimmenden Bauelementen ab.

 

Für Standardfrequenzen der Industrie-Protokolle mit einer Anforderung von +/-50ppm über -40°C bis +85°C empfehlen sich die 2.5x2.0 Quarz-Oszillatoren der Serie SG-210STF, die auch in 7x5 (SG7050) und 5x3.2 (SG5032) verfügbar sind. Den erweiterten Temperaturbereich bis 105°C oder 125°C deckt die SG-210S*B Serie ab.

 

Für Nicht-Standardfrequenzen, kleine Stückzahlen und kurze Lieferzeiten empfehlen sich die programmierbaren Quarz-Oszillatoren der SG-8018 und SG-8101 Serie. Sie kommen mit einer internen PLL (phase locked loop, Phasenregelschleife) Schaltung, die die entsprechenden Frequenzen erzeugt.

 

Die Serie SG-8101 kann im erweiterten Temperaturbereich bis 105°C und auch unter rauen Umweltbedingungen zum Einsatz kommen. Außerdem zeichnet sie sich durch eine um ca. 66 Prozent engere Frequenztoleranz (+/-50ppm bis +/-15ppm) und einen um die Hälfte niedrigeren Stromverbrauch gegenüber vergleichbaren Produkten aus. Damit tragen die SG-8101 Quarz-Oszillatoren erheblich zu den Systemeigenschaften mit harter Echtzeit, niedrigem Stromverbrauch und schnelleren Entwicklungszyklen bei. Sie eignen sich auch für kleinere Produktionsmengen.

 

Die Serie SG-8018 umfasst die günstigste Quarz-Oszillatoren mit PLL von Epson, die standardmäßig bereits mit +/-50ppm über -40°C bis 105°C spezifiziert sind.

 

Echtzeituhren für höchste Genauigkeit

Ist eine noch höhere Präzision erforderlich, sind Echtzeituhren (Real Time Clocks, RTC) das Mittel der Wahl. Die RTC bieten ein einfacheres Design dank integriertem Quarz, eine hohe Zuverlässigkeit und niedrige Stromaufnahme und können z.B. als Backup Funktion eingesetzt werden. Für höchste Genauigkeit haben die RTC der RX8900CE Serie von Epson eine integrierte Temperaturkompensation. Damit können sie etwa die zeitliche Zuordnung verschiedener Ereignisse in Relation zueinander setzen. Die RTC haben eine Ganggenauigkeit von bis zu ±3,4 x 10-6 bei Temperaturen von -40°C bis +85°C.


Weitere Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

Crystals and oscillators for industrial Ethernet
Quarze und Oszillatoren für Industrial Ethernet