KPA EtherCAT Master

Logo KPA EtherCAT Master

KPA EtherCAT Master ist ein umfassendes Produkt für Spezialisten der industriellen Automatisierung, die beabsichtigen, ihre Anwendungen und Lösungen um Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsmöglichkeiten zu erweitern. Es handelt sich um die zweite Generation des EtherCAT-Masters von koenig-pa, die eine neue fortschrittliche Architektur und mehrere einzigartige Funktionen implementiert, die eine bessere Integration und Leistungssteigerung ermöglichen. Außerdem unterstützt es eine Vielzahl von Betriebssystemen.

Der KPA EtherCAT Master ist ein Softwarestack, der allen Standards der EtherCAT Technology Group entspricht und zahlreiche Merkmale aufweist, die für die Entwicklung kostenoptimierter und leistungsfähiger SPS auf nahezu jeder Plattform (wie z. B. Arm/Arm64 oder x86/x64) zur Steuerung von EtherCAT-E/A beliebiger Hersteller verwendet werden können.

Vorteile und Hauptmerkmale

  • Erfüllt die Standards der EtherCAT Technology Group (ETG)
    KPA EtherCAT Master kann als standardmäßiges oder kundenspezifisches Funktionspaket geliefert werden. Es stehen zwei Standardpakete nach ETG.1500-Standard zur Verfügung: Klasse A (Standard-Paket) und Klasse B (Basis-Paket). Darüber hinaus stellt die koenig-pa GmbH das Premium-Paket vor, welches zahlreiche zusätzliche Leistungsmerkmale zur Erstellung innovativer Anwendungen integriert.
  • Verfügbar für zahlreiche Betriebssysteme sowie OS-lose Systeme
    KPA EtherCAT Master ist für zahlreiche Betriebssysteme verfügbar, darunter Windows, INtime, RTX/RTX64, Linux, Linux+Xenomai, FreeRTOS, Nucleus, QNX, VxWorks, ReWorks, Integrity sowie für betriebssystemlose Systeme. Auf Anfrage können die Experten der koenig-pa GmbH den Support für jedes Betriebssystem anpassen.
  • Hardware-Erweiterungen für Xilinx/Intel FPGA (Altera) und Texas Instruments PRUSS Sitara CPU
    Verfügbarkeit von IP Cores für Xilinx und für Intel FPGA (Altera) FPGAs, PRUss Co-Programm für Texas Instrument Sitara CPUs (AM47x und AM57x) steigert Produktivität und Datenverarbeitungseffizienz. Die Implementierung für AM6x ist auf Anfrage erhältlich.
  • Auto-Konfigurator für Online-Konfiguration
    Der KPA EtherCAT Master kann den Bus on the fly ohne EtherCAT-Konfigurationswerkzeuge konfigurieren. Das Autokonfigurator-Modul ermöglicht es einer Benutzeranwendung, die Konfiguration des Slaves auszuwählen und zwischen verschiedenen Konfigurationen des Slaves umzuschalten, z. B. zwischen Positionsregelung eines Antriebs und Geschwindigkeitsregelung oder zwischen Buskonfigurationen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Slaves.
  • Prozessabbildprotokollierung für die Datenübertragung in Analysewerkzeuge
    Der Prozessabbild-(PI-)Logger ermöglicht die Erfassung von Echtzeitdaten zur Übertragung auf andere Ebenen ohne Einfluss auf das Echtzeitverhalten des Steuerungssystems. Die Daten können an MATLAB, LabView (TDMS-Format) und beliebige andere Analysewerkzeuge übertragen werden. Darüber hinaus hat die koenig-pa GmbH eine spezielle Python-Erweiterung entwickelt, die es erlaubt, Daten zu einer Datei beliebigen Formats, z.B. einer CSV-Datei, für deren Weiterverarbeitung zu aggregieren.

KPA EtherCAT Master Stack Architektur

Der KPA EtherCAT Master-Stack hat einen modularen Aufbau, um auf jede Anforderung bezüglich bestimmter Implementierungen reagieren zu können. Auf diese Weise lässt sich der Master bequem auf die Größe der Anwendung skalieren, auf unterschiedliche Betriebssysteme portieren sowie an verschiedene Hardware-Plattformen anpassen. Außerdem ermöglicht dies die Entwicklung und separate Anpassung jedes Moduls während die Funktion der anderen Elemente davon unberührt bleibt.

Durch die Gruppierung der Master-Module in die folgenden Schichten werden alle Funktionen klar voneinander getrennt:

Slave Device

Anwendungsschicht (Application Layer)

Die Anwendungsschicht (oder Application Layer) ist maßgeblich für die Interaktion von verschiedenen Programmier- und/oder Konfigurationsumgebungen mit anderen Anwendungen und Geräten. Sie schottet ab und:

  • sichert zugleich den Zugang zu den Master-Funktionen seitens der Anwendungen oder Prozessaufgaben.
  • ermöglicht die Interaktion mit dem Master über Interprozesskommunikationen wie „Aufruf einer fernen Prozedur“ (Remote Procedure Calls) und bietet TCP / IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) und/oder UDP-Verbindungen, beispielsweise für die Mailbox-Kommunikation mit Slaves über UDP (User Datagram Protocol).

KPA EtherCAT Master Stack Kern – Module

Mailbox Modul

Das Mailbox Modul des KPA Master Kerns nutzt Protokolle, um Servicedatenobjekte (SDP), Datentransfer und Datenaustausch zu handhaben. Die folgenden EtherCAT Standard-Protokolle werden bereits unterstützt:

  • CoE – CANopen over EtherCAT (CAN Applikations-Protokoll)
  • Ethernet over EtherCAT (EoE)
  • Servo Drive Profil over EtherCAT
  • File Access over EtherCAT (FoE)
  • Vendor over EtherCAT (Anbieterspezifische Profile)
  • ADS (Automation Device Specification) over EtherCAT

Prozessabbild Modul (Process Image Module)

Prozessabbild-Adressen werden (durch ein Konfigurationstool generiert) von der ENI-Datei (ENI = EtherCAT-Netzwerk-Informationen) zur Verfügung gestellt. Der Zugriff von Steuerungs-/Prozess-Aufgaben auf das Prozessabbild wird dabei durch die Master-Schnittstelle durchgeführt.

Distributed Clocks (DC)-Modul

Das Distributed Clocks (DC) Modul ermöglicht es, dass sich alle EtherCAT-Geräte (Master wie Slaves) immer die gleiche EtherCAT Systemzeit teilen. Dies erfolgt durch eine Kompensation von Offset und Zeit Verschiebungen. Weitere Einzelheiten entnehmen Sie bitte dem Flyer:

  KPA EtherCAT Master Synchronization Flyer (nur in Englisch) (169,4 KiB, 723 hits)

Frame Scheduler Modul mit unterschiedlichen Abtastraten für PDOs (Prozess-Daten-Objekte)

Das Modul zur Zeitablaufsteuerung der Frames (Frame Scheduler) ist ein Konfigurations-Werkzeug mit dem der Nutzer die Abtastraten jedes Slaves individuell einstellen kann. Das Frame Scheduler Modul verwaltet dabei die Geschwindigkeit der EtherCAT-Frames während deren Weiterleitung zum EtherCAT-Netzwerk –Treiber.

KPA EtherCAT Master Stack OSAL

Logo KPA EtherCAT Master

Betriebssystem Abstraktionsschicht (Operating System abstraction layer – OSAL)

Die Master Stack OSAL ermöglicht es, den Master mit geringem Aufwand auf jedes andere Betriebssystem portieren zu können.

Diese Schicht besteht aus 2 Modulen:

  • Dem Modul der Betriebssystem-Funktionen. Es enthält Wrapper für vom Betriebssystem abhängige Funktionen, die mit Threads, Timern, Mutexen usw. arbeiten.
  • Dem Treiber-Modul der Netzwerk-Adapter. Dieses abstrahiert den Master-Stack Kern aus der zugrunde liegenden Netzwerk-Implementierung.

Die KPA EtherCAT Master Betriebssysteme:

Logo Intime
Logo Linux
Logo QNX
Logo RTX
Logo VxWorks
Logo Xenomai

Hinweis: Einige Betriebssysteme wie Windows XP, CE6/7, OnTime RTOS-32, PikeOS, RTAI werden portiert, aber nicht aktiv unterstützt. Andere Betriebssysteme können auf Anfrage unterstützt werden.

KPA EtherCAT Master Stack Benchmark

Config „Simple“:
64Bytes Rahmen, 1 LRD / 1 LWR, kein DC, keine Mailbox (EK1100 – EL1004 – EL2004)

Config „Complex“:
1 Vollbild (1514Bytes Frame für PDO), LRD / LWR Befehle, DC, Mailbox über EVENT (EK1100-EL1004-EL2004-EL1252-EL3102-EL4102-EL6751-EL6751)

Test Platform:
CPU: Intel® Core i7-3770 CPU 3.40 GHz 3.39GHz
NIC: Intel® Gigabit CT desktop adapter
RAM: 8GB

1. Vergleich der Master-Performance-Ergebnisse auf verschiedenen RTOS, aber auf dem gleichen Prozessor Intel Core i7 (Single-CPU-Kern für alle Master-Threads)

Config „Simple“:
INtime RTX qnx vxworks" xenomai
Zyklus-Zeit Master in [µs] 100 100 100 100 100
Jitter, in [±µs] 5 2 7 10 1
Antwortzeit Slave (mittl.), in [±µs] 43 32 43 33 22
CPU Auslastung in [%] 16 21 21 21 13,3
Config „Complex“:
INtime RTX qnx vxworks" xenomai
Zyklus-Zeit Master in [µs] 200 200 200 200 200
Jitter, in [±µs] 4 2 3 4 1
Antwortzeit Slave (mittl.), in [±µs] 170 150 171 166 154
CPU Auslastung in [%] 10 12 13 13 3,8

2. Beste Master-Performance-Ergebnisse werden mit verschiedenen RTOS, bei gleichem Prozessor (Single CPU-Kern für alle Master-Threads) erzielt

Config „Simple“:
INtime RTX qnx vxworks" xenomai
Zyklus-Zeit Master in [µs] 50 50 100 100 50
Jitter, in [±µs] 10 3 7 10 1
Antwortzeit Slave (mittl.), in [±µs] 43 32 43 33 22
CPU Auslastung in [%] 31 41 21 21 27,5
Config „Complex“:
INtime RTX qnx vxworks" xenomai
Zyklus-Zeit Master in [µs] 200 200 200 200 200
Jitter, in [±µs] 4 2 3 4 1
Antwortzeit Slave (mittl.), in [±µs] 170 150 171 166 154
CPU Auslastung in [%] 10 12 13 13 3,8

KPA EtherCAT Master Stack Pakete

Master Klassen

Jedes Paket enthält eine Reihe von spezifischen Funktionen und Features. Die verschiedenen Pakete werden in Klassen eingeteilt, so dass Sie jederzeit eine Master-Klasse wählen und individuell zusammenstellen können, die perfekt auf Ihre Anwendungen passt. In der nachfolgenden PDF-Datei finden Sie eine Vergleichs-Matrix, die Ihnen die Unterschiede zwischen der Master Klasse „Basic“ (entspricht Klasse B nach ETG Standard) und „Standard“ (entspricht Klasse A) zeigt.

  KPA EtherCAT Master Classes Flyer (361,7 KiB, 821 hits)

Funktions-Pakete (Feature Packs) und Erweiterungen (Extensions)

Zusätzlich zu diesen beiden Klassen können Sie weitere Master Funktions-Pakete (Feature Packs) und Erweiterungen (Extensions) aus der folgenden Liste hinzuwählen:

KPA Master Erweiterungen (Extensions)

WebSocket / OPC UA-Unterstützung

Master-Konfiguration und Variablen sind für externe Anwendungen und Dienste über mehrere namhafte Protokolle einschließlich WebSocket und OPC UA verfügbar.

Betriebssysteme

Wir bieten EtherCAT-Master-Pakete für die folgenden General-Purpose- und Echtzeit-Betriebssysteme an:

  • Windows 7
  • INtime
  • Linux RT Preemt
  • Xenomai
  • QNX
  • RTX/RTX64
  • VxWorks
  • Integrity
  • FreeRTOS
  • Nucleus

Jedes andere Betriebssystem kann auf Kundenwunsch unterstützt werden. Zusätzlich haben wir KPA EtherCAT Master auf Windows XP, CE6/7, OnTime RTOS-32, PikeOS, RTAI, etc. portiert, unterstützen diese Betriebssysteme aber nicht aktiv.

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