KPA EtherCAT Master

Logo KPA EtherCAT Master

KPA EtherCAT-Master ist ein EtherCAT-Master-Stack, der alle Vorteile der EtherCAT-Technologie, wie Echtzeit-Betrieb, extrem kurze Zykluszeit und maximale Leistung bei minimalen Kosten bietet. Die Architektur des Stacks wurde so konzipiert und entwickelt, dass die Übertragbarkeit auf andere Betriebssysteme, die Anpassung an unterschiedliche Hardware-Plattformen und die Skalierbarkeit von Basic (Klasse B), Standard (Klasse A) und Premium-Paketen gewährleistet ist.

Der KPA EtherCAT-Master unterstützt das EtherCAT Kommunikations-Netzwerk und ist so implementiert, dass die Technologie vollständig und effizient einsetzbar ist. Der Stack wurde in Übereinstimmung mit den ETG-Spezifikationen konzipiert, die ANSI „C“ nutzen und erfüllt alle technologischen Anforderungen. Er ist optimiert für kurze Ausführungszeit und geringen Speicherbedarf, um den Anforderungen des harten Echtzeitbetriebs gerecht zu werden und den Einsatz in Embedded-Systemen auf unterschiedlichen Hardware-Plattformen zu ermöglichen.

Videochat: „TenAsys und koenig-pa ermöglichen kompakte Industrie-PCs“

Video-Interview mit Herrn Gerhard Spiegel: KPA EtherCAT Master auf INtime 6 von TenAsys

KPA Master Development Kit (MDK) ermöglicht es Entwicklern, die Master-Funktionalität zu konfigurieren.
Vorteile für Entwickler:

  KPA EtherCAT Master WhitePaper (1,3 MiB, 575 hits)

Bestandteile des KPA Master Development Kit:

  KPA EtherCAT MDK Flyer (174,5 KiB, 519 hits)

Hardware Plattformen / Anbieter

Betriebssysteme

Die folgenden Betriebssysteme werden unterstützt:

  • INtime
  • Linux RT Preemt
  • QNX
  • RTX
  • RTX64
  • VxWorks
  • Windows
  • Xenomai

Hinweis: Die Betriebssysteme OnTime RTOS-32, PikeOS (teilweise), RTAI mit RTnet portiert aber nicht unterstützt.

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:

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).

Slave Device

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 gemäß IEC 61491-7-204 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 (169,4 KiB, 496 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: Die Betriebssysteme Windows XP, CE6/7, OnTime RTOS-32, PikeOS, RTAI werden portiert. Aktualisierungen auf Anfrage. Update upon request.

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 (190,4 KiB, 505 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:

Master Funktions-Pakete (Feature Packs)

  • Kabel-Redundanz (vollständiger Funktionserhalt selbst bei Ausfall einer Kabelverbindung)
  • Hot Connect (Ab- und Anklemmen von Teilnehmern ohne vorheriges Herunterfahren des Systems)
  • TCP/UDP Mailbox Gateway (TCP = Transmission Control; UDP = User Datagram Protocol)
  • Externe Synchronisierung

KPA Master Erweiterungen (Extensions)

  • Daten und Frame-Logger
  • Zugriffs-Rechte
  • Multi Master für RTX (ab Master 1.6)
  • Erweiterte Master Diagnose (ab Master 1.6)
  • Datenbank CAN (DBC)
  • Master OD
  • EtherCAT Automation Protocol (EAP)
  • Online configuration
  • Data cashing

Betriebssysteme

Als dritten und letzten Schritt können Sie das Betriebssystem (Operating System) auswählen, das für Ihren Anwendungsfall am geeignetsten erscheint.