{"id":3774,"date":"2023-05-11T15:29:23","date_gmt":"2023-05-11T13:29:23","guid":{"rendered":"https:\/\/koenig-pa.de\/de\/?page_id=3774"},"modified":"2025-11-04T12:50:06","modified_gmt":"2025-11-04T11:50:06","slug":"kpa-master-redundancy","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/koenig-pa.de\/de\/produkte\/ethercat\/kpa-ethercat-master\/kpa-ethercat-master-stack-pakete\/kpa-master-redundancy\/","title":{"rendered":"KPA Master Redundancy"},"content":{"rendered":"

[vc_row][vc_column][vc_column_text]Zuverl\u00e4ssigkeit und ausfallsicherer Betrieb sind entscheidende Grundvoraussetzungen f\u00fcr jedes industrielle Automatisierungssystem. Bei unerwarteten Ausfallzeiten erleidet der Produktionseigent\u00fcmer in aller Regel erhebliche Verluste und m\u00f6chte deshalb sichergehen, dass sein Produktionssystem davor ordnungsgem\u00e4\u00df gesch\u00fctzt und relativ robust ist gegen\u00fcber Hardware- und Softwarefehlern.<\/p>\n

Die EtherCAT-Technologie ist eine der fortschrittlichsten und leistungsf\u00e4higsten Schnittstellen f\u00fcr die Kommunikation auf und mit der Produktions-Ebene einer Fabrik. Neben gro\u00dfer Flexibilit\u00e4t und hohem Durchsatz bietet sie zus\u00e4tzlich einige grundlegende Fehlertoleranzfunktionen, um selbst bei gewissen m\u00f6glichen Hardwareausf\u00e4llen dennoch funktionsf\u00e4hig zu bleiben. Die leistungsf\u00e4higste dieser Funktionen ist die Kabelredundanz<\/em><\/strong>, eine Funktion, bei der die physikalische Ringtopologie verwendet wird, um einen stabilen Busbetrieb aufrechtzuerhalten, selbst dann, wenn eine Unterbrechung im Ring auftreten sollte. Au\u00dferdem ist das System in der Lage derartige Fehler selbst\u00e4ndig erkennen und sofort melden zu k\u00f6nnen.
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Die koenig-pa GmbH ist nicht nur aktives Mitglied in der EtherCAT Technology Group (ETG) und zwar fast von Beginn an, sondern dar\u00fcber hinaus ein versierter Experte f\u00fcr EtherCAT-Systeme. Unsere Ingenieure gingen deshalb einen Schritt weiter und erfanden einen Weg, um ein industrielles Netzwerk auch vor einem noch weit schwerwiegenderem Problem zu sch\u00fctzen, n\u00e4mlich einer kompletten Fehlfunktion seines Steuerknotens, also des Mastersystems, das den EtherCAT-Netzwerkbetrieb steuert und \u00fcberwacht. Unsere patentierte Technologie, genannt „Master-Redundanz“<\/em><\/strong> (Master Redundancy), erm\u00f6glicht mit einfachsten Mitteln eine selbst\u00e4ndige und nahtlose Wiederherstellung nach einem derartigen Systemausfall und bleibt deshalb auch in einer synchronisierten Umgebung weiterhin betriebsbereit. Das Patent ist in vielen L\u00e4ndern validiert: Deutschland, Frankreich, Italien – \u2116 EP3072262B1; USA – \u2116 US10102163 BB; Kanada – \u2116 CA2968432 AA; Indien – \u2116 IN201637021622 A; Japan – \u2116 P20160550236T.<\/p>\n

Sie finden diese Funktionalit\u00e4t in der Software KPA EtherCAT Master 2<\/a>, die bei der koenig-pa GmbH und ihren Vertriebspartnern erh\u00e4ltlich ist.<\/p>\n

Wie k\u00f6nnen Sie den Busbetrieb sicherstellen, wenn der Master ausgefallen ist<\/h2>\n

Rufen wir uns kurz die Grundprinzipien des EtherCAT-Betriebs in Erinnerung, da es wichtig ist, das Konzept zu verstehen, das der Master-Redundanz-Funktion von KPA EtherCAT Master 2 zugrunde liegt.<\/p>\n

Im Gegensatz zu anderen Ethernet-basierten industriellen Schnittstellen verwendet EtherCAT das Hop-by-Hop-Kommunikationsprotokoll: Ein Datentelegramm gilt f\u00fcr alle am Bus angeschlossenen Slave-Ger\u00e4te und wird von einem Ger\u00e4t zum n\u00e4chsten \u00fcbertragen. Der Master ist dabei ein Agent, der zyklisch ein Telegramm erstellt, mit Lese- oder Schreibauftr\u00e4gen f\u00fcllt, Daten (oder Slots f\u00fcr Eingangsdaten) ausgibt und diese in strengen Zeitabst\u00e4nden an den Bus sendet. Jedes Slave-Ger\u00e4t kann dabei Daten in den explizit adressierten Datenblock einf\u00fcgen (schreiben) oder solche extrahieren (lesen).<\/p>\n

Um den Busdurchsatz effektiv nutzen zu k\u00f6nnen, ist diese Funktion f\u00fcr die Fehlertoleranz \u00e4u\u00dferst n\u00fctzlich: Jedes an den Bus angeschlossene Ger\u00e4t ist sich der Aktivit\u00e4t aller Slaves vollst\u00e4ndig bewusst und kann die zwischen dem Busmaster und den Slaves \u00fcbertragenen Daten transparent abrufen. Sie m\u00fcssen keine Slave-Ger\u00e4te \u00e4ndern, keine zus\u00e4tzlichen Signale hinzuf\u00fcgen oder das \u00dcbertragungsprotokoll \u00e4ndern: Diese Funktion ist frei von zus\u00e4tzlichen Kosten (au\u00dfer nat\u00fcrlich einem (oder mehreren), zus\u00e4tzlichen Master-Ger\u00e4ten).<\/p>\n

Dieser Nebeneffekt wird vom KPA EtherCAT Master 2 dazu genutzt, um einen weiteren Busmaster (oder mehrere Master) in den Bus zu integrieren. Im Normalbetrieb ist dieser redundante Master passiv, er kann die Daten auslesen, ohne dabei jedoch eigene Telegramme einzugeben und ist daher immer auf dem gleichen Stand wie der aktive Master. Passive Master werden als sekund\u00e4r bezeichnet, w\u00e4hrend der aktive Master der prim\u00e4re ist. Da alle sekund\u00e4ren Master auf diese Weise auf dem aktuellen Stand der gesamten Busaktivit\u00e4t sind, k\u00f6nnen sie jederzeit und ohne Zeitverzug anstelle des prim\u00e4ren Masters aktiviert werden, falls dieser einmal ausfallen sollte.[\/vc_column_text][vc_single_image image=“2278″ img_size=“350×291″ alignment=“center“ onclick=“link_image“][vc_column_text]Was hier aber noch wichtiger ist, ist die Tatsache, dass ein sekund\u00e4rer Master keine speziellen Steuerger\u00e4te oder zus\u00e4tzlichen Signalleitungen ben\u00f6tigt, um eine ungew\u00f6hnliche Situation auf dem Bus sofort erkennen zu k\u00f6nnen. Wie Sie ja bereits wissen, erfolgen EtherCAT-Telegramme in absolut strengen und regelm\u00e4\u00dfigen Zeitabst\u00e4nden. Wenn also ein sekund\u00e4rer (= passiver) Master kein Telegramm erh\u00e4lt, das er zu einem festgelegten Zeitpunkt erwarten darf, wei\u00df er mit Sicherheit, dass der Bus keinen funktionierenden Master mehr hat. Es muss nicht gewartet werden, bis der aktuelle Zyklus vorbei ist – der redundante Master kann auf der Stelle die Steuerung \u00fcbernehmen indem er sein eigenes Telegramm absendet. Und da der sekund\u00e4re Master alle \u00c4nderungen mitverfolgt hat und somit ein vollkommener Klon seines ausgefallenen Vorg\u00e4ngers ist, wird dieses Telegramm auch korrekt und aussagekr\u00e4ftig sein.<\/p>\n

Wie funktioniert die Master Redundanz?<\/h2>\n

Eine EtherCAT-Konfiguration mit funktionierender Master-Redundanz ben\u00f6tigt ein aktives (prim\u00e4res) Master-Ger\u00e4t und einen oder mehrere passive (= sekund\u00e4re) Master. Der prim\u00e4re Master muss nicht zwingend f\u00fcr die Master-Redundanz konfiguriert sein, es ist jedoch sehr zu empfehlen, die KPA EtherCAT Master 2 zu verwenden, um s\u00e4mtliche Vorteile dieser Technologie nutzen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n

Der sekund\u00e4re Master ist quasi als heimlich mith\u00f6render Schattenagent an den Bus angeschlossen. Er verfolgt alle Datentelegramme mit, w\u00e4hrend sie ihn unver\u00e4ndert passieren. Gleichzeitig berechnet er die Zeit, zu der jedes Telegramm eintrifft, und verfolgt m\u00f6gliche Verz\u00f6gerungen zwischen erwarteter und tats\u00e4chlicher Ankunftszeit dieser Telegramme.<\/p>\n

Sobald ein Telegramm verz\u00f6gert eintrifft, startet ein Watchdog-Timer. Nachdem die in den Master-Einstellungen angegebene Zeit abgelaufen ist, startet der passive Master sein \u201eFailover-Protokoll\u201c genanntes Ausfallprotokoll:<\/p>\n

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  1. Interner Schalter des bisher passiven Masters wird ausgel\u00f6st: Jetzt kann der bislang schweigende Master auf das Bus-Telegramm schreiben.<\/li>\n
  2. Ein neues, vom sekund\u00e4ren Master vorbereitetes Telegramm wird auf den Bus geschrieben.<\/li>\n
  3. In diesem Telegramm wird eine Anforderung zur Freigabe des Busses an den noch aktiven Master gesendet, da er m\u00f6glicherweise immer noch online ist, jedoch einige interne Probleme aufweist. Damit wird die Situation definitiv vermieden, dass der bislang aktive Master den Bus nach seiner Wiederherstellung automatisch (und damit evtl. ungewollt) wieder \u00fcbernimmt. Der alte Master w\u00fcrde nur dann wieder die Kontrolle \u00fcbernehmen, falls der neue aktive Master seinerseits ausf\u00e4llt oder falls der Bediener den alten Master bewusst wieder aktiviert (und damit den Redundanz-Master wieder zum Sniffer degradiert).<\/li>\n
  4. Die Kontrollanwendung des neuen Busmasters wird \u00fcber die Aktivierung des neuen Masters informiert.<\/li>\n<\/ol>\n

    Es ist jederzeit m\u00f6glich, einen aktiven Master mit dem Buskonfigurator in den passiven Zustand zu versetzen . Ein anderer passiver Master \u00fcbernimmt dann automatisch die Kontrolle \u00fcber den Bus.
    \nUm beim Vorhandensein mehrerer redundanter Master zu verhindern, dass sich beim Ausfall des aktiven Masters mehr als einer der sekund\u00e4ren Master aktiviert, sind ihre Watchdog-Timer unterschiedlich konfiguriert. Es ist m\u00f6glich, f\u00fcr jeden Master eine zuf\u00e4llige Erzeugung der Watchdog-Zeit zu erzwingen. Auf diese Weise wird eine Kollisionssituation sicher ausgeschlossen und damit gew\u00e4hrleistet, dass niemals zwei oder mehr sekund\u00e4re Master gleichzeitig versuchen, das Failover-Protokoll zu starten.<\/p>\n

    Zusammenfassung<\/h2>\n

    Die von uns vorgeschlagene Funktion kann das industrielle Kommunikationsnetz vor einem folgenschweren und schwer zu behebenden Ausfall seines Kontrollknotens sch\u00fctzen. Es nutzt Architektureigenschaften der EtherCAT-Technologie, um eine kosteng\u00fcnstige L\u00f6sung zu implementieren, die die Fehlertoleranz erheblich erh\u00f6ht, ohne dass dies die Flexibilit\u00e4t und Leistung beeintr\u00e4chtigt. Nahezu jedes EtherCAT-f\u00e4hige industrielle Automatisierungssystem kann mit dieser Funktion aufger\u00fcstet werden: Sie m\u00fcssen einen oder mehrere Klone Ihrer Steuerung mit nur geringen oder gar keinen \u00c4nderungen an der Logik an den Bus anschlie\u00dfen.<\/p>\n

    Wenn Sie den KPA EtherCAT Master 2 nicht f\u00fcr die EtherCAT-Kommunikation verwenden, helfen Ihnen unsere Ingenieure bei der Integration der Master-Redundanz in Ihr Steuerungssystem. Unser Software-Stack ist mit praktisch jedem Echtzeit- oder Universalbetriebssystem kompatibel und kann f\u00fcr verschiedene CPUs, Mikrocontroller und FPGAs zusammengestellt werden. Wenn Sie sich nicht in der Kompatibilit\u00e4tsliste befinden, wird die Software auf Ihre Anforderungen zugeschnitten.[\/vc_column_text][\/vc_column][\/vc_row][vc_row css=“.vc_custom_1680612600174{margin-top: 30px !important;margin-bottom: 0px !important;}“][vc_column width=“1\/4″][\/vc_column][vc_column width=“1\/2″][vc_column_text]