EC-Monitor: Software Bibliothek zur Überwachung und Protokollierung von EtherCAT® Netzwerken

Übersicht

Mit Hilfe der EC-Monitor Software-Bibliothek ist es möglich, den Datenverkehr eines EtherCAT Netzwerkes zu analysieren und auszuwerten. Die Bibliothek erfasst hierbei die Daten des Netzwerks und stellt diese dann der Applikation zur Verfügung. Neben den Prozessdaten (Ein- und Ausgänge) werden auch die Slave Zustände, die Slave Fehlerzähler und weitere Daten aus den EtherCAT Frames herausgefiltert.

Die Bibliothek kann autark und unabhängig von der Steuerung verwendet werden und funktioniert mit EtherCAT Master Controllern beliebiger Hersteller, z. B. Beckhoff, Omron, Bosch-Rexroth, Lenze, ACS Motion Control, acontis, CoDeSys. Der EC-Monitor erfasst hierbei unter Verwendung eines TAP (Test Access Point) Device den kompletten Datenverkehr zwischen dem Master und den EtherCAT Slaves. Dazu wird sowohl das Outgoing-Frame (Master → Slaves) als auch das Incoming-Frame (Master ← Slaves) ausgewertet.

Dekodierung auf Basis der EtherCAT Network Information (ENI) Datei

Die Dekodierung der aufgezeichneten EtherCAT Frames erfolgt auf Basis der EtherCAT Network Information (ENI) Datei. Diese Datei enthält die Definition des Prozessabbildes, aller Variablen einschließlich der Datentypen, sowie den Aufbau der zyklischen Frames. Die ENI Datei ist Bestandteil der EtherCAT Spezifikation ETG.2100, kann von jeder herkömmlichen EtherCAT Konfigurationssoftware erzeugt werden und wird in der Regel vom EtherCAT Master ebenfalls benötigt. Somit entsteht kein zusätzlicher Engineering Aufwand.

System Architektur

In das vorhandene EtherCAT Netzwerk muss zum Abgreifen der EtherCAT Frames ein Test Access Point (TAP) eingebaut werden. In der Regel wird der TAP zwischen dem Master und dem ersten Slave platziert, aber auch zwischen zwei beliebigen anderen Slaves ist der Einbau möglich. Allerdings können nur direkt hinter dem Master alle Ein- und Ausgangsdaten vollständig analysiert werden, da bei Verwendung von LRW Kommandos die Ausgangsdaten von den Eingangsdaten überschrieben werden. Der TAP, z. B. Dualcomm ETAP-1000, sollte eine möglichst kurze Durchlaufverzögerung haben um das Netzwerk-Timing nicht zu stören.

Ein Eingriff in die Steuerung und die EtherCAT Master Software bzw. der Konfiguration ist nicht erforderlich. Somit eignet sich der EC-Monitor sowohl für neue Installationen (Greenfield) als auch für bestehende Anlagen und Maschinen (Brownfield).

Software Architektur

Die EC-Monitor Bibliothek kann ohne Anpassungen auf den Betriebssystemen Windows, Linux, QNX, etc. verwendet werden. Die Anbindung des Netzwerk-Controllers wird erfolgt über einen speziellen Treiber von acontis, den Link Layer. Für zahlreiche Ethernet Controller stehen eigens entwickelte und hoch-performante Link Layer  zur Verfügung.

Der EC-Monitor verarbeitet die ENI Datei vollständig und ermittelt daraus, u.a. die Anzahl der Slaves, die Struktur des Prozessabbildes, die Variablennamen und Offset. Auf Basis dieser Daten kann sich die Applikation dynamisch an unterschiedliche Netzwerkkonfigurationen anpassen.

Programmierschnittstellen und Beispielcode

C/C++ API

Die EC-Monitor-API ähnelt stark der EC-Master-API, was eine schnelle Einarbeitung und die Wiederverwendung bestehender Softwaremodule ermöglicht. Alle relevanten Schritte für den Zugriff auf die EtherCAT-Daten werden in der mitgelieferten „EC-Monitor-Demo“ vermittelt.

MQTT

MQTT ist ein weit verbreitetes IIoT-Protokoll, das eine einfache und sichere Datenübertragung ermöglicht und von vielen Überwachungstools und Datenkonzentratoren unterstützt wird. Es bietet zudem hohe Cybersicherheit, da der gesamte Datenverkehr verschlüsselt über den vordefinierten MQTT-Broker gerouted wird. Die Architektur des EC-Monitors und die Verwendung von TAPs gewährleisten zudem, dass Ihr EtherCAT-Netzwerk vor unbefugtem Zugriff geschützt ist.

Mit dem mitgelieferten Beispiel „EcMonitorDemoMqtt“ veröffentlicht der EC-Monitor alle EtherCAT-Variablen (Prozessdaten) als verschiedene MQTT-topics. Dadurch können die Echtzeitwerte der EtherCAT-Variablen in vielen Softwarelösungen, welche MQTT unterstützen, direkt wiederverwendet werden. Um eine detaillierte EtherCAT-Diagnose zu ermöglichen, fügt die EcMonitorDemoMqtt den EtherCAT-Zeitstempel der Nachricht hinzu und liefert damit tiefen Einblick in das Zeitverhalten des Netzwerks. Um die TCP/IP-Last zu reduzieren, werden die Nachrichten mit einer vordefinierten Taktrate zyklisch oder alternativ nur bei  Datenänderungen übertragen . Das Beispiel EcMonitorDemoMqtt wird mit als Quellcode geliefert damit es leicht an die anwendungsspezifischen Anforderungen angepasst werden kann – z.B. durch Hinzufügen von Filtern.

Anwendungsbeispiele

Anwendungsbeispiel: Diagnose Tool

Die EC-Monitor Bibliothek stellt die Daten für eine vom Anwender zu erstellende EtherCAT Diagnosesoftware zur Verfügung. Dieses Tool kann neben der Anzeige der Topologie und der Prozessdaten auch zur Lokalisierung von Kommunikationsstörungen verwendet werden. Unter der Voraussetzung, dass die EtherCAT Master Software die Slave Error Counter Register regelmäßig kontrolliert, können diese Daten auch vom EC-Monitor erfasst und der Applikation zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Auf Grundlage der Slave- und Port-spezifischen Fehlerzähler können so der Ort bzw. die Ursache möglicher Fehler ermittelt werden (beispielsweise schlechte Kabel oder fehlerhafte Steckverbindungen). Ein Beispiel für ein solches Tool ist der acontis EC-Inspector.

Anwendungsbeispiel: IIoT Gateway, (Embedded) Edge Device

Ein gängiger Anwendungsfall des EC-Monitors ist die kontinuierliche, EtherCAT-Controller-unabhängige Überwachung von EtherCAT-Steuerungsnetzwerken. Damit wird predictive Maintenance möglich, da alle relevanten Prozessdaten überwacht, analysiert und verfolgt werden können. Bei ungewöhnlichen Prozessdaten oder Netzwerkfehlern können Warnmeldungen generiert werden. Der EC-Monitor bietet verschiedene Möglichkeiten der Umsetzung:
  • Live-Online-Überwachung durch direkte Weiterleitung der relevanten Daten an einen Überwachungsserver. Der Server kann die Daten direkt verarbeiten und/oder diese für eine spätere Verwendung speichern. Die Verbindung zwischen dem EC-Monitor und dem Server kann entweder per MQTT mittels der EcMonitorDemoMqtt oder über ein anderes Protokoll erfolgen, das lediglich als Teil der Kundenanwendung auf dem EC-Monitor hinzugefügt werden muss.
  • Offline-Überwachung: Der EC-Monitor kann alle Prozessvariablen direkt auf einem Speichermedium, z. B. als CSV-Datei, loggen. Dies ermöglicht die Überwachung und Analyse von Systemen, in denen kein Remote-Netzwerk verfügbar ist.
     

Eine wichtige Funktionalität der EC-Monitor Bibliothek ist die lückenlose Erfassung aller Prozessdaten. Dies ist Voraussetzung um Applikationen zur Qualitätssicherung (Condition Monitoring ) oder zur vorausschauenden Wartung (Predictive Maintenance ) zu realisieren. Die erfassten Daten können, z. B. auf einem PC oder in einem embedded Gerät mit entsprechenden Algorithmen analysiert und weiterverarbeitet werden. Die gesammelten Informationen können dann, z. B. auf einem zentralen Server oder in einer Cloud gespeichert werden. Die Überwachung des Herstellungsprozesses ist, u.a. die Voraussetzung für die vollständige Rückverfolgbarkeit eines Produktes.

Anwendungsbeispiel: Überwachung kritischer Anwendungen

Die EC-Monitor Bibliothek erlaubt die lückenlose Auswertung der gesamten Prozessdaten eines EtherCAT Netzwerkes in Echtzeit. Für sicherheitskritische Anwendungen können diese Daten auf einem anderen System von einer Applikation überprüft werden. Dieses Überwachungssystem kontrolliert somit die Hauptanwendung und kann im Fehlerfall entsprechenden Maßnahmen zum Abschalten der Anlage bzw. Maschine ergreifen.

Funktionen

  • Analyse und Auswertung des EtherCAT Protokolls
  • Verarbeitung der Konfigurationsdatei EtherCAT Network Information (ENI)
  • Ermittlung der zyklischen Prozessdaten (Eingänge und Ausgänge)
  • Ermittlung des Zustandes der Slaves
  • Ermittlung der Slave Fehlerzähler (Register 0x300 bis 0x313 im EtherCAT Slave Controllers)
  • Verarbeitung von PCAP (Wireshark) Dateien
  • Abspeicherung des Datenverkehrs in einer PCAP (Wireshark) Datei

Vorteile

  • Kein Eingriff an der bestehenden Steuerungssoftware erforderlich
  • Einsetzbar für neue Anlagen (Greenfield) und bestehende Installationen (Brownfield)
  • Unterstützung von verschiedenen handelsüblichen Netzwerk TAP Geräten
  • Keine Auswirkungen auf die vorhandene Applikation
  • Kein zusätzlicher Konfigurationsaufwand. Die bereits vorhandene ENI Datei genügt
  • Einheitliches Diagnosewerkzeug für Maschinen/Anlagen mit Steuerungen von verschiedenen Herstellern (Beckhoff, Bosch-Rexroth, Omron, CoDeSys, Yaskawa, etc.)

Empfohlene TAP (Test Access Point) Geräte

Mehr Informationen

Datasheets und Evaluierungsversionen gibt es in der Download Area.

Kostenlose Eval Version