Virtuelle Steuerungen (SPS, IPC, MC) für EtherCAT Netzwerke
Die Nutzung des umfangreichen Know-hows von acontis im Bereich EtherCAT und Hypervisor-Technologie ermöglicht die Virtualisierung von EtherCAT Steuerungen. Virtuelle EtherCAT Steuerungen können direkt an EtherCAT-Netzwerke angeschlossen werden, indem der EtherCAT Direct Mode verwendet wird. Mit dem Feature Pack EtherCAT Open Mode (EOM) kann EOM auch zur Steuerung entfernter EtherCAT-Netzwerksegmente über herkömmliche Switched-Ethernet-IT-Netzwerke verwendet werden.
Virtuelle EtherCAT-Steuerungen (z. B. virtuelle SPS) optimieren die Hardware-Nutzung, indem sie hochleistungsfähige, allgemein verfügbare Plattformen nutzen, die mehrere EtherCAT-MainDevices beherbergen können, was sowohl die Leistung als auch die Nachhaltigkeit maximiert und gleichzeitig eine effiziente Nutzung der verfügbaren Hardwareressourcen gewährleistet.
Abbildung 1: Virtuelle Steuerungen können sich eine gemeinsame Hardware teilen und gleichzeitig unabhängig voneinander getrennte Netzwerke steuern
Durch die Kombination des acontis EC-Master mit Hypervisoren wie dem acontis Echtzeit-Hypervisor RTOSVisor oder Soft-Echtzeit-Hypervisoren wie Proxmox ergeben sich neue Möglichkeiten für die Schaffung von Fabriken, in denen Netzwerke der Informationstechnologie (IT) und der Betriebstechnologie (OT) nahtlos integriert sind. So können EtherCAT-basierte Maschinen direkt vom IT-Serverraum gesteuert werden, ohne dass spezielle Gateways erforderlich sind.
Virtuelle Steuerungen mit EtherCAT Direct Mode
Virtuelle Steuerungen bieten einen optimierten Ansatz zur Steuerung komplexer Maschinen mit mehreren EtherCAT-Netzwerken.
Anwendungen können Mehrachs-Bewegungen oder Roboter sowie Mess- und Datenerfassungssysteme sein, da die Flexibilität der Hardware-Ressourcen in Kombination mit dem möglichen direkten Datenaustausch innerhalb des Steuerungssystems die Gesamtleistung steigern kann.
Abbildung 2: Zwei virtuelle MainDevices steuern zwei unabhängige EtherCAT-Netzwerke im Direct Mode
Software-Architektur
Der EC-Master wird in mehreren virtuellen Maschinen betrieben - je nach Anzahl der angesteuerten EtherCAT-Segmente. Um die beste Performance im EtherCAT-Direktmodus zu erreichen, werden die Netzwerkschichten der Betriebssysteme und des Hypervisors umgangen:
- Der Hypervisor bietet für jede virtuelle Maschine einen direkten Zugriff auf die definierte Ethernet-Hardware mittels Pass-Through-Technologie.
- Die acontis Echtzeit-Ethernet-Treiber werden innerhalb der virtuellen Maschinen verwendet, um direkt auf die definierte Ethernet-Hardware zuzugreifen.
In der unteren Abbildung wird eine zusätzliche Ethernet-Hardware im virtualisierten / gemeinsamen Modus für alle virtuellen Maschinen verwendet, um Standard-TCP/IP-Datenaustausch zu ermöglichen - z.B. für Fernzugriff, Konfiguration und Diagnose.
Die EC-Master-Instanzen sind ähnlich wie klassische EtherCAT-Controller aufgebaut, es sind keine spezifischen Anpassungen notwendig, wenn Standard-Echtzeitbetriebssysteme wie RT-Linux oder VxWorks und Standard-Ethernet-Hardware verwendet werden.
Abbildung 3: Software Architektur für zwei virtuelle EtherCAT MainDevices auf einem System für maximale Performance durch EtherCAT Direct Mode mit direktem Hardware-Zugriff.
Vorteile
Im Vergleich zu mehreren physischen Controllern bieten virtuelle Controller mehrere entscheidende Vorteile:
- Optimierte Hardware Nutzung: Herkömmliche Controller sind häufig für ihre spezifischen Aufgaben überdimensioniert, was zu einem unnötigem Platz-, Energie- und Wartungsaufwand führt. Virtuelle Controller lösen dieses Problem, indem sie optimierte Hardware für präzise Anforderungen verwenden und so die Worst-Case-Planung oder Standardisierung verursachte Überdimensionierung reduzieren.
- Verbesserte Systemleistung: In Systemen, die mehrere Steuerungen verwenden, ist eine Kommunikation zwischen ihnen (z. B. über das EtherCAT Automation Protocol) erforderlich. Virtuelle Steuerungen vereinfachen dies durch steuerungsinterne virtuelle Netzwerke, die je nach verwendetem Betriebssystem oder Hypervisor verschiedene Möglichkeiten der Kommunikation zwischen den Steuerungen bieten, wie z. B. Dateiaustausch, Streams oder Shared Variables, was zu einem effizienteren und schnelleren Datenaustausch führt.
- Optimale Hardware für spezifische Anwendungsfälle: Virtuelle Steuerungen können mehrere Steuerungen in einer einzigen Einheit zusammenfassen, was Platz spart und den Einsatz von sehr robuster Hardware mit zusätzlichen Funktionen wie Mensch-Maschine-Schnittstellen ermöglicht.
- Geringere Kosten und Wartung: Eine einzige Hardwareeinheit, auf der mehrere virtuelle Steuerungen laufen, senkt die Gesamtbetriebskosten. Selbst bei höherer Leistung sind die Kosten pro Steuerung im Allgemeinen niedriger als bei herkömmlichen physischen Steuerungen. Darüber hinaus wird die Wartung durch moderne IT-Tools vereinfacht, die eine Fernverwaltung ermöglichen und den Bedarf an Vor-Ort-Support verringern.
Virtuelle Steuerungen, die den EtherCAT-Direct-Mode mit echtzeitfähigen Betriebssystemen und Hypervisoren nutzen, können es mit herkömmlichen EtherCAT-Steuerungen aufnehmen und bieten einfache Konfiguration, einfache Diagnose und maximale Performance mit extrem schnellen Zykluszeiten bei minimalem Jitter.
Virtuelle Steuerungen mit EtherCAT Open Mode
Virtuelle Steuerungen bieten einen optimierten Ansatz zur Steuerung komplexer Maschinen mit mehreren EtherCAT Netzwerken.
Abbildung 4: Zwei virtuelle MainDevices steuern zwei unabhängige dezentrale Systeme mit EtherCAT Open Mode.
Software Architektur
Wie die virtuelle Steuerung im EtherCAT Direct Mode wird der EC-Master in mehreren virtuellen Maschinen betrieben.
Um jedoch ein Maximum an Flexibilität zu erreichen, wird hier eine gemeinsame Ethernet-Hardware für alle EtherCAT MainDevices verwendet:
- Der acontis EtherCAT Open Mode Layer ermöglicht den Transport der EtherCAT Frames über das geswitchte IT-Netzwerk - mit den Kommunikationsmethoden RAW oder UDP.
- Die acontis Ethernet-Treiber nutzen die Standard-Netzwerkstacks von Betriebssystem und Hypervisor, um auf die gemeinsam genutzte Ethernet-Hardware zuzugreifen.
- Der Hypervisor ermöglicht den Zugriff auf eine gemeinsame Ethernet Hardware für alle EtherCAT MainDevices.
In diesem Beispiel sehen wir eine zweite Ethernet Hardware, die von allen virtuellen Maschinen für alle anderen TCP/IP-Kommunikationen gemeinsam genutzt wird.
Die EC-Master Instanzen unterscheiden sich vom klassischen EtherCAT Controller Setup, da der EtherCAT Open Mode Layer verwendet wird und die acontis Ethernet Antriebe nicht direkt auf die Ethernet Hardware zugreifen, sondern den zugrunde liegenden Betriebssystem/Hypervisor Netzwerkstack nutzen.
Dieses Setup bietet maximale Flexibilität, da zusätzliche virtuelle Maschinen einfach und ohne Hardwareänderung hinzugefügt werden können, hat aber einige Einschränkungen in Bezug auf die minimale EtherCAT Zykluszeit.
Abbildung 5: Software-Architektur für zwei virtuelle EtherCAT-MainDevices auf einem System für maximale Flexibilität durch EtherCAT Open Mode mit gemeinsamem Ethernet-Zugriff
Vorteile
Die Kombination von EtherCAT Open Mode (EOM) mit der Virtual-Controller-Technologie bringt noch mehr Vorteile:
- Erhöhte Verlässlichkeit: EOM ermöglicht den Betrieb virtueller Controller in einer sicheren IT-Umgebung z. B. in einem IT-Serverraum und schützt so vor Risiken, die mit physischen Umgebungen verbunden sind und verlängert die Lebensdauer des Systems.
- Schutz vor Umwelteinflüssen: Die Unterbringung von Controllern in sicheren IT-Umgebungen schützt vor Problemen wie Vibrationen, Temperaturschwankungen und EMI. Außerdem profitieren die Controller von der IT-Infrastruktur, wie z. B. Notstromversorgung und kontinuierliche Überwachung.
- Unbefugter Zugriff wird verhindert: IT-Serverräume bieten einen geschützten Zugang zu virtuellen Steuerungen und eliminieren das Risiko direkter physischer Manipulationen, die in Maschinenschränken bestehen, wo USB-Anschlüsse oder andere Serviceschnittstellen offen liegen.
- Cybersicherheit: Das Hosting von Maschinensteuerungen in einer sicheren IT-Umgebung erhöht ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Cyberangriffen, indem bewährte IT-Cybersicherheitspraktiken genutzt werden.
Virtuelle Steuerungen, die den EtherCAT Open Mode verwenden, können jedoch mit bestimmten Unterschieden im Vergleich zum Direct Mode konfrontiert werden, wie z. B. erhöhter Jitter bei der UDP/RAW-Kommunikation und komplexere Konfiguration aufgrund der Verwendung von Standard-IT-Netzwerken. Trotz dieser Herausforderungen bleibt EOM eine leistungsstarke Option für die sichere und effiziente Steuerung entfernter EtherCAT Segmente.
Weitere Informationen zu EOM finden Sie in unserem Blog-Artikel "What is EtherCAT Open Mode?". Wie EOM mit dem EC-Master implementiert werden kann, finden Sie hier: EC-Master EOM Feature Pack.
acontis Lösungen für Virtuelle Steuerungen
acontis bietet alle wesentlichen Softwarekomponenten an, um Virtuelle EtherCAT-Steuerungen nach Ihren Anforderungen zu erstellen:
- EtherCAT MainDevice Software: Der acontis EC-Master ist eine praxiserprobte EtherCAT MainDevice Software, die einen umfangreichen Funktionsumfang mit hoher Performance und geringem Ressourcenbedarf verbindet. Sie unterstützt die Steuerung mehrerer Netzwerke mit einer einzigen Installation und den nahtlosen Betrieb in Hypervisoren und virtuellen Maschinen.
- EC-Master EtherCAT Open Mode Feature Pack: Das EOM Feature Pack fügt alle notwendigen Funktionen hinzu, um den EtherCAT Open Mode zu aktivieren, der die Nutzung von Standard-IT-Netzwerken zur Steuerung entfernter EtherCAT-Netzwerke von einem zentralen EtherCAT-Controller aus ermöglicht
- Hypervisor: Abhängig von Ihren Anwendungsanforderungen sind die folgenden Optionen verfügbar:
- acontis hard Real-time Hypervisors: Bietet maximale Performance mit niedrigsten Zykluszeiten und Jitter. Ideal für leistungsstarke virtuelle EtherCAT-Controller, die den EtherCAT Direct Mode nutzen.
- Weiche Echtzeit-Hypervisoren: acontis bietet Dokumentation und Anleitung zur Verwendung von weichen Echtzeit-Hypervisoren wie Proxmox, die häufig in IT-Umgebungen verwendet werden, um virtuelle Steuerungen zu erstellen - insbesondere für zentralisierte virtuelle Steuerungen mit EtherCAT Open Mode.