技術(shù)分享 | EtherCAT冗余技術(shù)如何實現(xiàn)通信線纜斷開的補救？

現(xiàn)場總線技術(shù)是自動化控制領(lǐng)域發(fā)展的熱點，應(yīng)用于多個設(shè)備間的實時通信，在設(shè)備連接中，若某一處線纜發(fā)生斷線將影響到設(shè)備間的通信。一起看看EtherCAT冗余技術(shù)是如何實現(xiàn)對通信線纜斷線時進行補救與鎖定。

? 什么是線纜冗余

EtherCAT現(xiàn)場總線具有靈活的拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)備間支持線型、星型、樹型的線纜連接方式，其中線型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、傳輸效率最高，大多數(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用中也是使用這種連接方式，如下圖1所示。

圖1?線性結(jié)構(gòu)拓撲圖

線型的連接方式確實簡單，走線靈活，便于現(xiàn)場設(shè)備布局與維護。在自動化的工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備通常在不同的環(huán)境中長時間運行，線纜的老化、安裝連接不夠嚴謹?shù)纫蛩貙?dǎo)致線纜斷連。假如有一天第1個IO卡與第2個IO卡之間的線纜斷了，那第1個IO卡后面的設(shè)備是不是將無法正常運行呢？如下圖2所示。

圖2?線纜斷路示例圖

不管是哪種接線方式，線纜斷線將會影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，哪怕是傳統(tǒng)的CAN、RS485等通信的設(shè)備控制也都無法正常運轉(zhuǎn)。問題還得要解決，那有沒有標(biāo)準的、又不需要添加太多額外的設(shè)計成本，就能解決上述的問題呢？?一起來看看EtherCAT總線給出的解決方案，以及線纜冗余技術(shù)的實現(xiàn)原理。我們先看它的連接方式，如下如圖3所示。

圖3?線纜冗余接線圖

從EtherCAT的線纜冗余接線圖中可以看出，復(fù)用了最后一個從站設(shè)備的OUT端接回主站，是不是有點巧妙呢？減少了硬件成本，還能解決問題，確實受大家喜歡。再來細看它的數(shù)據(jù)流向，假設(shè)還是IO卡1和2之間斷開了，它的工作原理如下圖4所示。

圖4?線纜冗余原理圖

IO卡1和2之間的線纜斷開后仍與從站設(shè)備連接著，但通信線路變成兩條支線，設(shè)備仍然可以正常通信，軟件層還能夠繼續(xù)控制運行。上述這就是EtherCAT的線纜冗余的上的解決方案，將線型結(jié)構(gòu)變成了環(huán)形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了鏈路冗余功能。電氣層的設(shè)備連接得到解決了，我們繼續(xù)看看軟件層是如何實現(xiàn)的。

? 冗余主站的實現(xiàn)

通信系統(tǒng)中一般由主站和從站設(shè)備構(gòu)成，主站通常是控制端，而從站是執(zhí)行端，上述我們了解到了EtherCAT電氣層上線纜冗余的接線方式。我們再看看冗余主站端是如何實現(xiàn)的呢？

1. 從站運行原理

EtherCAT從站設(shè)備在鏈路中，收到主站的以太網(wǎng)幀后，在以太網(wǎng)幀中將自己的數(shù)據(jù)拷走，把當(dāng)前的數(shù)據(jù)寫入，將新的以太網(wǎng)幀進行轉(zhuǎn)發(fā)至下一個從站設(shè)備。

2. 主站運行原理

主站作為控制端，主動發(fā)起請求數(shù)據(jù)，從站應(yīng)答，所以冗余功能主要是在主站這邊的協(xié)議棧實現(xiàn)的。

在EtherCAT幀結(jié)構(gòu)中，每次經(jīng)過從站IN端輸入時，從站將更新Cnt加1，從站轉(zhuǎn)發(fā)回來的數(shù)據(jù)幀中，主站將校驗Cnt值，若與網(wǎng)絡(luò)配置時不相同，則判斷為網(wǎng)絡(luò)異常，同時可以根據(jù)Cnt定位到異常從站的具體位置，EtherCAT幀如下圖5所示。

圖5?EtherCAT幀捕獲

當(dāng)主站檢測到網(wǎng)絡(luò)異常時，協(xié)議棧將靈活地改變數(shù)據(jù)流向，變成兩路分支進行控制，此時冗余端口與通信端口的功能相同，而常規(guī)狀態(tài)下，冗余口也是只負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，數(shù)據(jù)流向如下圖6所示，藍色圓圈為發(fā)送方向，綠色圓圈代表接收方向。

圖6?EtherCAT數(shù)據(jù)流向圖

??硬件冗余技術(shù)

上述的冗余功能實現(xiàn)中，主要是由協(xié)議棧的進行處理，協(xié)議棧屬于應(yīng)用層，協(xié)議棧處理完后再給到硬件發(fā)出。中間是有損耗的，在要求較高的PDO周期應(yīng)用中，如256us的通信周期下，要求冗余的響應(yīng)快速，否則會丟包太多，無法滿足應(yīng)用需求。

ZLG致遠電子PCIe EtherCAT通訊卡支持 EtherCAT線纜冗余功能，即使電纜在某一點物理中斷，也可以保持主站設(shè)備和從站設(shè)備之間的通訊。同時冗余功能使用硬件實現(xiàn)的方案來設(shè)計，快速響應(yīng)，丟包率更低，產(chǎn)品如下圖7所示。

圖7?硬件冗余實例

1. FPGA斷線處理

PCIe EtherCAT通訊卡使用FPGA進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)，速率更快。在FPGA接收數(shù)據(jù)的同時對鏈路上所有的從站設(shè)備斷線進行檢測，如果存在從站斷線，F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)由冗余口繼續(xù)發(fā)出，沒有經(jīng)過協(xié)議棧處理，仍然是一條完整的鏈路，數(shù)據(jù)流向如下圖8所示。

圖8?硬件冗余數(shù)據(jù)流向

2. 硬件冗余性能

FPGA將通信口回來的數(shù)據(jù)繼續(xù)從冗余口發(fā)出，沒有經(jīng)過協(xié)議棧的過程處理，進而提高了響應(yīng)速度，減少了數(shù)據(jù)的丟包率。

??冗余技術(shù)的作用與產(chǎn)品應(yīng)用

1. 冗余功能的作用

節(jié)省設(shè)計成本

EtherCAT線纜冗余，使用了最后一個從站設(shè)備的OUT端口，使得冗余功能可以標(biāo)準化。

增強通信系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性

工業(yè)自動化行業(yè)中通常要求總線上的設(shè)備不間斷運轉(zhuǎn)，不允許停止生產(chǎn)，冗余技術(shù)可以實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

故障診斷與處理

當(dāng)出現(xiàn)線纜斷線時，變成兩條之鏈路控制繼續(xù)工作，同時EtherCAT可以自動檢測到總線系統(tǒng)中的故障點，可大大簡化系統(tǒng)的維護工作，提高了設(shè)備的維護性。

2. 產(chǎn)品應(yīng)用

圖9?PCIe?EtherCAT通訊卡

致遠電子 PCIe EtherCAT通訊卡 是一款基于PCI的EtherCAT總線通訊接口卡。其采用工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)先進的FPGA控制方案，通訊速度極高，實時性很強。PCIe EtherCAT通訊卡有MiniPCIE、半卡、全卡設(shè)計，可兼容任何類型的3.3 V/DC MiniPCIE和PCI 插槽。EtherCAT通訊卡具有如下等優(yōu)勢：

PCIE通訊卡集成了商業(yè)授權(quán)的EtherCAT主站解決方案；支持CoE 、FOE、FSOE、從站熱插拔、主站硬件冗余等功能；PDO周期最小達125μs，抖動正負5μs；高速PCIe接口通信、支持多種操作系統(tǒng)平臺；PCIe接口擁有更高效的拓展性、支持多平臺操作系統(tǒng)。

選型表如下表1所示。