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【技术分享】EtherCAT冗余技术如何实现通信线缆断开的补 ...
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【技术分享】EtherCAT冗余技术如何实现通信线缆断开的补救?
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2024-6-23 16:01:52
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现场总线技术是自动化控制领域发展的热点,应用于多个设备间的实时通信,在设备连接中,若某一处线缆发生断线将影响到设备间的通信。一起看看EtherCAT冗余技术是如何实现对通信线缆断线时进行补救与锁定。
什么是线缆冗余EtherCAT现场总线具有灵活的拓扑结构,设备间支持线型、星型、树型的线缆连接方式,其中线型结构结构简单、传输效率最高,大多数的现场应用中也是使用这种连接方式,如下图1所示。
图1 线性结构拓扑图线型的连接方式确实简单,走线灵活,便于现场设备布局与维护。在自动化的工业生产中,设备通常在不同的环境中长时间运行,线缆的老化、安装连接不够严谨等因素导致线缆断连。假如有一天第1个IO卡与第2个IO卡之间的线缆断了,那第1个IO卡后面的设备是不是将无法正常运行呢?如下图2所示。
图2 线缆断路示例图
不管是哪种接线方式,线缆断线将会影响设备的正常运转,哪怕是传统的CAN、RS485等通信的设备控制也都无法正常运转。问题还得要解决,那有没有标准的、又不需要添加太多额外的设计成本,就能解决上述的问题呢? 一起来看看EtherCAT总线给出的解决方案,以及线缆冗余技术的实现原理。我们先看它的连接方式,如下如图3所示。
图3 线缆冗余接线图
从EtherCAT的线缆冗余接线图中可以看出,复用了最后一个从站设备的OUT端接回主站,是不是有点巧妙呢?减少了硬件成本,还能解决问题,确实受大家喜欢。再来细看它的数据流向,假设还是IO卡1和2之间断开了,它的工作原理如下图4所示。
图4 线缆冗余原理图IO卡1和2之间的线缆断开后仍与从站设备连接着,但通信线路变成两条支线,设备仍然可以正常通信,软件层还能够继续控制运行。上述这就是EtherCAT的线缆冗余的上的解决方案,将线型结构变成了环形结构,实现了链路冗余功能。电气层的设备连接得到解决了,我们继续看看软件层是如何实现的。
冗余主站的实现通信系统中一般由主站和从站设备构成,主站通常是控制端,而从站是执行端,上述我们了解到了EtherCAT电气层上线缆冗余的接线方式。我们再看看冗余主站端是如何实现的呢?1. 从站运行原理
EtherCAT从站设备在链路中,收到主站的以太网帧后,在以太网帧中将自己的数据拷走,把当前的数据写入,将新的以太网帧进行转发至下一个从站设备。
2. 主站运行原理
主站作为控制端,主动发起请求数据,从站应答,所以冗余功能主要是在主站这边的协议栈实现的。
在EtherCAT帧结构中,每次经过从站IN端输入时,从站将更新Cnt加1,从站转发回来的数据帧中,主站将校验Cnt值,若与网络配置时不相同,则判断为网络异常,同时可以根据Cnt定位到异常从站的具体位置,EtherCAT帧如下图5所示。
图5 EtherCAT帧捕获当主站检测到网络异常时,协议栈将灵活地改变数据流向,变成两路分支进行控制,此时冗余端口与通信端口的功能相同,而常规状态下,冗余口也是只负责转发的功能,数据流向如下图6所示,蓝色圆圈为发送方向,绿色圆圈代表接收方向。
图6 EtherCAT数据流向图
硬件冗余技术上述的冗余功能实现中,主要是由协议栈的进行处理,协议栈属于应用层,协议栈处理完后再给到硬件发出。中间是有损耗的,在要求较高的PDO周期应用中,如256us的通信周期下,要求冗余的响应快速,否则会丢包太多,无法满足应用需求。
ZLG致远电子PCIe EtherCAT通讯卡支持 EtherCAT线缆冗余功能,即使电缆在某一点物理中断,也可以保持主站设备和从站设备之间的通讯。同时冗余功能使用硬件实现的方案来设计,快速响应,丢包率更低,产品如下图7所示。
图7 硬件冗余实例
1. FPGA断线处理
PCIe EtherCAT通讯卡使用FPGA进行以太网数据收发,速率更快。在FPGA接收数据的同时对链路上所有的从站设备断线进行检测,如果存在从站断线,FPGA将数据由冗余口继续发出,没有经过协议栈处理,仍然是一条完整的链路,数据流向如下图8所示。
图8 硬件冗余数据流向
2. 硬件冗余性能
FPGA将通信口回来的数据继续从冗余口发出,没有经过协议栈的过程处理,进而提高了响应速度,减少了数据的丢包率。
冗余技术的作用与产品应用1. 冗余功能的作用
节省设计成本
EtherCAT线缆冗余,使用了最后一个从站设备的OUT端口,使得冗余功能可以标准化。
增强通信系统可靠性和稳定性
工业自动化行业中通常要求总线上的设备不间断运转,不允许停止生产,冗余技术可以实现应用系统的可靠性和稳定性。
故障诊断与处理
当出现线缆断线时,变成两条之链路控制继续工作,同时EtherCAT可以自动检测到总线系统中的故障点,可大大简化系统的维护工作,提高了设备的维护性。
2. 产品应用
图9 PCIe EtherCAT通讯卡
致远电子 PCIe EtherCAT通讯卡 是一款基于PCI的EtherCAT总线通讯接口卡。其采用工业领域内先进的FPGA控制方案,通讯速度极高,实时性很强。PCIe EtherCAT通讯卡有MiniPCIE、半卡、全卡设计,可兼容任何类型的3.3 V/DC MiniPCIE和PCI 插槽。EtherCAT通讯卡具有如下等优势:
PCIE通讯卡集成了商业授权的EtherCAT主站解决方案;支持CoE 、FOE、FSOE、从站热插拔、主站硬件冗余等功能;PDO周期最小达125μs,抖动正负5μs;高速PCIe接口通信、支持多种操作系统平台;PCIe接口拥有更高效的拓展性、支持多平台操作系统。
选型表如下表1所示。
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