【技术分享】EtherCAT冗余技术如何实现通信线缆断开的补救?

zjrcg · 发表于 2024-6-23 16:01:52

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

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：

选型表如下表1所示。

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