EtherCAT诊断和配置优化

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倍福用户大量使用EtherCAT，通常对EtherCAT不必作太过深入的了解，因为大多数项目只要使用自动扫描、默认设置。但是一旦发生通讯错误，需要故障诊断时，工程师就需要了解一些EtherCAT常识，并学会如何优化配置。

本文力求以简单的方式，介绍TwinCAT自带的EtherCAT诊断功能和几个最常见的优化措施。

诊断功能包括：

EtherCAT Online界面诊断网络硬件错误

EtherCAT Topology页面查看图形化的EtherCAT状态

Adapter页面查看Ebus电流

PLC诊断EtherCAT状态的程序代码

优化措施包括：

Sync Unit（同步单元）设置

伺服驱动的WcState禁用

检查EtherCAT网络接地

修改从站Shift Time

Hot Connect（热连接）设置

EL模块的布局原则

ETG及倍福官方关于EtherCAT诊断和原理介绍的技术文档更加详细和完整，有兴趣的用户可以下载：

《EtherCAT基本原理》

《EtherCAT诊断》

《EtherCAT 同步》

1      EtherCAT诊断功能

最简易的EtherCAT诊断工具是TwinCAT，其中最常用的诊断界面依次为：EtherCAT Online界面、EtherCAT Topology界面、Adapter界面，下面分别介绍。
1.1   Online界面诊断网络硬件错误



在这个界面最常用的功能是：

查看和切换主站和从站状态，查看主站Lost Frame的情况。

查看所有从站的状态，和每个端口的CRC校验情况

查看每个从站的状态改变次数

查看从站的状态机错误

如果此界面中，主站和从站都在OP状态，而个别从站信号仍然不正常，软件报错，则很有可能是由于WcState报告数据无效。请跳转至下一节：Sync Unit的使用



主站状态监视已经很直观，无须解释。以下只解释后面三种情况：

1.1.1  查看从站状态和端口CRC校验情况



        从站状态为OP，CRC校验值都为0时，为正常状态。如果某个从站状态不为OP，就要定位到该从站的InfoData|State，如图所示：

在上图的Variable页面上可以显示状态Word的4个节取值的含义，而切换到其Online页面则可以显示状态Word的当前值。

CRC的值与模块类型有关，所有EL模块都只有两个Port。CRC校验的左边值，表示与前一个模块的接口状态，而右边的CRC值表示与后一个模块的接口状态。

1.1.2  从站状态改变次数

查看从站状态改变次数，是为了追踪个别从站状态错误后又自动恢复的情况。因为状态恢复后，在Online界面就显示正常，但是出错的一瞬间人工未必能监视到：





如果个别模块的Change次数明显比其它模块多，那么这个模块出错的概率较大。

1.1.3  状态机错误


可以在上一步的窗体中勾选上0134“AL Status Code”，以查看错误代码：

-    0x0003 : Invalid Device Setup (BK1xxx上配置的KL模块顺序不正确)

-    0x001D : Invalid OutputConfiguration (配置的输出过程数据无效)

-    0x001E : Invalid Input Configuration(配置的输入过程数据无效)

-    0x0035 : Invalid Sync Cycle Time (在 DC模式中设置的CycleTime不支持)

-    0x001A : Synchronization error (网络的抖动导致从站的同步丢失)

-    0x001B : Sync manager watchdog (从站未接收到周期性数据的时间，持续超过了watchdog时间)

-    0x002C : Fatal SYNC error (ESC 再未收到SYNC 硬件中断)

如果是其它值，则参考ETG官方手册中关于AL StatusCode的定义。

1.2   EtherCAT Topology界面

在主站的EtherCAT | Topology窗休，可以在线或者离线查看EtherCAT网络拓朴图：





如果说前面说的Online页面是文字版，这里就是Online页面的图形版。光标悬停于模块时，可以显示模块的名称。在线显示时，每个从站上方的标记表示CRC状态，都为绿色即正常。



1.3   Adapter页面，查看可用Ebus电流



根据经验，可用Ebus电流不应该用到0，而是保留300mA左右的余量。比如上图中，在第1个EL4112之前，就应该补充一个Ebus电源模块EL9410。

1.4   PLC诊断EtherCAT状态的Demo程序

具体实现方式见文档：

Http://www.baclizzy.com.cn/20180422EtherCAT优化设置/

2      Sync Unit与WcState

2.1   Sync Unit的原理

TwinCAT 在配置EtherCAT主站时，按Task配置Frame。比如PLC Task0的周期为10ms，相应有一个发送周期为10ms的Frame。而NC周期为2ms，相应就有一个发送周期为2ms的Frame。每个Task计算阶段结束进入Output阶段，就会发送相应的Frame。

每个Frame通过3种命令LRW(读写)、LWR(写)、LRD(读)来刷新从站的IO数据。每个命令（Cmd）刷新哪些从站的数据，就确定了Working Counter（WC）的理论值。如图所示：



根据主站的配置，每个Frame中包括若干个SyncUnit，每个SyncUnit包括若干个Slave，Frame经过Slave并读写成功后，Slave所属的SyncUnit的Cmd的Working Counter就会相应增加。Frame经过所有从站后回到主站时，主站根据每个SyncUnit的Cmd实际WorkingCounter与理论值是否一致就能判断这个Cmd操作的所有Slave是否成功。如果不成功，这个Cmd操作的所有Slave的WcState状态就会为True，表示Data Invalid（数据无效）。

假定PLC任务要控制下图中的所有IO模块，要用LRD命令刷新所有EL1004的数据，Working Counter的累加过程如下：



在上图中，红色!标记的EL1004未能成功交换数据，所以Frame经过了4个EL1004模块，但返回的WKC却为3。主站判断这些数据无效，TwinCAT会丢弃这些数据，这4个EL1004的数据在这个周期都没有刷新。

2.2   Sync Unit的优化配置原则

每个Frame中包括了Task控制的所有IO从站的数据，这些从站默认放到同一个Sync Unit。但实际上，EtherCAT允许一个Frame最多可以有15个同Sync Unit。为了避免1个从站的错误影响到整个SyncUnit的数据无效，是否可以把每个从站都设置为独立的同步单元呢？如果从站在15个以内，当然是没有问题的。但是通常的TwinCAT项目，从站数量都会远远超过15个，如果每个都设置为独立同步单元，结果就会需要多个Frame，而每个Frame都很短，这样会大大降低通讯的效率。所以有必要平衡需求，合理配置同步单元。

根据经验,优化同步单元的设置，可采用以下原则：

EL模块，每个Station（耦合器和相连的EL模块）为一个Sync Unit

EtherCAT伺服，每个驱动器都设置为独立的SyncUnit。

2.3   Sync Unit的设置

查看和设置同步单元的方法：

假设有4个驱动器，都链接到2MS周期的NC轴。默认的同步单元设置时，以太网帧为两个，Cycle分别为2MS和10MS。在2ms的Frame中，LRW指令（Cmd）有1个，Len为56.

点击Sync UnitAssignment，可见默认设置为：



b. 修改Sync Unit.

选中一个AX5203，在Sync Unit Name栏直接输入字符，即指定的同步单元名称。



c.点击OK，退回主界面。

把4个驱动器指定为不同的同步单元时，以太网帧为两个，Cycle分别为2MS和10MS。在2ms的Frame中，LRW指令（Cmd）有4个，Len分别为20，12，12，12，总长度还是56字节.



2.4   伺服驱动的WcState禁用

经常用客户反馈现场的NC轴报故障0x4655（18005），提示信息是：Data Invalid Exceed 3 Cycles，即连续3个周期数据无效。此处的数据无效就是由于同步单元的Working Counter错误，表示同步单元中至少有一个从站没有成功读写数据。如果分配了独立的同步单元，某个轴还是报这个错误，那么通常是由于EtherCAT通讯闪断引起的。

运动控制对通讯的敏感性较高，默认设置ETHERCAT类型的NC轴，一旦有3个NC周期数据无效（Data invalid），NC轴就会报错。如果网络质量差，现场干扰大，用户希望控制系统忽略这种偶尔的通讯异常，那么，可以把该变量Clear Link。如图所示：



取消这个链接后，如果WcState仍然持续无效，那么驱动器或者NC轴会报告更高级别的故障，比如跟随误差过大。

3      检查EtherCAT网络的接地

诊断EtherCAT故障是一个方面，有时可以采取一些权宜之计，比如断开NC轴与伺服驱动的WcState链接，但这只是治标不治本的临时做法，根本解决办法还是要查清楚问题来源，包括检查接地、屏蔽以及其它EMC问题。

其中首先要检查的是：确保EtherCAT网络设备是共用同一个接地，因为不同接地之间的环流可能导致数据损坏。


4      设置驱动器的Shift Time

伺服驱动器的常见错误，除了0x4655 Invalid Data之外，就是Sync Lost(同步丢失)。这是由于个别周期的EtherCAT数据包，未能在同步脉冲的指定偏移时间内到达。这种报错通常出现在网络末端的从站上。

为了降低ETHERCAT通讯中同步信号报错的敏感程度，可以延长伺服驱动器的同步偏移时间。如图所示：



实际应用中，绝大多数情况下，默认的Shfit Time已经满足要求。仅当周期特别短（小于1ms）节点数又多（大于10个）的时候，才需要人工调整Shift Time。调整时可以主站周期的20%为基数递增。

设置方法：

在从站的EtherCAT页面，点击Advanced Settings，在DistributedClock页面，设置Sync 1的Shift Time。



5      Hot Connect的设置

如果使用CU2008或者EK1122构成了星形网络，可以设置Hot Connet Group，以便连接任意一个驱动器的网线拔掉，都不会影响其它驱动器的工作。

在线性拓朴中，如果用户个别站点需要随时退出和加入，比如要跨接部分站点而不影响其它从站的工作，也可以考虑用Hot Connect功能。

具体实现方式见文档：

Http://www.baclizzy.com.cn/20180320EtherCAT热连接/

EtherCAT网络的热连接（HotConnect）设置.pdf

6      EL模块的布局原则

作为DC参考时钟的EL模块，应安装在尽量靠近主站的位置。

消耗Ebus电流较多的EL模块，在IO站中应尽量分散安装，以免集中发热。

典型的高耗电模块是EL6xxx通讯模块，典型的低耗电模块是EL1xxx及EL2xxx等数字量模块。

（未完待续，LizzyChen 2018）

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