虹科干貨 | EtherCAT主站冗余技術(shù)，保護(hù)目標(biāo)系統(tǒng)免受故障影響

所有工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)都對(duì)可靠性和故障時(shí)的安全操作有著嚴(yán)格的要求，因?yàn)楫?dāng)意外故障而導(dǎo)致停機(jī)時(shí)，生產(chǎn)所有者將遭受巨大的損失，因而確保生產(chǎn)系統(tǒng)得到妥善保護(hù)、免受各種硬件和軟件故障的影響十分重要。

EtherCAT技術(shù)是工廠車間級(jí)別最先進(jìn)，最高性能的通信接口之一。除了優(yōu)秀的靈活性和高吞吐量之外，它還提供一些基本的容錯(cuò)功能，以承受可能的硬件故障。這些功能中最強(qiáng)大的功能是線纜冗余，它利用物理環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)路實(shí)際斷開時(shí)保持穩(wěn)定的總線操作。

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當(dāng)主站掉線后如何保持總線工作？

與其他基于以太網(wǎng)的工業(yè)接口不同，EtherCAT使用hop-to-hop通信協(xié)議: 數(shù)據(jù)報(bào)文對(duì)連接到總線的所有從設(shè)備都是通用的，并且它從一個(gè)設(shè)備傳遞到另一個(gè)設(shè)備。主站是管理者，它循環(huán)地創(chuàng)建帶有讀或?qū)懻?qǐng)求，輸入輸出數(shù)據(jù)報(bào)文，并以嚴(yán)格的時(shí)間間隔將其發(fā)送到總線。每個(gè)從站設(shè)備可以插入(寫入)或提取(讀取)明確尋址到它的數(shù)據(jù)塊。

雖然它旨在有效地利用總線吞吐量，但此功能對(duì)于容錯(cuò)非常有用：連接到總線的任何設(shè)備都完全知道所有從站的活動(dòng)，并且可以透明地獲取或嗅探總線主站和從站之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。用戶無需修改任何從站設(shè)備、添加任何其他信號(hào)或更改傳輸協(xié)議: 此功能不會(huì)增加任何成本(除了更智能的主設(shè)備)。

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虹科KPA EtherCAT主站冗余技術(shù)

虹科在工業(yè)總線通訊行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)超過13年，同時(shí)也是EtherCAT協(xié)會(huì)的成員。為了避免控制EtherCAT網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的主系統(tǒng)故障所帶來的嚴(yán)重后果，虹科合作伙伴KPA推出了EtherCAT主站冗余技術(shù)，可以從控制系統(tǒng)無縫恢復(fù)故障，即使在同步環(huán)境中也能保持運(yùn)行。

虹科KPA EtherCAT Master 使用此邊緣效應(yīng)將另一個(gè)總線主控(或多個(gè)主控)引入總線。在正常操作期間， 此冗余主站是被動(dòng)的，能夠嗅探數(shù)據(jù)但不能輸入自己的報(bào)文。被動(dòng)主站被認(rèn)為是次要的，而活動(dòng)的主站被認(rèn)為是主要的。由于所有輔助主站都與總線活動(dòng)一致，因此當(dāng)后者失敗時(shí)，它們隨時(shí)可以取代主要主站。

另外，為了檢測總線上的異常情況，輔助主站可以不需要任何專用控制設(shè)備或附加信號(hào)線。EtherCAT報(bào)文定期、嚴(yán)格地按時(shí)間間隔進(jìn)行。當(dāng)一個(gè)輔助被動(dòng)主站沒有收到他期望的報(bào)文時(shí)，就知道總線上已經(jīng)不再有主站了。冗余主站可以立即接管控制，發(fā)送自己的報(bào)文而沒有必要等到當(dāng)前周期結(jié)束。這個(gè)報(bào)文將是正確的和有意義的，因?yàn)檩o助主站正在追蹤所有的變化，成為有故障主站的替換。

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主站冗余如何工作？

啟用主站冗余的EtherCAT配置包括一個(gè)活動(dòng)的(主站)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)被動(dòng)的(輔助)主設(shè)備。主設(shè)備可能不會(huì)配置為Master Redundancy，但最好使用 KPA EtherCAT Master軟件來使該技術(shù)發(fā)揮最大的效用。輔助主站作為影子代理連接到總線。它嗅探傳輸中的數(shù)據(jù)報(bào)文而沒有任何變化。同時(shí)，該主站計(jì)算每個(gè)電報(bào)到達(dá)的時(shí)間并跟蹤預(yù)期和實(shí)際到達(dá)時(shí)間之間的可能延遲。

當(dāng)報(bào)文延遲時(shí)，看門狗定時(shí)器啟動(dòng)。在主設(shè)備的指定時(shí)間超時(shí)后，主設(shè)備啟動(dòng)其故障轉(zhuǎn)移協(xié)議:

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觸發(fā)內(nèi)部主站切換：現(xiàn)在主站能夠?qū)懭肟偩€

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輔助主站準(zhǔn)備的新報(bào)文被寫入總線

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在這幀報(bào)文中，釋放總線的請(qǐng)求被發(fā)送給活躍的主站，因?yàn)榭赡苋匀辉诰€，但也有一些內(nèi)部麻煩。先前活動(dòng)的主設(shè)備在恢復(fù)后決定控制總線這種情況，我們不希望出現(xiàn)

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新總線主站的控制應(yīng)用程序被通知在線

可以使用總線配置工具將主動(dòng)主站返回到被動(dòng)狀態(tài)，另一個(gè)被動(dòng)主站將自動(dòng)控制。為了啟用多個(gè)冗余主站，它們的看門狗定時(shí)器的配置不同，并且可以強(qiáng)制為每個(gè)主站隨機(jī)生成看門狗時(shí)間。因此，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)輔助主設(shè)備可以嘗試啟動(dòng)故障轉(zhuǎn)移協(xié)議時(shí)，避免了沖突的情況。

/ 虹科EtherCAT主站冗余

我們展示了基于EtherCAT現(xiàn)場總線的一個(gè)主站冗余技術(shù)用例，該用例由以下設(shè)備組成：

Xilinx 制造的安裝有FreeRTOS操作系統(tǒng)的FPGA Zynq Zed 板

專有的EtherCAT Master 協(xié)議棧

由 Texas Instruments 制造且使用已安裝的 Linux 操作系統(tǒng)和EtherCAT Master 協(xié)議棧的FPGA Sitara

從站設(shè)備：支持EtherCAT和 Modbus TCP 協(xié)議的可編程邏輯控制器，和韓國制造商Crevis制造的六個(gè) I/O 設(shè)備

用于EtherCAT和 CAN 協(xié)議的網(wǎng)關(guān)

該用例是一個(gè)完整的解決方案 ，包括Master Redundancy技術(shù)的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)配置，提供同時(shí)連接一個(gè)active主站和一個(gè)或多個(gè)passive master的能力。