EtherCAT總線冗余讓制造更安全更可靠更智能

一、冗余定義

什么是總線冗余功能？我們都知道，EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線具有靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)備間支持線型、星型、樹(shù)型的連接方式，其中線型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳輸效率高，大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中也是使用這種連接方式，如下圖所示。

線型的連接方式確實(shí)簡(jiǎn)單，走線靈活，便于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布局與維護(hù)。在自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備通常在不同的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，線纜的老化、安裝連接不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纫蛩貙?dǎo)致線纜斷連。假如有一天第一個(gè)伺服和第二個(gè)伺服之間的線纜斷了，那么第1個(gè)伺服后面的設(shè)備是不是將無(wú)法正常運(yùn)行呢？如下圖所示。

不管是哪種接線方式，線纜斷線將會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，哪怕是傳統(tǒng)的CAN、RS485等通信的設(shè)備控制也都無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。問(wèn)題還得要解決，那有沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的、又不需要添加太多額外的設(shè)計(jì)成本，就能解決上述的問(wèn)題呢？一起來(lái)看看EtherCAT總線給出的解決方案，以及EtherCAT冗余技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理。我們先看它的連接方式，如下圖所示。

從EtherCAT的線纜冗余接線圖中可以看出，復(fù)用了最后一個(gè)從站設(shè)備的OUT端接回主站，是不是有點(diǎn)巧妙呢？減少了硬件成本，還能解決問(wèn)題，確實(shí)受大家喜歡。再來(lái)細(xì)看它的數(shù)據(jù)流向，假設(shè)還是第一個(gè)伺服和第二個(gè)伺服之間斷開(kāi)了，它的工作原理如下圖所示。

伺服1和伺服2的線纜斷開(kāi)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，設(shè)備依然還能夠繼續(xù)控制運(yùn)行。上述就是EtherCAT冗余的解決方案，將線型結(jié)構(gòu)變成了環(huán)形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鏈路冗余功能。

冗余功能的優(yōu)勢(shì)

01節(jié)約設(shè)計(jì)成本

EtherCAT線纜冗余，使用了最后一個(gè)從站設(shè)備的OUT端口，使得冗余功能標(biāo)準(zhǔn)化。

02增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性

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

03故障診斷與處理

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

二、環(huán)境配置

?正運(yùn)動(dòng)目前只有7系240520以后的版本支持。

環(huán)境準(zhǔn)備

（1）準(zhǔn)備一臺(tái)VPLC711-i5-ETH5一體機(jī)；

（2）安裝240520以上MotionRT版本；

（3）EtherCAT做主口，其他網(wǎng)口任選一個(gè)做從口；

（4）按照?qǐng)D示接線，EtherCAT接入第一個(gè)設(shè)備的in，最后一個(gè)設(shè)備的out接入VPLC711上的對(duì)應(yīng)冗余網(wǎng)口，形成一個(gè)環(huán)路；

（5）在總線初始化過(guò)程中，SLOT_STOP總線停止后加入SLOT_SLAVE(0)=1；（6）此時(shí)環(huán)路中任意處斷開(kāi)一個(gè)接口，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行正常；

（7）有需求可在代碼中加入斷線檢測(cè)的指令。

三、RT驅(qū)動(dòng)安裝

第一步：安裝驅(qū)動(dòng)程序

1.打開(kāi)“設(shè)備管理器”，選擇“操作”中的“添加過(guò)時(shí)硬件”，選擇“手動(dòng)選擇”。

2.點(diǎn)擊“下一步”。

3.點(diǎn)擊“從磁盤(pán)安裝”。

4.點(diǎn)擊“瀏覽按鈕”選擇驅(qū)動(dòng)所在的路徑，打開(kāi)文件夾“driver_signed”，選擇“ZMotionRt64.inf”。

5.一直點(diǎn)擊”下一步“，直到安裝完成。

注意：驅(qū)動(dòng)更新時(shí)，要從設(shè)備管理器刪除設(shè)備，一定要選擇把驅(qū)動(dòng)文件也刪除。

第二步：安裝EtherCAT協(xié)議

MotionRT711支持XPCI/XPCIE的ECAT網(wǎng)口，也支持電腦普通網(wǎng)口作為ECAT使用。

1.在Windows網(wǎng)絡(luò)連接界面，選擇需要用作冗余功能總線的網(wǎng)口，右擊屬性→安裝→協(xié)議→添加。

2.選擇“從磁盤(pán)安裝”。

3.瀏覽驅(qū)動(dòng)位置，選擇”ZMotionRtPacket.inf”。

4.點(diǎn)擊“確定”。

在屬性中查看有ZMotionRT64 Packet Protocol Driver就是安裝成功，勾選上就可以添加對(duì)應(yīng)的網(wǎng)口總線協(xié)議。不接設(shè)備的網(wǎng)口可以在這里取消掉勾選。

5.添加總線協(xié)議。

在RT7啟動(dòng)界面，點(diǎn)擊“AddEcat”，在EtherCAT總線列表下，將對(duì)應(yīng)的冗余網(wǎng)口的總線增加到列表，增加成功之后，“Start”即可。如下圖的標(biāo)號(hào)2所示。

四、冗余代碼指令分析

冗余指令使用方法如下所示。SLOT_SLAVE -- EtherCAT冗余配置。（該指令在總線停止時(shí)進(jìn)行設(shè)置）

斷線檢測(cè)指令解析如下

一、SLOT_INFO和NODE_INFO

打印SLOT_INFO(slot,5)可檢測(cè)到線纜是否斷開(kāi)，0-線纜正常，1-檢測(cè)到線纜斷開(kāi)。

NODE_INFO有相同功能。NODE_INFO(slot,node,6)也可檢測(cè)到設(shè)備網(wǎng)口狀態(tài)，按bit位操作，第0位表示IN口狀態(tài),第1位表示OUT口狀態(tài)，置1為正常，置0為斷開(kāi)。

（SLOT_INFO只能讀取線路是否有斷線，不能確定是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)斷線，NODE_INFO可以精確到某個(gè)節(jié)點(diǎn)斷線）。如下圖范例所示。

（1）表示整個(gè)環(huán)路EtherCat檢測(cè)到斷線。

（2）打印值為3，二進(jìn)制表示為0011，Bit0和Bit1均為1，表示節(jié)點(diǎn)0，正常接線。

（3）打印值為2，二進(jìn)制表示為0010，Bit0為0，Bit1為1，表示節(jié)點(diǎn)1 EtherCat In處斷開(kāi)。

二、NODE_REGREAD

NODE_REGREAD(slot,node,address=0x111,bytes,modbusindes)可以讀取到設(shè)備網(wǎng)口狀態(tài)，從而精準(zhǔn)判斷哪個(gè)設(shè)備哪個(gè)網(wǎng)口斷開(kāi)。

正常返回為90，in處斷開(kāi)返回89，out處斷開(kāi)返回86。

BIT0=第一個(gè)口狀態(tài)（in口），BIT2=第二個(gè)口狀態(tài)（out口）。只看bit0和bit2，置1為斷開(kāi)，置0為正常。如下圖范例所示。

（1）打印值為89，二進(jìn)制表示為01011001，Bit0為1，表示節(jié)點(diǎn)1 EtherCAT In口斷開(kāi)。

（2）打印值為86，二進(jìn)制表示為01010110，Bit2為1，表示節(jié)點(diǎn)0 EtherCAT Out口斷開(kāi)。

（3）打印值為90，二進(jìn)制表示為01011010,Bit0和Bit2均為0，表示節(jié)點(diǎn)2連接正常。

五、上位機(jī)C#檢測(cè)掉線應(yīng)用實(shí)例

我們通過(guò)basic腳本程序，slot_info指令循環(huán)判斷是否有掉線，若掉線，則設(shè)置對(duì)應(yīng)變量test的值，值為1表示掉線，為0則表示正常連接。Basic部分程序如下圖所示。（這里通過(guò)讀取basic全局變量值判斷，也可以通過(guò)寄存器的值判斷，或者通過(guò)node_regread掉線指令檢測(cè)）

通過(guò)上述basic程序可以看到，程序循環(huán)監(jiān)控，刷新slot_info指令的返回值，賦值給test變量，此時(shí)，上位機(jī)通過(guò)監(jiān)控test的值的變化來(lái)判斷是否有掉線，上位機(jī)顯示界面如下圖所示。

1、伺服正常工作無(wú)掉線的情況。

2、伺服正常工作過(guò)程中，其中一個(gè)EtherCAT節(jié)點(diǎn)掉線的情況。

3、相關(guān)部分程序如下圖所示。

如上圖可知，上位機(jī)通過(guò)相關(guān)接口實(shí)時(shí)讀取basic底層變量test的值，來(lái)判斷相對(duì)應(yīng)的EtherCAT節(jié)點(diǎn)是否掉線。

六、機(jī)器視覺(jué)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器VPLC711

VPLC711是一款基于x86平臺(tái)和Windows操作系統(tǒng)的高性能機(jī)器視覺(jué)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器，具備強(qiáng)大的運(yùn)算能力和靈活性。它具有出色的實(shí)時(shí)性能和多路高速硬件輸入與多路高速PSO輸出，能夠精準(zhǔn)控制多軸同步運(yùn)動(dòng)，并與外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)多協(xié)議的高速通信。

VPLC711支持多種硬件接口和通信協(xié)議，方便與其他設(shè)備的連接和集成。除此之外，VPLC711還具備視覺(jué)處理功能，能夠?qū)崟r(shí)處理圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)檢測(cè)、測(cè)量和定位等應(yīng)用。

VPLC711內(nèi)置Windows運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)內(nèi)核MotionRT7，形成一種開(kāi)放式IPC形態(tài)實(shí)時(shí)軟控制器/軟PLC，為用戶提供靈活集成的運(yùn)動(dòng)控制+視覺(jué)一體化解決方案。

VPLC711硬件參數(shù)

1.采用x86高性能CPU，EtherCAT可支持1ms 64軸同步運(yùn)行；

2.板載RS232，RS485，EtherNet*5，EtherCAT，USB3.0*4硬件接口；

3.板載20DI，其中4個(gè)高速色標(biāo)鎖存，2組高速單端編碼器；

4.板載20DO，其中4個(gè)高速單端脈沖軸，4組高速PWM；

5.支持DVI-D，HDMI顯示，支持雙網(wǎng)口不同IP設(shè)置。

想要了解更多關(guān)于VPLC711的詳情介紹，可以點(diǎn)擊“x86平臺(tái)實(shí)時(shí)Windows機(jī)器視覺(jué)EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制器VPLC711”查看。

審核編輯 黃宇