虹科干货 | EtherCAT主站冗余技术，保护目标系统免受故障影响

2022年05月10日

　　所有工业自动化系统都对可靠性和故障时的安全操作有着严格的要求，因为当意外故障而导致停机时，生产所有者将遭受巨大的损失，因而确保生产系统得到妥善保护、免受各种硬件和软件故障的影响十分重要。

　　EtherCAT技术是工厂车间级别最先进，最高性能的通信接口之一。除了优秀的灵活性和高吞吐量之外，它还提供一些基本的容错功能，以承受可能的硬件故障。这些功能中最强大的功能是线缆冗余，它利用物理环形拓扑结构，当环路实际断开时保持稳定的总线操作。

1、当主站掉线后如何保持总线工作?

　　与其他基于以太网的工业接口不同，EtherCAT使用hop-to-hop通信协议: 数据报文对连接到总线的所有从设备都是通用的，并且它从一个设备传递到另一个设备。主站是管理者，它循环地创建带有读或写请求，输入输出数据报文，并以严格的时间间隔将其发送到总线。每个从站设备可以插入(写入)或提取(读取)明确寻址到它的数据块。

　　虽然它旨在有效地利用总线吞吐量，但此功能对于容错非常有用：连接到总线的任何设备都完全知道所有从站的活动，并且可以透明地获取或嗅探总线主站和从站之间传输的数据。用户无需修改任何从站设备、添加任何其他信号或更改传输协议: 此功能不会增加任何成本(除了更智能的主设备)。

2、虹科KPA EtherCAT主站冗余技术

　　虹科在工业总线通讯行业的经验超过13年，同时也是EtherCAT协会的成员。为了避免控制EtherCAT网络运行的主系统故障所带来的严重后果，虹科合作伙伴KPA推出了EtherCAT主站冗余技术，可以从控制系统无缝恢复故障，即使在同步环境中也能保持运行。

　　虹科KPA EtherCAT Master 使用此边缘效应将另一个总线主控(或多个主控)引入总线。在正常操作期间，此冗余主站是被动的，能够嗅探数据但不能输入自己的报文。被动主站被认为是次要的，而活动的主站被认为是主要的。由于所有辅助主站都与总线活动一致，因此当后者失败时，它们随时可以取代主要主站。

　　另外，为了检测总线上的异常情况，辅助主站可以不需要任何专用控制设备或附加信号线。EtherCAT报文定期、严格地按时间间隔进行。当一个辅助被动主站没有收到他期望的报文时，就知道总线上已经不再有主站了。冗余主站可以立即接管控制，发送自己的报文而没有必要等到当前周期结束。这个报文将是正确的和有意义的，因为辅助主站正在追踪所有的变化，成为有故障主站的替换。

3、主站冗余如何工作?

　　启用主站冗余的EtherCAT配置包括一个活动的(主站)主设备和一个或多个被动的(辅助)主设备。主设备可能不会配置为Master Redundancy，但最好使用 KPA EtherCAT Master软件来使该技术发挥最大的效用。辅助主站作为影子代理连接到总线。它嗅探传输中的数据报文而没有任何变化。同时，该主站计算每个电报到达的时间并跟踪预期和实际到达时间之间的可能延迟。

　　当报文延迟时，看门狗定时器启动。在主设备的指定时间超时后，主设备启动其故障转移协议:

　　1、触发内部主站切换：现在主站能够写入总线

　　2、辅助主站准备的新报文被写入总线

　　3、在这帧报文中，释放总线的请求被发送给活跃的主站，因为可能仍然在线，但也有一些内部麻烦。先前活动的主设备在恢复后决定控制总线这种情况，我们不希望出现

　　4、新总线主站的控制应用程序被通知在线

　　可以使用总线配置工具将主动主站返回到被动状态，另一个被动主站将自动控制。为了启用多个冗余主站，它们的看门狗定时器的配置不同，并且可以强制为每个主站随机生成看门狗时间。因此，当两个或多个辅助主设备可以尝试启动故障转移协议时，避免了冲突的情况。

虹科EtherCAT主站冗余

　　下方是基于EtherCAT现场总线的一个主站冗余技术用例，该用例由以下设备组成：

　　Xilinx 制造的安装有FreeRTOS操作系统的FPGA Zynq Zed 板

　　专有的EtherCAT Master 协议栈

　　由 Texas Instruments 制造且使用已安装的 Linux 操作系统和EtherCAT Master 协议栈的FPGA Sitara

　　从站设备：支持EtherCAT和 Modbus TCP 协议的可编程逻辑控制器，和韩国制造商Crevis制造的六个 I/O 设备