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

节省设计成本EtherCAT线缆冗余，使用了最后一个从站设备的OUT端口，使得冗余功能可以标准化。增强通信系统可靠性和稳定性工业自动化行业中通常要求总线上的设备不间断运转，不允许停止生产，冗余技术可以实现应用系统的可靠性和稳定性。故障诊断与处理当出现线缆断线时，变成两条之链路控制继续工作，同时EtherCAT可以自动检测到总线系统中的故障点，可大大简化系统的维护工作，提高了设备的维护性。

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：

PCIE通讯卡集成了商业授权的EtherCAT主站解决方案；支持CoE 、FOE、FSOE、从站热插拔、主站硬件冗余等功能；PDO周期最小达125μs，抖动正负5μs；高速PCIe接口通信、支持多种操作系统平台；PCIe接口拥有更高效的拓展性、支持多平台操作系统。

选型表如下表1所示。

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