現場總線技術是自動化控制領域發展的熱點，套用於多個器材間的即時通訊，在器材連線中，若某一處線纜發生斷線將影響到器材間的通訊。一起看看EtherCAT冗余技術是如何實作對通訊線纜斷線時進行補救與釘選。
什麽是線纜冗余
EtherCAT現場總線具有靈活的拓撲結構，器材間支持線型、星型、樹型的線纜連線方式，其中線型結構結構簡單、傳輸效率最高，大多數的現場套用中也是使用這種連線方式，如下圖1所示。
圖1 線性結構拓撲圖
線型的連線方式確實簡單，走線靈活，便於現場器材布局與維護。在自動化的工業生產中，器材通常在不同的環境中長時間執行，線纜的老化、安裝連線不夠嚴謹等因素導致線纜斷連。假如有一天第1個IO卡與第2個IO卡之間的線纜斷了，那第1個IO卡後面的器材是不是將無法正常執行呢？如下圖2所示。
圖2 線纜斷路範例圖
不管是哪種接線方式，線纜斷線將會影響器材的正常運轉，哪怕是傳統的CAN、RS485等通訊的器材控制也都無法正常運轉。問題還得要解決，那有沒有標準的、又不需要添加太多額外的設計成本，就能解決上述的問題呢？ 一起來看看EtherCAT總線給出的解決方案，以及線纜冗余技術的實作原理。我們先看它的連線方式，如下如圖3所示。
圖3 線纜冗余接線圖
從EtherCAT的線纜冗余接線圖中可以看出，復用了最後一個從站器材的OUT端接回主站，是不是有點巧妙呢？減少了硬件成本，還能解決問題，確實受大家喜歡。再來細看它的數據流向，假設還是IO卡1和2之間斷開了，它的工作原理如下圖4所示。
圖4 線纜冗余原理圖
IO卡1和2之間的線纜斷開後仍與從站器材連線著，但通訊路線變成兩條支線，器材仍然可以正常通訊，軟件層還能夠繼續控制執行。上述這就是EtherCAT的線纜冗余的上的解決方案，將線型結構變成了環形結構，實作了鏈路冗余功能。電氣層的器材連線得到解決了，我們繼續看看軟件層是如何實作的。
冗余主站的實作
通訊系統中一般由主站和從站器材構成，主站通常是控制端，而從站是執行端，上述我們了解到了EtherCAT電氣層上線纜冗余的接線方式。我們再看看冗余主站端是如何實作的呢？
1. 從站執行原理
EtherCAT從站器材在鏈路中，收到主站的乙太網路幀後，在乙太網路幀中將自己的數據拷走，把當前的數據寫入，將新的乙太網路幀進行轉發至下一個從站器材。
2. 主站執行原理
主站作為控制端，主動發起請求數據，從站應答，所以冗余功能主要是在主站這邊的協定棧實作的。
在EtherCAT幀結構中，每次經過從站IN端輸入時，從站將更新Cnt加1，從站轉發回來的數據幀中，主站將校驗Cnt值，若與網絡配置時不相同，則判斷為網絡異常，同時可以根據Cnt定位到異常從站的具體位置，EtherCAT幀如下圖5所示。
圖5 EtherCAT幀捕獲
當主站檢測到網絡異常時，協定棧將靈活地改變數據流向，變成兩路分支進行控制，此時冗余埠與通訊埠的功能相同，而常規狀態下，冗余口也是只負責轉發的功能，數據流向如下圖6所示，藍色圓圈為發送方向，綠色圓圈代表接收方向。
圖6 EtherCAT數據流向圖
硬件冗余技術
上述的冗余功能實作中，主要是由協定棧的進行處理，協定棧屬於套用層，協定棧處理完後再給到硬件發出。中間是失真耗的，在要求較高的PDO周期套用中，如256us的通訊周期下，要求冗余的響應快速，否則會丟包太多，無法滿足套用需求。
ZLG致遠電子PCIe EtherCAT通訊卡支持 EtherCAT線纜冗余功能，即使電纜在某一點物理中斷，也可以保持主站器材和從站器材之間的通訊。同時冗余功能使用硬件實作的方案來設計，快速響應，丟包率更低，產品如下圖7所示。
圖7 硬件冗余例項
1. FPGA斷線處理
PCIe EtherCAT通訊卡使用FPGA進行乙太網路數據收發，速率更快。在FPGA接收數據的同時對鏈路上所有的從站器材斷線進行檢測，如果存在從站斷線，FPGA將數據由冗余口繼續發出，沒有經過協定棧處理，仍然是一條完整的鏈路，數據流向如下圖8所示。
圖8 硬件冗余數據流向
2. 硬件冗余效能
FPGA將通訊口回來的數據繼續從冗余口發出，沒有經過協定棧的過程處理，進而提高了響應速度，減少了數據的丟包率。
冗余技術的作用與產品套用
1. 冗余功能的作用
節省設計成本
EtherCAT線纜冗余，使用了最後一個從站器材的OUT埠，使得冗余功能可以標準化。
增強通訊系統可靠性和穩定性
工業自動化行業中通常要求總線上的器材不間斷運轉，不允許停止生產，冗余技術可以實作套用系統的可靠性和穩定性。
故障診斷與處理
當出現線纜斷線時，變成兩條之鏈路控制繼續工作，同時EtherCAT可以自動檢測到總線系統中的故障點，可大大簡化系統的維護工作，提高了器材的維護性。
2. 產品套用
圖9 PCIe EtherCAT通訊卡
致遠電子 PCIe EtherCAT通訊卡 是一款基於PCI的EtherCAT總線通訊介面卡。其采用工業領域內先進的FPGA控制方案，通訊速度極高，即時性很強。PCIe EtherCAT通訊卡有MiniPCIE、半卡、全卡設計，可相容任何類別的3.3 V/DC MiniPCIE和PCI 插槽。EtherCAT通訊卡具有如下等優勢：
PCIE通訊卡整合了商業授權的EtherCAT主站解決方案；
支持CoE 、FOE、FSOE、從站熱插拔、主站硬件冗余等功能；
PDO周期最小達125μs，抖動正負5μs；
高速PCIe介面通訊、支持多種作業系統平台；
PCIe介面擁有更高效的拓展性、支持多平台作業系統。
選型表如下表1所示。
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