廈門(mén)鑫諾斯自動(dòng)化科技有限公司

：鐘松豪
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　圖 1為 EtherCAT的基本工作原理.介質(zhì)訪問(wèn)控制 (MAC,Media Access Control)使用主從模式.
主站發(fā)送以太網(wǎng)幀給各從站 ,從站從數(shù)據(jù)幀中抽取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)幀 ,然后將該數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)较乱粋€(gè) EtherCAT從站. zui后一個(gè) EtherCAT從站發(fā)回經(jīng)過(guò)*處理的報(bào)文 ,并由第 1個(gè)從站作為響應(yīng)報(bào)文發(fā)送給主站. 主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口卡或具有以太網(wǎng)接口的嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī) , EtherCAT從站使用的從站控制芯片ESC.

　　ESC采取接收轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制 ,以太網(wǎng)幀可以雙向通行 ,但只有以太網(wǎng)幀由下行電報(bào)方向進(jìn)入時(shí) ,相應(yīng)的報(bào)文才能得到處理. 如果轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)口未連接 , ESC自動(dòng)將以太網(wǎng)幀沿原入口徑返回.

　　EtherCAT數(shù)據(jù)幀使用以太網(wǎng) V2 格式的MAC幀 ,以太類型為 0x88A4.圖 2為 EtherCAT數(shù)據(jù)鏈路層幀結(jié)構(gòu).一個(gè)EtherCAT以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包含一個(gè)或多個(gè) EtherCAT子報(bào)文 ,每個(gè)子報(bào)文尋址獨(dú)立的設(shè)備或存儲(chǔ)區(qū)域.

　　每個(gè) EtherCAT子報(bào)文包括子報(bào)文頭、數(shù)據(jù)域和相應(yīng)的工作計(jì)數(shù)器 (WKC,Working Counter) ,子報(bào)文尋址到從站節(jié)點(diǎn)并交換數(shù)據(jù)后 ,工作計(jì)數(shù)器將被增加 ,用以記錄該子報(bào)文的處理狀態(tài).子報(bào)文頭中 ,8bit命令字節(jié) ,了子報(bào)文類型 (讀寫(xiě)類型 ,尋址類型 ); 8 bit索引號(hào)給出子報(bào)文編碼; 32bit的子報(bào)文地址了對(duì)從站的操作地址 ,尋址類型定義了尋址方式; 8bit長(zhǎng)度用以指示報(bào)文數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù);R為 4 bit的保留位; 4 bitM表示本報(bào)文是否為zui后一個(gè)報(bào)文; 16bit中斷目前保留2　EtherCAT冗余和熱插拔技術(shù)要求

　　2. 1　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　冗余以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)型拓?fù)?、環(huán)型拓?fù)湟约盎旌闲屯負(fù)?. 對(duì)于一般的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng) ,網(wǎng)絡(luò)型和混合型拓?fù)溥^(guò)于復(fù)雜 ,環(huán)型拓?fù)浞浅Ｓ行Ф覍?shí)用. 本文研究環(huán)型拓?fù)涞娜哂嗉夹g(shù) ,消除單點(diǎn)故障對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響.

　　環(huán)型結(jié)構(gòu)的信息流在網(wǎng)中是沿固定方向流動(dòng)的.由于環(huán)型結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障將會(huì)影響全網(wǎng) ,要提高可靠性 ,需采用雙向環(huán)結(jié)構(gòu) ,使環(huán)具有自愈功能 ,即在斷點(diǎn)處自動(dòng)環(huán)回 , ESC從站控制器具有這種自動(dòng)環(huán)回功能.

　　EtherCAT冗余技術(shù)采用環(huán)型冗余結(jié)構(gòu) ,也就是將zui后一個(gè) ESC節(jié)點(diǎn)連接到主站.要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能 ,需要主站具有 2個(gè)以太網(wǎng)接口 ,見(jiàn)圖 32. 2　單點(diǎn)故障

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　　環(huán)形冗余鏈路僅具備雙重冗余 ,因此只能應(yīng)對(duì)單點(diǎn)故障.單點(diǎn)故障主要有以下幾種可能情況:

　　1) 網(wǎng)口故障 ,包括主站網(wǎng)卡本身故障和連接在網(wǎng)卡上的鏈路故障;

　　2) 鏈路故障 ,指從站節(jié)點(diǎn)之間的鏈路存在斷線;

　　3) 節(jié)點(diǎn)故障 ,指環(huán)路中某節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障 ,導(dǎo)致幀轉(zhuǎn)發(fā)功能失效.在此情況下 ,發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)的失效不認(rèn)為是整個(gè)系統(tǒng)的失效. 這種情況也可能發(fā)生在需要不斷電情況下更換一個(gè)從站節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)合 ,通常也稱為“熱插拔 ”.

　　2. 3　EtherCAT鏈路冗余主站

　　EtherCAT主站結(jié)構(gòu)如圖 4所示 ,其中 Ether-CAT主站驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)與上層控制任務(wù)的交互.冗余機(jī)制不應(yīng)影響應(yīng)用層控制任務(wù)的性能和功能. 在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,將常規(guī) EtherCAT主站驅(qū)動(dòng)程序做了修改 ,加入鏈路冗余機(jī)制 ,對(duì)上層應(yīng)用屏蔽了冗余信息和操作.
在 EtherCAT主站驅(qū)動(dòng)程序中 ,向上層應(yīng)用的接口主要為 1個(gè)發(fā)送隊(duì)列 (用于存放控制任務(wù)要發(fā)送的 EtherCAT幀 )和 1個(gè)接收隊(duì)列 (用于存放處理過(guò)后返回的 EtherCAT幀 ).本文設(shè)計(jì)的冗余機(jī)制旨在實(shí)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)處于任何正?；蛉蒎e(cuò)運(yùn)行狀態(tài)下這 2個(gè)幀隊(duì)列都與網(wǎng)口和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)無(wú)關(guān).

　　3　冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3. 1　冗余幀傳播機(jī)制

　　冗余主站設(shè)計(jì)如圖 4所示 ,主站具有 A和 B2個(gè)網(wǎng)口 ,每個(gè)網(wǎng)口均具備發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀的功能.

　　根據(jù)故障情況 ,圖 5中列出了冗余系統(tǒng)正常工作和出現(xiàn)各種單點(diǎn)故障時(shí)的幀傳播策略:

　　1) 正常情況時(shí),發(fā)送幀交由 A網(wǎng)口發(fā)送,經(jīng)過(guò)從站節(jié)點(diǎn)的遍歷,經(jīng) B網(wǎng)口接收,進(jìn)接收隊(duì)列;

　　2) A網(wǎng)口故障時(shí),發(fā)送幀交由 B 網(wǎng)口發(fā)送,反向到達(dá)第 1個(gè)從站節(jié)點(diǎn),以原鏈路環(huán)回,經(jīng) B網(wǎng)口接收后,進(jìn)接收隊(duì)列;

　　3) B 網(wǎng)口故障時(shí),發(fā)送幀交由 A網(wǎng)口發(fā)送,到達(dá)zui后一個(gè)從站節(jié)點(diǎn),以原鏈路環(huán)回,經(jīng) A網(wǎng)口接收后,進(jìn)接收隊(duì)列;

　　4) 出現(xiàn)鏈路故障 (或熱插拔 )時(shí),發(fā)送幀交由 A網(wǎng)口發(fā)送,遍歷至故障點(diǎn)處環(huán)回,經(jīng) A網(wǎng)口接收,交由 B 網(wǎng)口發(fā)送,從另一個(gè)方向遍歷至故障點(diǎn)處環(huán)回,經(jīng) B網(wǎng)口接收后,進(jìn)接收隊(duì)列;

　　5) 出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障時(shí),發(fā)送幀交由 A 網(wǎng)口發(fā)送,遍歷至故障點(diǎn)處環(huán)回,經(jīng) A網(wǎng)口接收,交由 B網(wǎng)口發(fā)送,從另一個(gè)方向遍歷至故障點(diǎn)處環(huán)回,經(jīng)B網(wǎng)口接收后,進(jìn)接收隊(duì)列.

　　3. 2　故障點(diǎn)診斷

　　發(fā)生網(wǎng)口故障時(shí),能夠確定故障點(diǎn)在主站接口上;而在發(fā)生鏈路故障和節(jié)點(diǎn)故障時(shí),則需偵聽(tīng)A網(wǎng)口和 B 網(wǎng)口的接收幀,結(jié)合數(shù)據(jù)幀中子報(bào)文的工作計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn).

　　每個(gè)子報(bào)文zui后具有一個(gè) WKC,在通過(guò)從站節(jié)點(diǎn)時(shí) ,如果為該從站的子報(bào)文 ,WKC將加 1(也有一些類型的報(bào)文增加值大于 1).故障點(diǎn)診斷規(guī)則如下:

　　首先 ,根據(jù)讀取網(wǎng)口狀態(tài)判斷是否出現(xiàn)故障及故障類型.如果 A網(wǎng)口或 B 網(wǎng)口狀態(tài)為未連接或連接出錯(cuò),則表明出現(xiàn)了網(wǎng)口故障;如果 A網(wǎng)口接收到了環(huán)回的幀,則表明為鏈路故障或節(jié)點(diǎn)故障;否則,表明系統(tǒng)正常.

　　然后,對(duì) A網(wǎng)口和 B 網(wǎng)口的接收幀進(jìn)行偵聽(tīng)和 WKC分析.根據(jù)子報(bào)文的報(bào)文指令類型 ,以及子報(bào)文的 WKC值,可以判斷出該子報(bào)文是否得以執(zhí)行.從而,檢測(cè)出 A網(wǎng)口和故障點(diǎn)之間離故障點(diǎn)zui近的有效節(jié)點(diǎn)及 B 網(wǎng)口和故障點(diǎn)之間離故障點(diǎn)zui近的有效節(jié)點(diǎn).