現場匯流排技術是自動化控制領域的乙個熱點，它應用於多個裝置之間的實時通訊，如果在裝置連線中斷開電纜，裝置之間的通訊就會受到影響。 讓我們來看看 EtherCAT 冗餘技術如何在斷開連線時實現通訊電纜的補救和鎖定。EtherCAT現場匯流排具有靈活的拓撲結構，支援裝置之間的線性、星形和樹形電纜連線，其中線路結構簡單，傳輸效率最高，這種連線也用於大多數現場應用，如下圖1所示。
圖1 線性結構的拓撲結構。
線型的連線方式確實簡單，接線靈活，方便現場裝置的布置和維護。 在自動化工業生產中，裝置通常長時間在不同的環境中執行，電纜老化、安裝連線不嚴謹等因素導致電纜斷開。 如果有一天第乙個IO卡和第二個IO卡之間的電纜斷了，第乙個IO卡後面的裝置會不會不能正常工作？ 如下面的圖 2 所示。
圖 2 電纜斷開示例。
無論採用何種佈線方式，電纜斷開都會影響裝置的正常執行，即使是傳統的CAN、RS485等通訊裝置控制也無法正常執行。 這個問題還有待解決，那麼有沒有乙個標準可以解決上述問題，而又不增加太多額外的設計成本呢？ 讓我們來看看 EtherCAT 匯流排提供的解決方案和電纜冗餘技術的實現。 我們先看一下連線方式，如下圖3所示。
圖3 電纜冗餘接線圖。
從 EtherCAT 電纜的冗餘接線圖中可以看出，將最後乙個從站裝置的輸出端重用回主站是不是有點聰明？ 它降低了硬體成本，解決了問題，這是大家非常喜歡的。 我們仔細看一下它的資料流向，假設IO卡1和IO卡2之間斷開連線，其工作原理如下圖4所示。
圖4 電纜冗餘示意圖。
IO卡1和2之間的電纜在斷開後仍連線到從裝置，但通訊線變成兩條分支線，裝置仍能正常通訊，軟體層可以繼續控制操作。 這是EtherCAT中電纜冗餘的解決方案，通過將線路結構轉變為環形結構來實現鏈路冗餘功能。 在電氣層處理好裝置連線後，讓我們繼續看看軟體層是如何實現的。
主站通常是控制端，從站是執行端。 讓我們來看看冗餘主端是如何實現的。
1.從站的工作原理
EtherCAT從站接收到鏈路中主站的乙太網幀後，在乙太網幀中複製自己的資料，寫入當前資料，並將新的乙太網幀帶到下乙個從站裝置。
2.母版的工作原理
作為控制端，主站主動發起資料請求，從站響應，因此冗餘功能主要在主站側的協議棧中實現。
在EtherCAT幀結構中，每次從站進入IN端時，從站都會更新CNT加1，在從站**返回的資料幀中，主站會驗證CNT值，如果與網路配置不一樣，則判斷為網路異常，根據CNT可以定位異常從站的具體位置， EtherCAT 框架如下圖 5 所示。
圖 5 EtherCAT 幀捕獲。
當主站檢測到網路異常時，協議棧會靈活地改變資料流向，成為兩個分支進行控制，此時冗餘埠的功能與通訊埠的功能相同，在正常狀態下，冗餘埠也只負責**的功能， 資料流向如下圖6所示，藍色圓圈為傳送方向，綠色圓圈為接收方向。
圖 6 EtherCAT 資料流程圖。
在上述冗餘功能的實現中，主要由屬於應用層的協議棧處理，協議棧處理完畢後再傳送給硬體。 中間有損耗，在對PDO週期要求高的應用中，如256US通訊週期，需要冗餘響應，否則會丟失過多的資料包，無法滿足應用要求。
ZLG PCIe EtherCAT 通訊卡支援 EtherCAT 電纜冗餘，即使電纜在某個點物理中斷，也能保持主從裝置之間的通訊。 同時，冗餘功能採用硬體實現方案設計，響應速度快，丟包率更低，如下圖7所示。
圖7 硬體冗餘例項
1.FPGA斷開處理
PCIe EtherCAT 通訊卡使用 FPGA 以更快的速度進行乙太網資料傳輸和接收。 如果發生從站斷開連線，FPGA將繼續從冗餘埠傳送資料，冗餘埠仍然是乙個完整的鏈路，無需協議棧處理，資料流向如下圖8所示。
圖8 硬體冗餘資料流向
2.硬體冗餘效能
FPGA繼續通過冗餘埠將資料從通訊埠傳送回去，而不經過協議棧的過程，從而提高響應速度，降低資料丟包率。
1.冗餘功能的作用
節省設計成本。
EtherCAT 電纜冗餘，使用最後乙個從站裝置的 OUT 埠，允許冗餘標準化。
增強通訊系統的可靠性和穩定性。
在工業自動化行業中，往往要求匯流排上的裝置不間斷執行，不允許停產，冗餘技術可以實現應用系統的可靠性和穩定性。
故障診斷和處理。
當電纜斷裂時，它成為兩個鏈路控制繼續工作，EtherCAT可以自動檢測匯流排系統中的故障點，可以大大簡化系統的維護，提高裝置的可維護性。
2.產品應用
圖 9 PCIe EtherCAT 通訊卡。
致遠電子PCIe EtherCAT通訊卡它是基於PCI的EtherCAT匯流排通訊介面卡。 採用工業領域先進的FPGA控制方案，通訊速度極快，實時性強。 PCIe EtherCAT 通訊卡提供 miniPCIe、半卡和全卡設計，並與任何型別的 33 V DC miniPCIe和PCI插槽。 EtherCAT通訊卡具有以下優點：
PCIe通訊卡整合了商用許可的EtherCAT主站解決方案;
支援COE、FOE、FSOE、從機熱插拔、主硬體冗餘等功能;
PDO週期至少為125 s，抖動為正負5 s。
高速PCIe介面通訊，支援多種作業系統平台;
PCIe介面更高效、可擴充套件，支援多平台作業系統。
選擇表如下表1所示。
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