廈門鑫諾斯自動化科技有限公司
：鐘松豪
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圖 1為 EtherCAT的基本工作原理.介質訪問控制 (MAC,Media Access Control)使用主從模式.
主站發送以太網幀給各從站 ,從站從數據幀中抽取數據或將數據插入數據幀 ,然后將該數據幀傳輸到下一個 EtherCAT從站. zui后一個 EtherCAT從站發回經過*處理的報文 ,并由第 1個從站作為響應報文發送給主站. 主站使用標準的以太網接口卡或具有以太網接口的嵌入式工業控制計算機 , EtherCAT從站使用的從站控制芯片ESC.
ESC采取接收轉發機制 ,以太網幀可以雙向通行 ,但只有以太網幀由下行電報方向進入時 ,相應的報文才能得到處理. 如果轉發的網口未連接 , ESC自動將以太網幀沿原入口徑返回.
EtherCAT數據幀使用以太網 V2 格式的MAC幀 ,以太類型為 0x88A4.圖 2為 EtherCAT數據鏈路層幀結構.一個EtherCAT以太網數據幀包含一個或多個 EtherCAT子報文 ,每個子報文尋址獨立的設備或存儲區域.
每個 EtherCAT子報文包括子報文頭、數據域和相應的工作計數器 (WKC,Working Counter) ,子報文尋址到從站節點并交換數據后 ,工作計數器將被增加 ,用以記錄該子報文的處理狀態.子報文頭中 ,8bit命令字節 ,了子報文類型 (讀寫類型 ,尋址類型 ); 8 bit索引號給出子報文編碼; 32bit的子報文地址了對從站的操作地址 ,尋址類型定義了尋址方式; 8bit長度用以指示報文數據區的字節數;R為 4 bit的保留位; 4 bitM表示本報文是否為zui后一個報文; 16bit中斷目前保留2 EtherCAT冗余和熱插拔技術要求
2. 1 拓撲結構
冗余以太網的拓撲結構包括網絡型拓撲、環型拓撲以及混合型拓撲 . 對于一般的工業以太網系統 ,網絡型和混合型拓撲過于復雜 ,環型拓撲非常有效而且實用. 本文研究環型拓撲的冗余技術 ,消除單點故障對系統產生的影響.
環型結構的信息流在網中是沿固定方向流動的.由于環型結構中出現一個節點故障將會影響全網 ,要提高可靠性 ,需采用雙向環結構 ,使環具有自愈功能 ,即在斷點處自動環回 , ESC從站控制器具有這種自動環回功能.
EtherCAT冗余技術采用環型冗余結構 ,也就是將zui后一個 ESC節點連接到主站.要實現這個功能 ,需要主站具有 2個以太網接口 ,見圖 32. 2 單點故障
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環形冗余鏈路僅具備雙重冗余 ,因此只能應對單點故障.單點故障主要有以下幾種可能情況:
1) 網口故障 ,包括主站網卡本身故障和連接在網卡上的鏈路故障;
2) 鏈路故障 ,指從站節點之間的鏈路存在斷線;
3) 節點故障 ,指環路中某節點出現故障 ,導致幀轉發功能失效.在此情況下 ,發生故障的節點的失效不認為是整個系統的失效. 這種情況也可能發生在需要不斷電情況下更換一個從站節點的場合 ,通常也稱為“熱插拔 ”.
2. 3 EtherCAT鏈路冗余主站
EtherCAT主站結構如圖 4所示 ,其中 Ether-CAT主站驅動實現了網卡驅動與上層控制任務的交互.冗余機制不應影響應用層控制任務的性能和功能. 在本文系統設計中,將常規 EtherCAT主站驅動程序做了修改 ,加入鏈路冗余機制 ,對上層應用屏蔽了冗余信息和操作.
在 EtherCAT主站驅動程序中 ,向上層應用的接口主要為 1個發送隊列 (用于存放控制任務要發送的 EtherCAT幀 )和 1個接收隊列 (用于存放處理過后返回的 EtherCAT幀 ).本文設計的冗余機制旨在實現當系統處于任何正常或容錯運行狀態下這 2個幀隊列都與網口和網絡狀態無關.
3 冗余系統設計
3. 1 冗余幀傳播機制
冗余主站設計如圖 4所示 ,主站具有 A和 B2個網口 ,每個網口均具備發送和接收以太網幀的功能.
根據故障情況 ,圖 5中列出了冗余系統正常工作和出現各種單點故障時的幀傳播策略:
1) 正常情況時,發送幀交由 A網口發送,經過從站節點的遍歷,經 B網口接收,進接收隊列;
2) A網口故障時,發送幀交由 B 網口發送,反向到達第 1個從站節點,以原鏈路環回,經 B網口接收后,進接收隊列;
3) B 網口故障時,發送幀交由 A網口發送,到達zui后一個從站節點,以原鏈路環回,經 A網口接收后,進接收隊列;
4) 出現鏈路故障 (或熱插拔 )時,發送幀交由 A網口發送,遍歷至故障點處環回,經 A網口接收,交由 B 網口發送,從另一個方向遍歷至故障點處環回,經 B網口接收后,進接收隊列;
5) 出現節點故障時,發送幀交由 A 網口發送,遍歷至故障點處環回,經 A網口接收,交由 B網口發送,從另一個方向遍歷至故障點處環回,經B網口接收后,進接收隊列.
3. 2 故障點診斷
發生網口故障時,能夠確定故障點在主站接口上;而在發生鏈路故障和節點故障時,則需偵聽A網口和 B 網口的接收幀,結合數據幀中子報文的工作計數器實現.
每個子報文zui后具有一個 WKC,在通過從站節點時 ,如果為該從站的子報文 ,WKC將加 1(也有一些類型的報文增加值大于 1).故障點診斷規則如下:
首先 ,根據讀取網口狀態判斷是否出現故障及故障類型.如果 A網口或 B 網口狀態為未連接或連接出錯,則表明出現了網口故障;如果 A網口接收到了環回的幀,則表明為鏈路故障或節點故障;否則,表明系統正常.
然后,對 A網口和 B 網口的接收幀進行偵聽和 WKC分析.根據子報文的報文指令類型 ,以及子報文的 WKC值,可以判斷出該子報文是否得以執行.從而,檢測出 A網口和故障點之間離故障點zui近的有效節點及 B 網口和故障點之間離故障點zui近的有效節點.
