标签: EtherCAT主站

所有工业自动化系统都对可靠性和故障时的安全操作有着严格的要求，因为当意外故障而导致停机时，生产所有者将遭受巨大的损失，因而确保生产系统得到妥善保护、免受各种硬件和软件故障的影响十分重要。 EtherCAT技术是工厂车间级别最先进，最高性能的通信接口之一。除了优秀的灵活性和高吞吐量之外，它还提供一些基本的容错功能，以承受可能的硬件故障。这些功能中最强大的功能是线缆冗余，它利用物理环形拓扑结构，当环路实际断开时保持稳定的总线操作。 1. 当主站掉线后如何保持总线工作？ 与其他基于以太网的工业接口不同，EtherCAT使用hop-to-hop通信协议: 数据报文对连接到总线的所有从设备都是通用的，并且它从一个设备传递到另一个设备。主站是管理者，它循环地创建带有读或写请求，输入输出数据报文，并以严格的时间间隔将其发送到总线。每个从站设备可以插入(写入)或提取(读取)明确寻址到它的数据块。 虽然它旨在有效地利用总线吞吐量，但此功能对于容错非常有用：连接到总线的任何设备都完全知道所有从站的活动，并且可以透明地获取或嗅探总线主站和从站之间传输的数据。用户无需修改任何从站设备、添加任何其他信号或更改传输协议: 此功能不会增加任何成本(除了更智能的主设备)。 2. 虹科KPA EtherCAT主站冗余技术 虹科在工业总线通讯行业的经验超过13年，同时也是EtherCAT协会的成员。为了避免控制EtherCAT网络运行的主系统故障所带来的严重后果，虹科合作伙伴KPA推出了EtherCAT主站冗余技术，可以从控制系统无缝恢复故障，即使在同步环境中也能保持运行。 虹科KPA EtherCAT Master 使用此边缘效应将另一个总线主控(或多个主控)引入总线。在正常操作期间， 此冗余主站是被动的，能够嗅探数据但不能输入自己的报文。被动主站被认为是次要的，而活动的主站被认为是主要的。由于所有辅助主站都与总线活动一致，因此当后者失败时，它们随时可以取代主要主站。 另外，为了检测总线上的异常情况，辅助主站可以不需要任何专用控制设备或附加信号线。 EtherCAT 报文定期、严格地按时间间隔进行。当一个辅助被动主站没有收到他期望的报文时，就知道总线上已经不再有主站了。冗余主站可以立即接管控制，发送自己的报文而没有必要等到当前周期结束。这个报文将是正确的和有意义的，因为辅助主站正在追踪所有的变化，成为有故障主站的替换。 3.主站冗余如何工作？ 启用主站冗余的EtherCAT配置包括一个活动的(主站)主设备和一个或多个被动的(辅助)主设备。主设备可能不会配置为Master Redundancy，但最好使用 KPA EtherCAT Master软件来使该技术发挥最大的效用。辅助主站作为影子代理连接到总线。它嗅探传输中的数据报文而没有任何变化。同时，该主站计算每个电报到达的时间并跟踪预期和实际到达时间之间的可能延迟。 当报文延迟时，看门狗定时器启动。在主设备的指定时间超时后，主设备启动其故障转移协议: •触发内部主站切换：现在主站能够写入总线 •辅助主站准备的新报文被写入总线 •在这帧报文中，释放总线的请求被发送给活跃的主站，因为可能仍然在线，但也有一些内部麻烦。 先前活动的主设备在恢复后决定控制总线这种情况，我们完全不希望出现 •新总线主站的控制应用程序被通知在线 可以使用总线配置工具将主动主机返回到被动状态，另一个被动主人将自动控制。为了启用多个冗余主站，它们的看门狗定时器的配置不同，并且可以强制为每个主站随机生成看门狗时间。因此，当两个或多个辅助主设备可以尝试启动故障转移协议时，避免了冲突的情况。 下方的视频中我们展示了基于 EtherCAT 现场总线的一个主站冗余技术用例，该用例由以下设备组成： • Xilinx 制造的安装有 FreeRTOS 操作系统的 FPGA Zynq Zed 板 • 专有的 EtherCAT Master 协议栈 • 由 Texas Instruments 制造且使用已安装的 Linux 操作系统和 EtherCAT Master 协议栈的 FPGA Sitara • 从站设备：支持 EtherCAT 和 Modbus TCP 协议的可编程逻辑控制器，和韩国制造商 Crevis 制造的六个 I/O 设备 • 用于 EtherCAT 和 CAN 协议的网关 若您有疑问或需要更多信息，欢迎通过info@hkaco.com联系虹科

如今，现场总线系统已成为实时分布式控制的一个组成部分，而这也是一个提高控制和监控生产过程安全性的有效方法。在开发项目前期，选择适合的通信技术十分重要，因为它决定了控制性能是否可以直接到达现场层，以及设备的可选范围。 虽然传统的现场总线系统（PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、SERCOS等）或多或少也能够提供安全快速的数据传输，但它们在速度、整体生产力、可靠性和实时传输等特殊考虑因素方面不如EtherCAT技术。EtherCAT的出现有利于突破传统现场总线系统的瓶颈，因为它允许通过使用共享内存与应用程序直接交换数据，仅需使用标准网络适配器便能够满足需求，而无需额外的硬件。 EtherCAT：以太网控制自动化技术 EtherCAT（Ethernet for Control Automation technology）是一种实现数据特定传输的硬实时技术。它可以提供实时性能，旨在通过双绞线或光纤电缆最大限度地利用高速全双工以太网数据传输，以满足工业过程控制需求。 基于以太网技术的EtherCAT具有易于实施、拥有成本和标准化等优点，使其成为工业应用上旨在最大限度提高控制系统性能的完美解决方案。该技术的媒体访问控制采用主/从原理，其中主站节点（通常是控制系统）将以太网帧发送到从站节点，从站节点动态地从这些帧中提取并插入数据。 EtherCAT技术工作原理 从以太网的角度来看，EtherCAT部分可看作单个以太网设备，它接收和发送标准ISO/IEC802-3以太网帧。这个以太网设备可能由大量的EtherCAT从站设备组成，它们直接处理传入的帧并提取相关的用户数据，或者插入数据并将帧传输到下一个EtherCAT从站设备。网段内的最后一个EtherCAT从站设备将完整处理的帧发回，以便第一个从站设备作为响应帧返回给主站设备。 此过程利用以太网的全双工模式，允许双向独立通信，可以在主站设备和由一个或多个从站设备组成的EtherCAT网段之间建立无需切换的直接通信，这体现了EtherCAT操作原理的灵活性。 EtherCAT核心特性： 1. 灵活的拓扑结构 EtherCAT网络能够支持高达65,535个设备，且对其拓扑结构没有限制，可以采用线型、树型、星型等多种方式。 2. 高性能 由于EtherCAT协议的特定功能及其在拓扑结构、数字映射方面的灵活性，因此，这项高性能的技术可以极大地提高生产力，例如通过直接内存访问(DMA)，数据能够以最少的CPU使用率传输，从站自己读写数据，且只有一个报文返回给主站处理，进而释放主站资源。 3. 低成本 EtherCAT是一种实时工业以太网技术，无需配置在主站、协处理器的特殊插件卡，也无需大量的处理能力，或大量处理能力的特殊插件卡，这项不依赖于集线器和交换机的标准以太网协议便是连接的唯一条件。 4. 易于集成 可以通过网关使用CAN、CANopen、EtherNET/IP等现场总线和工业以太网，或通过MailboxoverUDP、MailboxoverTCP第三方工具。 为了帮助项目开发者更快速地实现基于EtherCAT的解决方案，虹科推出了多种EtherCAT开发方案，其中包括提供网络设备与IPC系统交互功能的虹科KPA EtherCAT Master协议栈、可用于创建和修改EtherCAT网络配置的虹科KPA EtherCAT Studio等。 虹科KPA EtherCAT Master协议栈：帮你快速开发EtherCAT功能 虹科KPA EtherCAT Master 协议栈确保了EtherCAT技术的所有优势：循环时间短、高性能、低成本等。其内核以ANSI“C”实现；因此，它可以很容易地移植到任何具有“C”编译器的平台。它甚至可以作为模块在Linux内核空间中运行（与C++实现相反，如果C++代码使用任何诸如虚函数、模板或异常等特性，则在加载内核模块时可能会遇到困难）。 虹科KPA EtherCAT Master采用模块化架构设计，可为不同的操作系统提供可移植性和可扩展性，并适应各种硬件平台。 带捆绑模块的虹科KPA EtherCAT Master主站架构图 应用程序 这是一个调用主 API 函数的单独进程。应用程序通过 API 对 Master 进行几乎完全的控制：启动/停止Master、进行配置、更新 PI 等。 API 允许配置和管理 EtherCAT 总线的用户应用程序编程接口 (API) RPC服务器 RPC 服务器负责与远程客户端（例如，与 KPA EtherCAT Studio）建立连接并将请求转发到 EtherCAT主栈核心。它支持用户到用户和用户到内核模式（通过 IOCtl 调用）。 过程映像 过程映像由影子缓冲区（即直接向/从网络传输的数据）和活动缓冲区（即包含从/向 EtherCAT主站客户端接收/发送的数据的缓冲区）组成 处理任务（外部任务） 实现特定应用控制算法的回调函数。每次重复 PI 更新（高优先级）循环时都会调用此回调函数。 帧调度器 组装 EtherCAT 帧并根据其优先级将它们转发到 EtherCAT 网络驱动程序的模块。 EtherCAT 网络驱动程序 从底层网络实现中抽象出 EtherCAT 主栈核心模块。 线程、互斥体、定时器等 处理线程、定时器、互斥体的依赖于操作系统的函数的包装器。 NIC及其驱动程序 网络接口卡是一种物理设备，用于向/从 EtherCAT 网络发送/接收帧。 远程客户端 包括虹科KPA EtherCAT Studio和其他兼容程序 虹科KPA EtherCAT Master的主要功能包括通过 UDP 对智能从站进行集中参数化、特殊接口适配操作系统、用于与运行时或/和配置工具交互的 API、用于多个 TCP/IP 或/和 UDP 连接的服务器等。 结合现实应用的多种需求，虹科有4种可选版本：基础版、标准版、高级版、扩展包，它们能够满足用户不同层次的需求。 若想了解更多关于虹科EtherCAT开发方案和技术服务的信息，欢迎随时通过邮箱hongconsys@hkaco.com与我们交流。