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    虹科干貨 | EtherCAT主站冗余技術,保護目標系統免受故障影響

      2022年05月10日  

      所有工業自動化系統都對可靠性和故障時的安全操作有著嚴格的要求,因為當意外故障而導致停機時,生產所有者將遭受巨大的損失,因而確保生產系統得到妥善保護、免受各種硬件和軟件故障的影響十分重要。

      EtherCAT技術是工廠車間級別最先進,最高性能的通信接口之一。除了優秀的靈活性和高吞吐量之外,它還提供一些基本的容錯功能,以承受可能的硬件故障。這些功能中最強大的功能是線纜冗余,它利用物理環形拓撲結構,當環路實際斷開時保持穩定的總線操作。

    1、當主站掉線后如何保持總線工作?

      與其他基于以太網的工業接口不同,EtherCAT使用hop-to-hop通信協議: 數據報文對連接到總線的所有從設備都是通用的,并且它從一個設備傳遞到另一個設備。主站是管理者,它循環地創建帶有讀或寫請求,輸入輸出數據報文,并以嚴格的時間間隔將其發送到總線。每個從站設備可以插入(寫入)或提取(讀取)明確尋址到它的數據塊。

      雖然它旨在有效地利用總線吞吐量,但此功能對于容錯非常有用:連接到總線的任何設備都完全知道所有從站的活動,并且可以透明地獲取或嗅探總線主站和從站之間傳輸的數據。用戶無需修改任何從站設備、添加任何其他信號或更改傳輸協議: 此功能不會增加任何成本(除了更智能的主設備)。

    2、虹科KPA EtherCAT主站冗余技術

      虹科在工業總線通訊行業的經驗超過13年,同時也是EtherCAT協會的成員。為了避免控制EtherCAT網絡運行的主系統故障所帶來的嚴重后果,虹科合作伙伴KPA推出了EtherCAT主站冗余技術,可以從控制系統無縫恢復故障,即使在同步環境中也能保持運行。

      虹科KPA EtherCAT Master 使用此邊緣效應將另一個總線主控(或多個主控)引入總線。在正常操作期間, 此冗余主站是被動的,能夠嗅探數據但不能輸入自己的報文。被動主站被認為是次要的,而活動的主站被認為是主要的。由于所有輔助主站都與總線活動一致,因此當后者失敗時,它們隨時可以取代主要主站。

      另外,為了檢測總線上的異常情況,輔助主站可以不需要任何專用控制設備或附加信號線。EtherCAT報文定期、嚴格地按時間間隔進行。當一個輔助被動主站沒有收到他期望的報文時,就知道總線上已經不再有主站了。冗余主站可以立即接管控制,發送自己的報文而沒有必要等到當前周期結束。這個報文將是正確的和有意義的,因為輔助主站正在追蹤所有的變化,成為有故障主站的替換。

    3、主站冗余如何工作?

      啟用主站冗余的EtherCAT配置包括一個活動的(主站)主設備和一個或多個被動的(輔助)主設備。主設備可能不會配置為Master Redundancy,但最好使用 KPA EtherCAT Master軟件來使該技術發揮最大的效用。輔助主站作為影子代理連接到總線。它嗅探傳輸中的數據報文而沒有任何變化。同時,該主站計算每個電報到達的時間并跟蹤預期和實際到達時間之間的可能延遲。

      當報文延遲時,看門狗定時器啟動。在主設備的指定時間超時后,主設備啟動其故障轉移協議:

      1、觸發內部主站切換:現在主站能夠寫入總線

      2、輔助主站準備的新報文被寫入總線

      3、在這幀報文中,釋放總線的請求被發送給活躍的主站,因為可能仍然在線,但也有一些內部麻煩。先前活動的主設備在恢復后決定控制總線這種情況,我們不希望出現

      4、新總線主站的控制應用程序被通知在線

      可以使用總線配置工具將主動主站返回到被動狀態,另一個被動主站將自動控制。為了啟用多個冗余主站,它們的看門狗定時器的配置不同,并且可以強制為每個主站隨機生成看門狗時間。因此,當兩個或多個輔助主設備可以嘗試啟動故障轉移協議時,避免了沖突的情況。

    虹科EtherCAT主站冗余

      下方是基于EtherCAT現場總線的一個主站冗余技術用例,該用例由以下設備組成:

      Xilinx 制造的安裝有FreeRTOS操作系統的FPGA Zynq Zed 板

      專有的EtherCAT Master 協議棧

      由 Texas Instruments 制造且使用已安裝的 Linux 操作系統和EtherCAT Master 協議棧的FPGA Sitara

      從站設備:支持EtherCAT和 Modbus TCP 協議的可編程邏輯控制器,和韓國制造商Crevis制造的六個 I/O 設備

      用于EtherCAT和 CAN 協議的網關

      該用例是一個完整的解決方案 ,包括Master Redundancy技術的EtherCAT網絡配置,提供同時連接一個active主站和一個或多個passive master的能力。

    (來源:虹科工業通訊)

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