EtherCAT环网冗余技术:FCE1100、FCE1353芯片助力工业控制系统可靠性升级

一、EtherCAT环网冗余介绍

EtherCAT环网冗余技术是通过环形网络拓扑结构,有效提升工业控制系统可靠性的通信解决方案。当主站开启冗余模式,若从站物理链路断开或节点发生故障,可确保其他从站设备的通信不受影响,维持系统持续运行。正常冗余模式下,将总线上从站的首尾两端分别连接到主站设备后,数据仅沿一个方向传输。当网络出现中断时,数据流会立即在中断点两侧反向传输,形成一个更小但仍然完整的线性网络,确保未故障从站的通信不受影响。

二、冗余模式通信对比示例

正常通信

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线性结构拓扑图正常通信(冗余)

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环形冗余结构示意图异常通信(冗余)

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三、冗余功能实现要求

1.支持冗余的EtherCAT从站控制器(ESC):从站设备中的ESC必须支持环网冗余功能,这通常要求其具备两个或以上独立的以太网端口,以及内置的端口交换逻辑或回环控制逻辑。方芯的ESC芯片(FCE1100、FCE1353系列等)都原生满足上述要求。

2.支持冗余的EtherCAT主站:主站软件必须能够配置和管理冗余环网,需具有两个及以上网卡通信模块。

3.正确的物理连接:严格依照环形拓扑结构进行布线,将第一台从站的逻辑IN端口与最后一台从站的末端逻辑OUT端口,分别连接到主站的两个端口。

注:FCE1353是一款Pin to Pin对标Microchip LAN9253/9252的3端口EtherCAT从站设备控制器芯片(ESC)。该芯片集成双以太网电流型PHY,具备抗干扰能力强、信号完整性高和稳定性好的优点,且提供全双工100BASE-TX支持及HP Auto-MDIX功能,配备8K字节双端口存储器(DPRAM)、8个SyncManager、8个现场总线存储器管理单元(FMMU)和一个64位分布式时钟。同时,该芯片集成LAN9252及后续版本的新增功能,支持多个过程数据接口(SPI/SQI、HBI),可满足客户对周期时间、集成度和系统级成本的要求,广泛应用于电机控制、多节点自动化系统及嵌入式通信领域。

FCE1100是一款管脚Pin to Pin对标BECKHOFF ET1100的EtherCAT从站控制器ASCI芯片,配备4个数据收发端口、8个FMMU单元与8个SM通道,拥有4KB控制寄存器及8KB过程数据存储器,支持64位分布时钟功能。它可直接作为32位数字量输入/输出站点使用,或通过外部微处理器控制以构建复杂从站设备。主要应用于总线型伺服、步进系统、I/O模块及EtherCAT交换机方案。

四、EtherCAT环网冗余搭建示例

本次搭建以TwinCAT 3作为主站,主站版本3.1.4024.66,从站使用方芯半导体背板方案,充分利用其在工业自动化领域高速、高精度的通信优势,具体步骤如下:

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1.将网卡#1连接到第一台从站设备,正常扫描拓扑。

从站设备处于正常OP状态。

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拓扑结构如下所示:

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2.随机断开一台从站模拟设备故障,故障设备后级的所有从站通信均中断,如下图所示:

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3.恢复故障设备连接,所有从站通信恢复正常。

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此时,将主站的第二个端口连接到最后一台从站的OUT口,从站状态如下:

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5.按下图所示启用主站第二端口:

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6.点击左上角“Reload Devices”,刷新从站状态。

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从站状态恢复至OP状态。

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拓扑结构显示环网搭建完成:

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7.随机断开一台从站模拟设备故障,故障设备未影响其他从站正常通信:

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8.恢复故障设备连接,所有从站恢复正常通信。

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五、总结

EtherCAT环网冗余是一种高效且经济的解决方案,它通过简单的物理环形布线,结合智能的从站和主站功能,实现了毫秒级的故障恢复能力。EtherCAT技术,作为工业自动化系统的关键基石,因其高速通信、低延迟、高精度和高可靠性等特点,在汽车制造、半导体生产线、包装机械等对连续运行要求极高的领域,得到广泛应用。

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