EtherCAT总线冗余让制造更安全更可靠更智能

冗余定义

什么是总线冗余功能？我们都知道，EtherCAT现场总线具有灵活的拓扑结构，设备间支持线型、星型、树型的连接方式，其中线型结构简单、传输效率高，大多数的现场应用中也是使用这种连接方式，如下图所示。

线型的连接方式确实简单，走线灵活，便于现场设备布局与维护。在自动化的工业生产中，设备通常在不同的环境中长时间运行，线缆的老化、安装连接不够严谨等因素导致线缆断连。假如有一天第一个伺服和第二个伺服之间的线缆断了，那么第1个伺服后面的设备是不是将无法正常运行呢？如下图所示。

不管是哪种接线方式，线缆断线将会影响设备的正常运转，哪怕是传统的CAN、RS485等通信的设备控制也都无法正常运转。问题还得要解决，那有没有标准的、又不需要添加太多额外的设计成本，就能解决上述的问题呢？一起来看看EtherCAT总线给出的解决方案，以及EtherCAT冗余技术的实现原理。我们先看它的连接方式，如下图所示。

从EtherCAT的线缆冗余接线图中可以看出，复用了最后一个从站设备的OUT端接回主站，是不是有点巧妙呢？减少了硬件成本，还能解决问题，确实受大家喜欢。再来细看它的数据流向，假设还是第一个伺服和第二个伺服之间断开了，它的工作原理如下图所示。

伺服1和伺服2的线缆断开后仍与从站设备连接着，但通信线路变成两条支线，设备仍然可以正常通信，设备依然还能够继续控制运行。上述就是EtherCAT冗余的解决方案，将线型结构变成了环形结构，实现了链路冗余功能。

冗余功能的优势

01 节约设计成本

EtherCAT线缆冗余，使用了最后一个从站设备的OUT端口，使得冗余功能标准化。

02 增强系统可靠性和稳定性

工业自动化行业中通常要求总线上的设备不间断运转，不允许停止生产，冗余技术可以实现应用系统的可靠性和稳定性。

03 故障诊断与处理

当出现线缆断线时，变成两条之链路控制继续工作，同时EtherCAT可以自动检测到总线系统中的故障点，可大大简化系统的维护工作，提高了设备的维护性。

环境配置

▶ 正运动目前只有7系240520以后的版本支持。

环境准备

（1）准备一台VPLC711-i5-ETH5一体机；

（2）安装240520以上MotionRT版本；

（3）EtherCAT做主口，其他网口任选一个做从口；

（4）按照图示接线，EtherCAT接入第一个设备的in，最后一个设备的out接入VPLC711上的对应冗余网口，形成一个环路；

（5）在总线初始化过程中，SLOT_STOP总线停止后加入SLOT_SLAVE(0)=1；

（6）此时环路中任意处断开一个接口，节点运行正常；

（7）有需求可在代码中加入断线检测的指令。

RT驱动安装

第一步：安装驱动程序

1.打开“设备管理器”，选择“操作”中的“添加过时硬件”，选择“手动选择”。

2.点击“下一步”。

3.点击“从磁盘安装”。

4.点击“浏览按钮”选择驱动所在的路径，打开文件夹“driver_signed”，选择“ZMotionRt64.inf”。

5.一直点击”下一步“，直到安装完成。

注意：驱动更新时，要从设备管理器删除设备，一定要选择把驱动文件也删除。

第二步：安装EtherCAT协议

MotionRT711支持XPCI/XPCIE的ECAT网口，也支持电脑普通网口作为ECAT使用。

1.在Windows网络连接界面，选择需要用作冗余功能总线的网口，右击属性→安装→协议→添加。

2.选择“从磁盘安装”。

3.浏览驱动位置，选择”ZMotionRtPacket.inf”。

4.点击“确定”。

在属性中查看有ZMotionRT64 Packet Protocol Driver就是安装成功，勾选上就可以添加对应的网口总线协议。不接设备的网口可以在这里取消掉勾选。

5.添加总线协议。

在RT7启动界面，点击“AddEcat”，在EtherCAT总线列表下，将对应的冗余网口的总线增加到列表，增加成功之后，“Start”即可。如下图的标号2所示。

冗余代码指令分析

冗余指令使用方法如下所示。SLOT_SLAVE – EtherCAT冗余配置。（该指令在总线停止时进行设置）

断线检测指令解析如下

一、SLOT_INFO和NODE_INFO

打印SLOT_INFO(slot,5)可检测到线缆是否断开，0-线缆正常，1-检测到线缆断开。NODE_INFO有相同功能。

NODE_INFO(slot,node,6)也可检测到设备网口状态，按bit位操作，第0位表示IN口状态,第1位表示OUT口状态，置1为正常，置0为断开。（SLOT_INFO只能读取线路是否有断线，不能确定是哪个节点断线，NODE_INFO可以精确到某个节点断线）。如下图范例所示。

（1）表示整个环路EtherCat检测到断线。

（2）打印值为3，二进制表示为0011，Bit0和Bit1均为1，表示节点0，正常接线。

（3）打印值为2，二进制表示为0010，Bit0为0，Bit1为1，表示节点1 EtherCat In处断开。

二、NODE_REGREAD

NODE_REGREAD(slot,node,address=0x111,bytes,modbusindes)可以读取到设备网口状态，从而精准判断哪个设备哪个网口断开。

正常返回为90，in处断开返回89，out处断开返回86。

BIT0=第一个口状态（in口），BIT2=第二个口状态（out口）。只看bit0和bit2，置1为断开，置0为正常。如下图范例所示。

（1）打印值为89，二进制表示为01011001，Bit0为1，表示节点1 EtherCAT In口断开。

（2）打印值为86，二进制表示为01010110，Bit2为1，表示节点0 EtherCAT Out口断开。

（3）打印值为90，二进制表示为01011010,Bit0和Bit2均为0，表示节点2连接正常。

上位机C#检测掉线应用实例

我们通过basic脚本程序，slot_info指令循环判断是否有掉线，若掉线，则设置对应变量test的值，值为1表示掉线，为0则表示正常连接。

Basic部分程序如下图所示。（这里通过读取basic全局变量值判断，也可以通过寄存器的值判断，或者通过node_regread掉线指令检测）

通过上述basic程序可以看到，程序循环监控，刷新slot_info指令的返回值，赋值给test变量，此时，上位机通过监控test的值的变化来判断是否有掉线，上位机显示界面如下图所示。

1、伺服正常工作无掉线的情况。

2、伺服正常工作过程中，其中一个EtherCAT节点掉线的情况。

3、相关部分程序如下图所示。

如上图可知，上位机通过相关接口实时读取basic底层变量test的值，来判断相对应的EtherCAT节点是否掉线。

机器视觉EtherCAT运动控制器VPLC711

VPLC711是一款基于x86平台和Windows操作系统的高性能机器视觉EtherCAT运动控制器，具备强大的运算能力和灵活性。它具有出色的实时性能和多路高速硬件输入与多路高速PSO输出，能够精准控制多轴同步运动，并与外部设备实现多协议的高速通信。

VPLC711支持多种硬件接口和通信协议，方便与其他设备的连接和集成。除此之外，VPLC711还具备视觉处理功能，能够实时处理图像数据，实现视觉检测、测量和定位等应用。

VPLC711内置Windows运动控制实时内核MotionRT7，形成一种开放式IPC形态实时软控制器/软PLC，为用户提供灵活集成的运动控制+视觉一体化解决方案。

VPLC711硬件参数

1.采用x86高性能CPU，EtherCAT可支持1ms 64轴同步运行；

2.板载RS232，RS485，EtherNet5，EtherCAT，USB3.04硬件接口；

3.板载20DI，其中4个高速色标锁存，2组高速单端编码器；

4.板载20DO，其中4个高速单端脉冲轴，4组高速PWM；

5.支持DVI-D，HDMI显示，支持双网口不同IP设置。