现场总线技术是自动化控制领域的一个热点，它应用于多个设备之间的实时通信，如果在设备连接中断开电缆，设备之间的通信就会受到影响。 让我们来看看 EtherCAT 冗余技术如何在断开连接时实现通信电缆的补救和锁定。EtherCAT现场总线具有灵活的拓扑结构，支持设备之间的线性、星形和树形电缆连接，其中线路结构简单，传输效率最高，这种连接也用于大多数现场应用，如下图1所示。
图1 线性结构的拓扑结构。
线型的连接方式确实简单，接线灵活，方便现场设备的布置和维护。 在自动化工业生产中，设备通常长时间在不同的环境中运行，电缆老化、安装连接不严谨等因素导致电缆断开。 如果有一天第一个IO卡和第二个IO卡之间的电缆断了，第一个IO卡后面的设备会不会不能正常工作？ 如下面的图 2 所示。
图 2 电缆断开示例。
无论采用何种布线方式，电缆断开都会影响设备的正常运行，即使是传统的CAN、RS485等通信设备控制也无法正常运行。 这个问题还有待解决，那么有没有一个标准可以解决上述问题，而又不增加太多额外的设计成本呢？ 让我们来看看 EtherCAT 总线提供的解决方案和电缆冗余技术的实现。 我们先看一下连接方式，如下图3所示。
图3 电缆冗余接线图。
从 EtherCAT 电缆的冗余接线图中可以看出，将最后一个从站设备的输出端重用回主站是不是有点聪明？ 它降低了硬件成本，解决了问题，这是大家非常喜欢的。 我们仔细看一下它的数据流向，假设IO卡1和IO卡2之间断开连接，其工作原理如下图4所示。
图4 电缆冗余示意图。
IO卡1和2之间的电缆在断开后仍连接到从设备，但通信线变成两条分支线，设备仍能正常通信，软件层可以继续控制操作。 这是EtherCAT中电缆冗余的解决方案，通过将线路结构转变为环形结构来实现链路冗余功能。 在电气层处理好设备连接后，让我们继续看看软件层是如何实现的。
主站通常是控制端，从站是执行端。 让我们来看看冗余主端是如何实现的。
1.从站的工作原理
EtherCAT从站接收到链路中主站的以太网帧后，在以太网帧中复制自己的数据，写入当前数据，并将新的以太网帧带到下一个从站设备。
2.母版的工作原理
作为控制端，主站主动发起数据请求，从站响应，因此冗余功能主要在主站侧的协议栈中实现。
在EtherCAT帧结构中，每次从站进入IN端时，从站都会更新CNT加1，在从站**返回的数据帧中，主站会验证CNT值，如果与网络配置不一样，则判断为网络异常，根据CNT可以定位异常从站的具体位置， EtherCAT 框架如下图 5 所示。
图 5 EtherCAT 帧捕获。
当主站检测到网络异常时，协议栈会灵活地改变数据流向，成为两个分支进行控制，此时冗余端口的功能与通信端口的功能相同，在正常状态下，冗余端口也只负责**的功能， 数据流向如下图6所示，蓝色圆圈为发送方向，绿色圆圈为接收方向。
图 6 EtherCAT 数据流程图。
在上述冗余功能的实现中，主要由属于应用层的协议栈处理，协议栈处理完毕后再发送给硬件。 中间有损耗，在对PDO周期要求高的应用中，如256US通信周期，需要冗余响应，否则会丢失过多的数据包，无法满足应用要求。
ZLG PCIe EtherCAT 通信卡支持 EtherCAT 电缆冗余，即使电缆在某个点物理中断，也能保持主从设备之间的通信。 同时，冗余功能采用硬件实现方案设计，响应速度快，丢包率更低，如下图7所示。
图7 硬件冗余实例
1.FPGA断开处理
PCIe EtherCAT 通信卡使用 FPGA 以更快的速度进行以太网数据传输和接收。 如果发生从站断开连接，FPGA将继续从冗余端口发送数据，冗余端口仍然是一个完整的链路，无需协议栈处理，数据流向如下图8所示。
图8 硬件冗余数据流向
2.硬件冗余性能
FPGA继续通过冗余端口将数据从通信端口发送回去，而不经过协议栈的过程，从而提高响应速度，降低数据丢包率。
1.冗余功能的作用
节省设计成本。
EtherCAT 电缆冗余，使用最后一个从站设备的 OUT 端口，允许冗余标准化。
增强通信系统的可靠性和稳定性。
在工业自动化行业中，往往要求总线上的设备不间断运行，不允许停产，冗余技术可以实现应用系统的可靠性和稳定性。
故障诊断和处理。
当电缆断裂时，它成为两个链路控制继续工作，EtherCAT可以自动检测总线系统中的故障点，可以大大简化系统的维护，提高设备的可维护性。
2.产品应用
图 9 PCIe EtherCAT 通信卡。
致远电子PCIe EtherCAT通信卡它是基于PCI的EtherCAT总线通信接口卡。 采用工业领域先进的FPGA控制方案，通信速度极快，实时性强。 PCIe EtherCAT 通信卡提供 miniPCIe、半卡和全卡设计，并与任何类型的 33 V DC miniPCIe和PCI插槽。 EtherCAT通信卡具有以下优点：
PCIe通信卡集成了商用许可的EtherCAT主站解决方案;
支持COE、FOE、FSOE、从机热插拔、主硬件冗余等功能;
PDO周期至少为125 s，抖动为正负5 s。
高速PCIe接口通信，支持多种操作系统平台;
PCIe接口更高效、可扩展，支持多平台操作系统。
选择表如下表1所示。
zlg**：ZLG 开发者社区：
更多技术干货请关注“ZLG致远电子”微信***