工业以太网是改进的标准以太网www.cechina.cn,其中冗余 技术是提高以太网系统可靠性和可维护性最有效 的手段之一[ 1 ] . EtherCAT( Ethernet for Control and Automation Technology)是工业以太网的一种,它 很好解决了以太网的实时性问题,其从站控制芯 片ESC ( EtherCAT Slave Controller)提供了环回通 信机制. 本文研究了工业以太网EtherCAT的冗余 控制、热插拔技术及故障点快速诊断方法,设计并 实现了环型拓扑下的链路冗余控制系统. 开发了 EtherCAT链路冗余主站驱动程序www.cechina.cn,并通过实验分 析和验证了EtherCAT冗余后系统的性能.
        1　EtherCAT工作原理
        EtherCAT是一种实时工业以太网技术,已成 为国际标准IEC 61158212, IEC 6178422 以及 ISO1574524的一部分[ 2 ] .

        图1为EtherCAT的基本工作原理. 介质访问控制(MAC,Media Access Control)使用主从模式. 主站发送以太网帧给各从站,从站从数据帧中抽 取数据或将数据插入数据帧,然后将该数据帧传 输到下一个EtherCAT从站. 最后一个EtherCAT 从站发回经过完全处理的报文,并由第1个从站 作为响应报文发送给主站. 主站使用标准的以太 网接口卡或具有以太网接口的嵌入式工业控制计 算机, EtherCAT从站使用专用的从站控制芯片 ESC.
        ESC采取接收转发机制,以太网帧可以双向 通行,但只有以太网帧由下行电报方向进入时控制工程网版权所有,相 应的报文才能得到处理. 如果指定转发的网口未 连接, ESC自动将以太网帧沿原入口径返回. EtherCAT数据帧使用以太网V2 格式的 MAC帧,以太类型为0x88A4. 图2为EtherCAT数 据链路层帧结构. 一个EtherCAT以太网数据帧包 含一个或多个EtherCAT子报文,每个子报文寻址 独立的设备或存储区域.
      

        每个EtherCAT子报文包括子报文头、数据域 和相应的工作计数器(WKC,Working Counter) , 子报文寻址到从站节点并交换数据后控制工程网版权所有,工作计数 器将被增加,用以记录该子报文的处理状态.
        子报文头中, 8 bit命令字节,指定了子报文类 型(读写类型,寻址类型) ; 8 bit索引号给出子报 文编码; 32 bit的子报文地址指定了对从站的操作 地址,寻址类型定义了寻址方式; 8 bit长度用以指 示报文数据区的字节数; R为4 bit的保留位; 4 bit M表示本报文是否为最后一个报文; 16 bit中断目 前保留.
        2　EtherCAT冗余和热插拔技术要求
        2. 1　拓扑结构
        冗余以太网的拓扑结构包括网络型拓扑、环 型拓扑以及混合型拓扑[ 3 ] . 对于一般的工业以太 网系统,网络型和混合型拓扑过于复杂,环型拓扑 非常有效而且实用. 本文研究环型拓扑的冗余技 术,消除单点故障对系统产生的影响.
        环型结构的信息流在网中是沿固定方向流动 的. 由于环型结构中出现一个节点故障将会影响 全网,要提高可靠性CONTROL ENGINEERING China版权所有,需采用双向环结构,使环具 有自愈功能,即在断点处自动环回[ 4 ] , ESC从站 控制器具有这种自动环回功能.
        EtherCAT冗余技术采用环型冗余结构,也就 是将最后