一、EtherCAT環(huán)網(wǎng)冗余介紹
EtherCAT環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)是通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，有效提升工業(yè)控制系統(tǒng)可靠性的通信解決方案。當(dāng)主站開啟冗余模式，若從站物理鏈路斷開或節(jié)點發(fā)生故障，可確保其他從站設(shè)備的通信不受影響，維持系統(tǒng)持續(xù)運行。正常冗余模式下，將總線上從站的首尾兩端分別連接到主站設(shè)備后，數(shù)據(jù)僅沿一個方向傳輸。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)中斷時，數(shù)據(jù)流會立即在中斷點兩側(cè)反向傳輸，形成一個更小但仍然完整的線性網(wǎng)絡(luò)，確保未故障從站的通信不受影響。
二、冗余模式通信對比示例
正常通信
線性結(jié)構(gòu)拓撲圖正常通信（冗余）
環(huán)形冗余結(jié)構(gòu)示意圖異常通信（冗余）
三、冗余功能實現(xiàn)要求
1.支持冗余的EtherCAT從站控制器（ESC）：從站設(shè)備中的ESC必須支持環(huán)網(wǎng)冗余功能，這通常要求其具備兩個或以上獨立的以太網(wǎng)端口，以及內(nèi)置的端口交換邏輯或回環(huán)控制邏輯。方芯的ESC芯片（FCE1100、FCE1353系列等）都原生滿足上述要求。
2.支持冗余的EtherCAT主站：主站軟件必須能夠配置和管理冗余環(huán)網(wǎng)，需具有兩個及以上網(wǎng)卡通信模塊。
3.正確的物理連接：嚴格依照環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)進行布線，將第一臺從站的邏輯IN端口與最后一臺從站的末端邏輯OUT端口，分別連接到主站的兩個端口。
注：FCE1353是一款Pin to Pin對標Microchip LAN9253/9252的3端口EtherCAT從站設(shè)備控制器芯片（ESC）。該芯片集成雙以太網(wǎng)電流型PHY，具備抗干擾能力強、信號完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點，且提供全雙工100BASE-TX支持及HP Auto-MDIX功能，配備8K字節(jié)雙端口存儲器（DPRAM）、8個SyncManager、8個現(xiàn)場總線存儲器管理單元（FMMU）和一個64位分布式時鐘。同時，該芯片集成LAN9252及后續(xù)版本的新增功能，支持多個過程數(shù)據(jù)接口（SPI/SQI、HBI），可滿足客戶對周期時間、集成度和系統(tǒng)級成本的要求，廣泛應(yīng)用于電機控制、多節(jié)點自動化系統(tǒng)及嵌入式通信領(lǐng)域。
FCE1100是一款管腳Pin to Pin對標BECKHOFF ET1100的EtherCAT從站控制器ASCI芯片，配備4個數(shù)據(jù)收發(fā)端口、8個FMMU單元與8個SM通道，擁有4KB控制寄存器及8KB過程數(shù)據(jù)存儲器，支持64位分布時鐘功能。它可直接作為32位數(shù)字量輸入/輸出站點使用，或通過外部微處理器控制以構(gòu)建復(fù)雜從站設(shè)備。主要應(yīng)用于總線型伺服、步進系統(tǒng)、I/O模塊及EtherCAT交換機方案。
四、EtherCAT環(huán)網(wǎng)冗余搭建示例
本次搭建以TwinCAT 3作為主站，主站版本3.1.4024.66，從站使用方芯半導(dǎo)體背板方案，充分利用其在工業(yè)自動化領(lǐng)域高速、高精度的通信優(yōu)勢，具體步驟如下：
1.將網(wǎng)卡#1連接到第一臺從站設(shè)備，正常掃描拓撲。
從站設(shè)備處于正常OP狀態(tài)。
拓撲結(jié)構(gòu)如下所示：
2.隨機斷開一臺從站模擬設(shè)備故障，故障設(shè)備后級的所有從站通信均中斷，如下圖所示：
3.恢復(fù)故障設(shè)備連接，所有從站通信恢復(fù)正常。
此時，將主站的第二個端口連接到最后一臺從站的OUT口，從站狀態(tài)如下：
5.按下圖所示啟用主站第二端口：
6.點擊左上角“Reload Devices”，刷新從站狀態(tài)。
從站狀態(tài)恢復(fù)至OP狀態(tài)。
拓撲結(jié)構(gòu)顯示環(huán)網(wǎng)搭建完成：
7.隨機斷開一臺從站模擬設(shè)備故障，故障設(shè)備未影響其他從站正常通信：
8.恢復(fù)故障設(shè)備連接，所有從站恢復(fù)正常通信。
五、總結(jié)
EtherCAT環(huán)網(wǎng)冗余是一種高效且經(jīng)濟的解決方案，它通過簡單的物理環(huán)形布線，結(jié)合智能的從站和主站功能，實現(xiàn)了毫秒級的故障恢復(fù)能力。EtherCAT技術(shù)，作為工業(yè)自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵基石，因其高速通信、低延遲、高精度和高可靠性等特點，在汽車制造、半導(dǎo)體生產(chǎn)線、包裝機械等對連續(xù)運行要求極高的領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。
