可靠性和故障安全运行是任何工业自动化系统的关键要求。当意外停机发生时，生产所有者通常会遭受相当大的损失，因此他希望确保他的生产系统能够从各种硬件和软件故障中得到适当的保护。

EtherCAT 技术是工厂车间层通信的最先进和高性能接口之一。除了具有很高的灵活性和吞吐量外，它还提供了一些基本的容错特性，以抵御可能的硬件故障。其中最强大的特性是电缆冗余，利用物理环形拓扑结构，在环路实际断开时保持稳定的总线运行。

koenig-pa GmbH 是 EtherCAT 领域的专家之一，也是 EtherCAT Technology Group 的活跃成员。我们的工程师进一步发展并发明了一种保护工业网络免受最严重问题（即其控制节点故障）的方法，即控制 EtherCAT 网络操作的主系统。我们的专利技术称为主控冗余（Master Redundancy），可以在同步环境下无缝恢复控制系统故障，并保持运行。该专利在许多国家获得验证：德国、法国、意大利 — 编号 EP3072262B1；美国 — 编号 US10102163 BB；加拿大 — 编号 CA2968432 AA；印度 — 编号 IN201637021622 A；日本 — 编号 P20160550236T。
您可以在 koenig-pa GmbH 及其渠道合作伙伴提供的 KPA EtherCAT Master 2 软件中找到此功能。

如何在主控器失效时保存总线。

让我们回顾一下 EtherCAT 运行的基本原理，因为理解 KPA EtherCAT Master 2 的主控冗余功能的概念非常重要。

与其他基于以太网的工业接口不同，EtherCAT 使用逐跳通信协议：数据电报对连接到总线的所有从属设备都是公共的，并且从一个设备传递到另一个设备。主控器是周期性地创建电报，填充它们以读取或写入请求、输出数据（或输入数据的槽位），并按严格的时间间隔发送到总线上。每个从属设备可以插入（写入）或提取（读取）明确寻址给它的数据块。

虽然这旨在有效利用总线吞吐量，但这个特性对容错非常有用：连接到总线的任何设备都完全了解所有从属设备的活动，并且可以透明地获取或监听总线主控器与从属设备之间传输的数据。您无需修改任何从属设备、添加任何额外的信号或更改传输协议：这个特性不增加任何成本（除了更智能的主控器设备，当然需要一些成本）。

KPA EtherCAT Master 2 利用这种副作用，将另一个总线主控器（或多个主控器）引入总线中。在正常操作期间，冗余主控器处于被动状态，能够监听数据但不能发送自己的电报。被动主控器被视为次要的，而主动主控器是主要的。由于所有次要主控器与总线活动保持一致，它们随时准备取代主要主控器。

更重要的是，在检测到总线异常情况时，次要主控器不需要任何专用的控制设备或额外的信号线。正如您已经了解的，EtherCAT 电报按照常规的严格时间间隔到达。当次要被动主控器没有收到期望的电报时，它自信地知道总线上没有主控器了。无需等待当前周期结束 — 冗余主控器可以立即接管控制，发布自己的电报。而且这个电报将是正确和有意义的，因为次要主控器一直跟踪所有的变化，成为其故障对应物的真实克隆。

主控冗余的工作原理。

启用主控冗余的 EtherCAT 配置包括一个活动（主要）主控器设备和一个或多个被动（次要）主控器。主要主控器可能未配置为主控冗余，但最好使用 KPA EtherCAT Master 2 软件，以利用这项技术的所有优势。

次要主控器以影子代理的形式连接到总线。它在数据电报通过时嗅探数据而不做任何更改。同时，该主控器计算每个电报到达的时间，并跟踪期望到达时间和实际到达时间之间的可能延迟。

当电报延迟时，看门狗定时器启动。在经过主控器设置的时间后，主控器启动故障转移协议：

  1. 触发主控器的内部切换：此时主控器能够向总线写入数据。
  2. 次要主控器准备的新电报被写入总线。
  3. 在这个电报中，发送一个释放总线的请求给活动主控器，因为它可能仍然在线但遭受一些内部问题。我们绝对不希望之前的活动主控器在恢复后决定控制总线。
  4. 新的总线主控应用程序被通知已上线。

可以使用总线配置工具将活动主控器恢复为被动状态；另一个被动主控器将自动接管控制。

要启用多个冗余主控器，它们的看门狗定时器配置不同。可以强制每个主控器的看门狗定时器随机生成。这样，我们就避免了两个或多个次要主控器尝试启动故障转移协议时发生冲突的情况。

总结。

我们提出的这一特性可以保护工业通信网络免受其控制节点的严重且难以恢复的故障。它利用 EtherCAT 技术的架构特性，实现了一种具有成本效益的解决方案，极大地增加了容错能力，同时不损害其灵活性和性能。几乎任何支持 EtherCAT 的工业自动化系统都可以通过附加一个或多个控制器克隆来升级此功能，而只需稍微或甚至不需修改其逻辑。

如果您未使用 KPA EtherCAT Master 2 进行 EtherCAT 通信，我们的工程师将帮助您将其集成到您的控制系统中。他们的软件堆栈与几乎任何实时或通用操作系统兼容，并可以编译为不同的 CPU、微控制器和 FPGA。如果您不在兼容性列表中，他们将根据您的要求量身定制软件。