[發明專利]一種實時工業以太網EtherCAT冗余系統的時鐘同步方法

無效

• 申請號: 201110242223.5
• 申請日: 2011-08-23
• 公開（公告）號: CN102325019A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 姚明旿;張靜;邱智亮;滕斌;張國瑞;梁明澤;劉旭;付強;王寶亮;潘偉濤;鮑民權;劉煥峰;史琰
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04L7/00
• 分類號: H04L7/00;H04L1/22;H04L12/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及實時工業以太網領域，具體針對EtherCAT網絡發生單點故障時如何保證系統的正常通信和協同工作，提出了一種實時工業以太網EtherCAT冗余系統的時鐘同步方法。

背景技術

工業以太網領域中的實時性是指通過網絡傳送的數據必須在預先確定的時間內從源傳送到目的地。EtherCAT是一種開放的實時以太網通信協議，數據的傳輸是在一個確定的時間中通過一個專用的服務通道進行的，主站發送的數據幀通過每一個從站時，EtherCAT從站控制器讀取主站發給該從站的數據，同時將輸入數據插入至數據幀中并將幀轉發至所連接的下一個從站，網段中的最后一個EtherCAT從站將經過充分處理的數據返回，該數據由第一個從站返回到主站。

由于通信采用了這種邏輯環結構，通過分布式時鐘算法，可以保證主從站之間高精度的時鐘同步。同時，這種邏輯環結構帶來了一定的問題，一旦系統中間某個節點或者鏈路出現故障，其后續所有節點均不能實現正常通信，如果主站程序基于TwinCAT軟件開發，主站設備可以使用雙網卡，引入冗余機制，使得當EtherCAT系統中從站節點、線纜或者網卡發生故障時，保證未發生故障的從站能正常通信且設備更換時不會導致網絡癱瘓，提高了系統可靠性和可維護性。

但是，EtherCAT目前還不能即實現冗余又實現系統時鐘同步。因為它的幀傳輸策略是兩個以太網卡同時發送EtherCAT幀，然后對兩個網卡收到的幀再進行重新組合，進行后續處理。這樣就破壞了EtherCAT分布時鐘同步機制中時間同步幀需依次經過各從站的ESC?0端口和1端口的機制，主站無法計算各從站到參考時鐘從站的傳輸時延，系統無法進行時間同步。雖然能保證出現單點故障時，不影響主從站通信，但所有站點無法協同工作，對于大部分基于EtherCAT的應用來說，也就毫無意義。

術語說明：

EtherCAT：Ethernet?Controller?Technology的縮寫，一種實時工業以太網技術，采用“接收即轉發”而不是存儲轉發的通信方式，主站發送以太網幀給各從站，各從站從數據幀中抽取數據或將數據插入數據幀。

MAC：Media?Access?Control的縮寫，即媒體訪問控制子層協議，該協議位于OSI七層協議中數據鏈路層的下半部分，主要負責連接與控制物理層的物理介質。

FIFO：First?In?First?Out的縮寫，是一種先進先出的數據緩存器。

WKC：Working?Counter的縮寫，EtherCAT子報文中的工作計數器，記錄了子報文被從站操作的次數。

發明內容

本發明目的是針對上述存在的問題，提出了一種兼容冗余機制和時間同步機制的新方案，該方案采用了新的幀傳輸策略和傳輸時延計算方法，保證發生故障時系統的正常協同工作。

本發明采用如下技術方案；

一種實時工業以太網EtherCAT冗余系統的時鐘同步方法，用PC機作為主站，連接若干個EtherCAT從站組成EtherCAT冗余系統，PC機上裝有兩個網卡，分別為網卡1和網卡2，主站包括發送單元和接收單元；所述時鐘同步方法包括以下步驟：A1，主站進行故障判別及故障檢測步驟，根據判別和檢測結果選擇不同幀傳輸策略，A2，計算傳輸時延，A3，修正從站時間。

所述的時鐘同步方法，所述進行故障判別及故障檢測步驟，網卡1和網卡2各自維護的一個FIFO以及一個故障指示位，網卡1的FIFO1存放的是主站發出并且已經從網卡2收到但還未從網卡1收到的時間同步幀序號，而網卡2的FIFO2存放的是主站發出并且還未從網卡2收到的時間同步幀序號。

所述的時鐘同步方法，所述的幀傳輸策略包括以下四種情況：

(a)正常工作幀傳輸策略：非時間同步幀由網卡1發送，經過各從站節點的處理，由網卡2接收，經接收單元交給上層進行后續處理；時間同步幀由網卡1發送，經過各從站節點的處理，網卡2接收后，再由網卡2發送，經過上行鏈路環回至網卡1，經接收單元交給上層進行后續處理；

(b)節點或者中間線路幀傳輸策略：所有幀由網卡1發送，遍歷至故障點處環回，經網卡1接收，交由接收單元處理，接收單元把幀交給發送單元，由網卡2發出，網卡2發出的幀經上行鏈路遍歷至故障點處再經過從站的處理后環回，由網卡2接收，經接收單元交給上層進行后續處理；

(c)網卡2故障幀傳輸策略：所有幀由網卡1發送，遍歷至最后一個從站故障點處環回，經網卡1接收，經接收單元交給上層進行后續處理；