EtherCAT环网冗余技术：FCE1100、FCE1353芯片助力工业控制系统可靠性升级

一、EtherCAT环网冗余介绍

EtherCAT环网冗余技术是通过环形网络拓扑结构，有效提升工业控制系统可靠性的通信解决方案。当主站开启冗余模式，若从站物理链路断开或节点发生故障，可确保其他从站设备的通信不受影响，维持系统持续运行。正常冗余模式下，将总线上从站的首尾两端分别连接到主站设备后，数据仅沿一个方向传输。当网络出现中断时，数据流会立即在中断点两侧反向传输，形成一个更小但仍然完整的线性网络，确保未故障从站的通信不受影响。

二、冗余模式通信对比示例

正常通信

线性结构拓扑图正常通信(冗余)

环形冗余结构示意图异常通信(冗余)

三、冗余功能实现要求

1.支持冗余的EtherCAT从站控制器(ESC)：从站设备中的ESC必须支持环网冗余功能，这通常要求其具备两个或以上独立的以太网端口，以及内置的端口交换逻辑或回环控制逻辑。方芯的ESC芯片(FCE1100、FCE1353系列等)都原生满足上述要求。

2.支持冗余的EtherCAT主站：主站软件必须能够配置和管理冗余环网，需具有两个及以上网卡通信模块。

3.正确的物理连接：严格依照环形拓扑结构进行布线，将第一台从站的逻辑IN端口与最后一台从站的末端逻辑OUT端口，分别连接到主站的两个端口。

注：FCE1353是一款Pin to Pin对标Microchip LAN9253/9252的3端口EtherCAT从站设备控制器芯片(ESC)。该芯片集成双以太网电流型PHY，具备抗干扰能力强、信号完整性高和稳定性好的优点，且提供全双工100BASE-TX支持及HP Auto-MDIX功能，配备8K字节双端口存储器(DPRAM)、8个SyncManager、8个现场总线存储器管理单元(FMMU)和一个64位分布式时钟。同时，该芯片集成LAN9252及后续版本的新增功能，支持多个过程数据接口(SPI/SQI、HBI)，可满足客户对周期时间、集成度和系统级成本的要求，广泛应用于电机控制、多节点自动化系统及嵌入式通信领域。

FCE1100是一款管脚Pin to Pin对标BECKHOFF ET1100的EtherCAT从站控制器ASCI芯片，配备4个数据收发端口、8个FMMU单元与8个SM通道，拥有4KB控制寄存器及8KB过程数据存储器，支持64位分布时钟功能。它可直接作为32位数字量输入/输出站点使用，或通过外部微处理器控制以构建复杂从站设备。主要应用于总线型伺服、步进系统、I/O模块及EtherCAT交换机方案。

四、EtherCAT环网冗余搭建示例

本次搭建以TwinCAT 3作为主站，主站版本3.1.4024.66，从站使用方芯半导体背板方案，充分利用其在工业自动化领域高速、高精度的通信优势，具体步骤如下：

1.将网卡#1连接到第一台从站设备，正常扫描拓扑。

从站设备处于正常OP状态。

拓扑结构如下所示：

2.随机断开一台从站模拟设备故障，故障设备后级的所有从站通信均中断，如下图所示：

3.恢复故障设备连接，所有从站通信恢复正常。

此时，将主站的第二个端口连接到最后一台从站的OUT口，从站状态如下：

5.按下图所示启用主站第二端口：

6.点击左上角“Reload Devices”，刷新从站状态。

从站状态恢复至OP状态。

拓扑结构显示环网搭建完成：

7.随机断开一台从站模拟设备故障，故障设备未影响其他从站正常通信：

8.恢复故障设备连接，所有从站恢复正常通信。

五、总结

EtherCAT环网冗余是一种高效且经济的解决方案，它通过简单的物理环形布线，结合智能的从站和主站功能，实现了毫秒级的故障恢复能力。EtherCAT技术，作为工业自动化系统的关键基石，因其高速通信、低延迟、高精度和高可靠性等特点，在汽车制造、半导体生产线、包装机械等对连续运行要求极高的领域，得到广泛应用。