CN102325019B - 一种实时工业以太网EtherCAT冗余系统的时钟同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时工业以太网EtherCAT冗余系统的时钟同步方法，用PC机作为主站，连接若干个EtherCAT从站组成EtherCAT冗余系统，PC机上装有两个网卡，分别为网卡1和网卡2，主站包括发送单元和接收单元；所述时钟同步方法包括以下步骤：A1，主站进行故障判别及故障检测步骤，根据判别和检测结果选择不同帧传输策略，A2，计算传输时延，A3，修正从站时间。可以实现EtherCAT冗余机制和分布时钟的兼容，一方面可保证系统出现单点故障时主从站能正常通信，提高通信可靠性；另一方面可保证冗余系统主从站的时间同步，不影响系统的协同工作。
Description
技术领域
本发明涉及实时工业以太网领域，具体针对EtherCAT网络发生单点故障时如何保证系统的正常通信和协同工作，提出了一种实时工业以太网EtherCAT冗余系统的时钟同步方法。
背景技术
工业以太网领域中的实时性是指通过网络传送的数据必须在预先确定的时间内从源传送到目的地。EtherCAT是一种开放的实时以太网通信协议，数据的传输是在一个确定的时间中通过一个专用的服务通道进行的，主站发送的数据帧通过每一个从站时，EtherCAT从站控制器读取主站发给该从站的数据，同时将输入数据插入至数据帧中并将帧转发至所连接的下一个从站，网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的数据返回，该数据由第一个从站返回到主站。
由于通信采用了这种逻辑环结构，通过分布式时钟算法，可以保证主从站之间高精度的时钟同步。同时，这种逻辑环结构带来了一定的问题，一旦系统中间某个节点或者链路出现故障，其后续所有节点均不能实现正常通信，如果主站程序基于TwinCAT软件开发，主站设备可以使用双网卡，引入冗余机制，使得当EtherCAT系统中从站节点、线缆或者网卡发生故障时，保证未发生故障的从站能正常通信且设备更换时不会导致网络瘫痪，提高了系统可靠性和可维护性。
但是，EtherCAT目前还不能即实现冗余又实现系统时钟同步。因为它的帧传输策略是两个以太网卡同时发送EtherCAT帧，然后对两个网卡收到的帧再进行重新组合，进行后续处理。这样就破坏了EtherCAT分布时钟同步机制中时间同步帧需依次经过各从站的ESC 0端口和1端口的机制，主站无法计算各从站到参考时钟从站的传输时延，系统无法进行时间同步。虽然能保证出现单点故障时，不影响主从站通信，但所有站点无法协同工作，对于大部分基于EtherCAT的应用来说，也就毫无意义。
术语说明：
EtherCAT：Ethernet Controller Technology的缩写，一种实时工业以太网技术，采用“接收即转发”而不是存储转发的通信方式，主站发送以太网帧给各从站，各从站从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧。
MAC：Media Access Control的缩写，即媒体访问控制子层协议，该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责连接与控制物理层的物理介质。
FIFO：First In First Out的缩写，是一种先进先出的数据缓存器。
WKC：Working Counter的缩写，EtherCAT子报文中的工作计数器，记录了子报文被从站操作的次数。
发明内容
本发明目的是针对上述存在的问题，提出了一种兼容冗余机制和时间同步机制的新方案，该方案采用了新的帧传输策略和传输时延计算方法，保证发生故障时系统的正常协同工作。
本发明采用如下技术方案；
一种实时工业以太网EtherCAT冗余系统的时钟同步方法，用PC机作为主站，连接若干个EtherCAT从站组成EtherCAT冗余系统，PC机上装有两个网卡，分别为网卡1和网卡2，主站包括发送单元和接收单元；所述时钟同步方法包括以下步骤：A1，主站进行故障判别及故障检测步骤，根据判别和检测结果选择不同帧传输策略，A2，计算传输时延，A3，修正从站时间。
所述的时钟同步方法，所述进行故障判别及故障检测步骤，网卡1和网卡2各自维护的一个FIFO以及一个故障指示位，网卡1的FIFO1存放的是主站发出并且已经从网卡2收到但还未从网卡1收到的时间同步帧序号，而网卡2的FIFO2存放的是主站发出并且还未从网卡2收到的时间同步帧序号。
所述的时钟同步方法，所述的帧传输策略包括以下四种情况：
(a)正常工作帧传输策略：非时间同步帧由网卡1发送，经过各从站节点的处理，由网卡2接收，经接收单元交给上层进行后续处理；时间同步帧由网卡1发送，经过各从站节点的处理，网卡2接收后，再由网卡2发送，经过上行链路环回至网卡1，经接收单元交给上层进行后续处理；
(b)节点或者中间线路帧传输策略：所有帧由网卡1发送，遍历至故障点处环回，经网卡1接收，交由接收单元处理，接收单元把帧交给发送单元，由网卡2发出，网卡2发出的帧经上行链路遍历至故障点处再经过从站的处理后环回，由网卡2接收，经接收单元交给上层进行后续处理；
(c)网卡2故障帧传输策略：所有帧由网卡1发送，遍历至最后一个从站故障点处环回，经网卡1接收，经接收单元交给上层进行后续处理；
(d)网卡1故障帧传输策略：所有帧由网卡2发送，反向经上行链路到达第一个从站环回，由网卡2接收，经接收单元交给上层进行后续处理。
所述的时钟同步方法，所述的传输时延计算方法包括计算正常工作、中间链路或节点故障、网卡1故障和网卡2故障四种工作状态下各从站和主站到参考时钟从站的传输时延。
本发明的方法其方法包括冗余系统分别在正常工作、网卡故障、链路故障和节点故障时，帧传播策略能保证时间同步帧经过所有站点的0端口和1端口；主站的双网卡各自维护一个FIFO，对接收帧判别以决定帧的去向；主站进行故障检测，以决定帧如何传输；主站根据系统当前工作状态，计算各从站到参考时钟的时延，实现系统的时间同步。本发明可以实现EtherCAT冗余机制和分布时钟的兼容，一方面可保证系统出现单点故障时主从站能正常通信，提高通信可靠性；另一方面可保证冗余系统主从站的时间同步，不影响系统的协同工作。
附图说明
图1为冗余系统的组成；
图2为冗余系统实现时钟同步时主站工作流程图；
图3为冗余系统正常工作非时间同步帧传输策略示意图；
图4为冗余系统正常工作时间同步帧传输策略示意图；
图5为正常工作时传输时延计算示意图；
图6为冗余系统链路故障帧传输策略示意图；
图7为中间链路或节点故障时传输时延计算示意图；
图8为冗余系统网卡2故障帧传输策略示意图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实例，对本发明进行进一步详细说明。
系统组成参照图1，使用PC机作为主站，连接若干个EtherCAT从站组成EtherCAT冗余系统，PC机上装有两个网卡，分别为网卡1(MAC1)和网卡2(MAC2)。若系统各部分都正常工作，按照正常工作时的时钟同步过程执行时钟同步；系统出现故障时，通过故障检测与判断，判断出故障类型，按照相应单点故障时的时钟同步方法执行时钟同步，系统工作流程参照图2。下面对冗余系统各工作状态下时钟同步过程进行详细介绍。
一、冗余系统正常工作时的时钟同步过程
(1)正常工作帧传输策略：参照图3，发送单元102把非时间同步帧由MAC1103发送，经过各从站节点的处理，由MAC2104接收，经MAC2104根据帧序号判断出此帧为非时间同步帧，则此帧由接收单元101交给上层进行数据通信，传输路线如图3中实线所示；
参照图4，发送单元102把时间同步帧由MAC1103发送，经过各从站节点的处理，MAC2104接收后，根据帧序号判断出此帧是时间同步帧，直接再由MAC2104发送，经过上行链路环回至MAC1103，MAC1103根据帧序号判断得知这是正常工作时环回的时间同步帧，则经接收单元101交给上层进行时间同步，传输路线如图4所示。
(2)传输时延的计算
EtherCAT系统时钟同步中，正确计算各个从站到参考时钟的时延是问题关键所在。正常工作时传输时延的计算参照图5，主站10根据读回的各从站接收数据帧的时间，计算各从站到参考时钟的传输时延，算法如下：
下述公式中各参数的含义如表1所示：
表1各参数描绘
| 参数 | 参数描绘 |
| tXY | 从站X到从站Y的传输时延 |
| tXM | 从站X到主站的传输时延 |
| tX0tX1 | 数据帧到达从站X端口0/1时的本地时间 |
| tP | 处理时延(假定所有从站的处理时延相同) |
| tF | 转发时延(假定所有从站的转发时延相同) |
| tDiff | 处理时延和转发时延之差tDiff＝tP-tF(假定所有从站处理转发时延均相同) |
| tref_X | 参考时钟到从站X或主站M的传输时延 |
| TMT1/TMT2 | 数据帧到达主站MAC1/MAC2时的本地时间 |
| TMR1/TMR2 | 数据帧到达离开MAC1/MAC2时的本地时间 |
(a)主站10首先计算从站B 60到从站C 70的传输时延：
tBC＝((TB1-TB0)-(TC1-TC0)+tDiff)/2
(b)主站10计算从站A 50到从站B 60的传输时延：
tAB＝((TA1-TA0)-(TB1-TB0)+tDiff)/2
(c)主站10计算从站A 50到主站10的传输时延：
tAM＝((TMR1-TMT1)-(TA1-TA0)+tF)/2
(d)主站10计算各从站和主站10到参考时钟从站A 50的传输时延：
tRef_B＝tAB
tRef_C＝tAB+tBC
tRef_M＝TA1-TA0+tAM
(3)正常工作时不断修正从站时间的过程
主站将各从站的传输时延，发送给相应从站，各从站保存该时间值，主站不断发送时间同步帧，将参考时钟时间写给各从站，各从站根据接收到数据帧的时间及传输时延修正本地时间，实现时钟同步。
二、冗余系统链路或节点故障时的时钟同步过程
(1)故障判别及故障检测
主站10的MAC1103和MAC2104都维护一个FIFO，MAC1103的FIFO1存放的是主站发出并且已经从MAC2104收到但还未从MAC1103收到的时间同步帧序号，而MAC2104的FIFO2存放的是主站发出并且还未从MAC2104收到的时间同步帧序号。主站还需要维护一个故障指示符，其含义如表2所示。
表2故障指示符含义
| 故障指示符 | 含义 |
| 0 | 无故障 |
| 1 | 中间节点或线路故障 |
| 2 | 网卡1故障 |
| 3 | 网卡2故障 |
在冗余系统中MAC2104、MAC1103、接收单元101需要通过判断来决定对已接收帧如何处理，过程如下：
(i)当故障指示符为0时，主站每发出一个时间同步帧，就会把此帧的序列号写入到MAC2104的FIFO2中，发送非时间同步帧，不对MAC2104的FIFO2做任何操作；MAC1103和MAC2104需要对帧序号进行判定；
(ii)当故障指示符为1时，不再维护FIFO1和FIFO2，且MAC1103和MAC2104不对帧序号进行判定；
(iii)一旦得知网卡1故障，故障指示符置2，所有帧从MAC2104发出，不再维护FIFO1和FIFO2，且MAC2104不对帧序号进行判定；
(iv)一旦得知网卡2故障，故障指示符置3，所有帧从MAC1103发出，不再维护FIFO1和FIFO2，且MAC1103也不对帧序号进行判定；
(v)然后MAC2104、MAC1103、接收单元101收到帧判决规则如下：
(a)当MAC2104从PHY收到帧，故障指示符为1或2，帧交由接收单元进行后续处理；故障指示符为0，则查看FIFO2是否非空：
(a1)若FIFO2为空，则表明没有等待接收的时间同步帧，此帧就由MAC2104交由接收单元101进行后续处理。
(a2)若FIFO2非空，则遍历FIFO2与收到的帧序号比较：
(a21)若FIFO2中有等于帧序号的序号，此帧为时间同步帧，一方面从网卡2环回，并把FIFO2中此序号及小于帧序号的序号都删除(FIFO2中小序号的时间同步帧在下行链路中已丢失)；另一方面把序号写入到MAC1103的FIFO1中，告知MAC1103这是由MAC2104环回的时间同步帧，等待接收；
(a22)若FIFO2中没有等于帧序号的序号，此帧为非时间同步帧，把此帧交给接收单元进行后续处理；并把FIFO2中小于帧序号的序号删除(FIFO2中小序号的时间同步帧在下行链路中已丢失)。
(b)当MAC1103从PHY收到数据帧，故障指示符为1或3，帧交由接收单元101进行后续处理；故障指示符为0，查看FIFO1是否非空：
(b1)若FIFO1为空，表明系统出现故障，此帧应交给接收单元101进一步判断故障类型，如下所述；
(b2)若FIFO1非空，则遍历FIFO1与收到的帧序号比较：
(b21)若FIFO1中有等于帧序号的序号，此帧是由MAC2104环回的时间同步帧，指示并交给接收单元进行后续处理，并删除该序号及小于帧序号的序号都删除(FIFO2中小序号的时间同步帧在上行链路中已丢失)；
(b21)若FIFO1中没有等于帧序号的序号，表明系统出现故障，此帧应交给接收单元101进一步判断故障类型，如下所述；并删除FIFO2中小于帧序号的序号(由MAC2104环回的时间同步帧在上行链路中丢失或者出现故障第二次环回至MAC2104)。
(c)接收单元101在主站发送单元102发送数据帧后的一段时间内(此时间值跟网络规模有关，即从站数目增多，时间值需相应设长)未收到MAC1103递交的帧，说明网卡1出现故障，故障指示符置2，发送单元102将帧交由MAC2104发送。
(d)当接收单元101收到MAC1103递交的帧，故障指示符为1或3，帧直接进行后续处理；故障指示符为0，对帧进行判断：
(d1)若是正常工作环回的时间同步帧(由MAC1103的FIFO指示)，直接进行后续处理；
(d2)若不是正常工作环回的时间同步帧，则检查环回数据帧的WKC，数据帧经过每个从站时，从站对数据帧进行了正确的处理(读或写)，WKC就会加一，主站在发帧之后，保存一个预期WKC值，如果环回数据帧的WKC是与预期WKC相同，表明数据帧经过了所有的从站，即此时的故障为网卡2故障，故障指示符置3，此帧已经经过正确处理，对其进行后续处理；
(d3)若不是正常工作环回的时间同步帧，但WKC与预期WKC不同，表明此时的故障为中间链路或者节点故障，并未经过所有节点，故障指示符置1，根据WKC的值得知对数据帧进行正确处理的从站，最后一个对数据帧进行正确处理的从站的下一个从站或与下一个从站之间的链路，即为发生故障点，然后将此帧交由网卡2发出，根据检测出的故障点，进行后续的时延计算，。
(e)发送单元102收到接收单元101的帧，则交由MAC2104发出。
(f)接收单元101收到MAC2104递交帧，直接递交上层进行后续处理。
(2)节点或者中间线路故障时帧传输策略：参照图6，所有帧由MAC1103发送，遍历至故障点从站i 30处环回，经MAC1103接收，交由接收单元101处理，接收单元101把帧交给发送单元102，由MAC2104发出，MAC2104发出的帧经上行链路遍历至故障点处再经过从站的处理后环回，由MAC2104接收，经接收单元101交给上层进行后续处理。传输路线前半程如图6中直线所示，后半程如图6中虚线所示。
(3)链路或节点故障时传输时延计算方法
链路或节点故障时传输时延的计算参照图7，主站10根据读回的各从站接收数据帧的时间，计算各从站到参考时钟的传输时延，算法如下：
(a)主站10首先计算从站B 60到从站C 70的传输时延：
tBC＝(TB1-TB0)/2
(b)主站10计算从站A 50到从站B 60的传输时延：
tAB＝((TA1-TA0)-(TB1-TB0)+tDiff)/2
(c)主站10计算从站A50到主站10的传输时延：
tAM＝((TMR1-TMT1)-(TA1-TA0)+tF)/2
(d)主站10计算主站10到从站E 90的传输时延：
tME＝((TMR2-TMT2)-(TE0-TE1)-tP)/2
(e)主站10计算从站D 80到从站E 90的传输时延：
tDE＝((TE0-TE1)-2tF+tP)/2
(f)主站10计算各从站和主站10到参考时钟从站A 50的传输时延：
tRef_B＝tAB
tRef_C＝tAB+tBC
tRef_M＝TA1-TA0+tAM
tRef_E＝tRef_M+(TMT2-TMR1)+tME+(TE0-TE1)
tRef_D＝tRef_E-tDE
(4)链路或节点故障时修正从站时间的过程和正常工作时相同。
三、冗余系统网卡1故障时的时钟同步过程
(1)网卡1故障时，帧传输策略：所有帧由MAC2104发送，反向经上行链路到达从站120数据帧环回，由MAC2104接收，经接收单元101交给上层进行后续处理。
(2)网卡1故障时的传输时延计算方法同链路或节点故障中(参照图7)从站E 90故障时的方法相同。
(2)网卡1故障时的修正从站时间的过程同正常工作时相同。
四、冗余系统网卡2故障时的时钟同步过程
(1)网卡2故障时，帧传输策略：所有帧由MAC1103发送，遍历至故障点从站N 40环回，经MAC1103接收，经接收单元101交给上层进行后续处理，传输路线如图8虚线所示。
(2)网卡2故障时的传输时延计算
网卡2故障时，时间同步帧传输路线如图8所示，由图可见，此时各从站到参考时钟从站的传输时延与正常工作时相同，无需重新计算传输时延，主站可继续进行主从站之间的数据通信过程。
(3)网卡2故障时修正从站时间的过程
网卡2故障时，主站需在数据通信过程中不断发帧修正各从站时间，修正过程与正常工作时相同。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉该技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的改变或替换，都涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种实时工业以太网EtherCAT冗余系统的时钟同步方法，其特征在于，用PC机作为主站，连接若干个EtherCAT从站组成EtherCAT冗余系统，PC机上装有两个网卡，分别为网卡1和网卡2，主站包括发送单元和接收单元；所述时钟同步方法包括以下步骤：A1，主站进行故障判别及故障检测步骤，根据判别和检测结果选择不同帧传输策略；所述的帧传输策略包括以下四种情况：
(a)正常工作帧传输策略：非时间同步帧由网卡1发送，经过各从站节点的处理，由网卡2接收，经接收单元交给上层进行后续处理；时间同步帧由网卡1发送，经过各从站节点的处理，网卡2接收后，再由网卡2发送，经过上行链路环回至网卡1，经接收单元交给上层进行后续处理；
(b)节点或者中间线路故障帧传输策略：所有帧由网卡1发送，遍历至故障点处环回，经网卡1接收，交由接收单元处理，接收单元把帧交给发送单元，由网卡2发出，网卡2发出的帧经上行链路遍历至故障点处再经过从站的处理后环回，由网卡2接收，经接收单元交给上层进行后续处理；
(c)网卡2故障帧传输策略：所有帧由网卡1发送，遍历至最后一个从站故障点处环回，经网卡1接收，经接收单元交给上层进行后续处理；
(d)网卡1故障帧传输策略：所有帧由网卡2发送，反向经上行链路到达第一个从站环回，由网卡2接收，经接收单元交给上层进行后续处理；
A2，计算传输时延，A3，修正从站时间。
2.根据权利要求1所述的时钟同步方法，其特征在于，所述进行故障判别及故障检测步骤，网卡1和网卡2各自维护的一个FIFO以及一个故障指示位，网卡1的FIFO1存放的是主站发出并且已经从网卡2收到但还未从网卡1收到的时间同步帧序号，而网卡2的FIFO2存放的是主站发出并且还未从网卡2收到的时间同步帧序号。
3.根据权利要求1所述的时钟同步方法，其特征在于，所述的传输时延计算方法包括计算正常工作、中间链路或节点故障、网卡1故障和网卡2故障四种工作状态下各从站和主站到参考时钟从站的传输时延。
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| CN101902292A (zh) * | 2009-12-30 | 2010-12-01 | 西安大唐电信有限公司 | 一种基于光传输网络的utc高精度时间同步方法 |
| CN101963811A (zh) * | 2010-10-29 | 2011-02-02 | 深圳市大族激光科技股份有限公司 | 通讯控制器及基于该通讯控制器的工业控制系统 |
| CN102096407A (zh) * | 2011-01-28 | 2011-06-15 | 中电普瑞科技有限公司 | 一种基于EtherCAT技术的链式STATCOM控制系统 |
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2011
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Patent Citations (3)
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