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EtherCAT-TwinCAT故障排查手册.pdf
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更新于2023-05-29
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EtherCAT 故障排查手册
一、
EtherCAT
及
TwinCAT
概述 ............................................ 2
1.1 EtherCAT 介绍 ............................................................................................................. 2
1.2 EtherCAT 通讯机制介绍 ............................................................................................... 3
1.3 TwinCAT 介绍 ............................................................................................................... 5
二、
EtherCAT
模块硬件诊断
.......................................................................................... 7
2.1 CX5020 模块介绍及硬件诊断 ....................................................................................... 7
2.2 EK1100 模块介绍及硬件诊断 ....................................................................................... 8
2.3 BK1250 模块介绍及硬件诊断 ....................................................................................... 9
三、
EtherCAT
软件诊断方法
........................................................................................ 11
3.1 WorkingCounter 的作用和 Sync unit 同步单元设置 .................................................... 11
3.1.1 WorkingCounter 的作用 .................................................................................... 11
3.1.2 同步单元设置原则 ............................................................................................ 11
3.1.3 同步单元的监测 ............................................................................................... 11
3.2 EtherCAT 主站的状态字诊断 ...................................................................................... 13
3.2.1 Frame State ..................................................................................................... 13
3.2.2 Frame Working Counter State ......................................................................... 13
3.2.3 Slave Count 和 CfgSlaveCount ....................................................................... 13
3.2.4 Device State Master ........................................................................................ 13
3.3 EtherCAT 从站状态字诊断 ......................................................................................... 14
3.4 通过 Tcsyslog 进行故障排查 ....................................................................................... 15
3.4.1 开通 FTP 功能 .................................................................................................. 15
3.4.2 开启 TcSyslog(故障记录文件功能) .........................................
错误
!
未定义书签。
3.4.3 通过 FTP 功能把 tcsyslog.txt 文件拷出 ............................................................ 16
3.4.4 查看并分析 TcSysLog 文件 .............................................................................. 17
3.5 CRC、change count 和 Online state 诊断 ................................................................. 17
3.5.1 CRC 与 change count ...................................................................................... 17
3.5.2 Online State 诊断............................................................................................. 18
3.6 EtherCAT 拓扑图 ........................................................................................................ 20
3.7 Emergency Scan ........................................................................................................ 21
四、典型的失效模式分类
.................................................................................................. 22
4.1 PLC 到通讯模块的连接失效 ....................................................................................... 22
4.2 模块与模块间的连接失效............................................................................................ 22
4.3 光电交换机的连接失效 .............................................................................................. 24
五、
EtherCAT
故障处理
.................................................................................................. 28
5.1 更换故障模块 .............................................................................................................. 28
5.2 CF 卡数据备份 ........................................................................................................... 29
1

一、
EtherCAT
及
Twin C AT
概述
1.1 EtherCAT 介绍
EtherCAT 技术突破了其他以太网解决方案的系统限制:通过该项技术,无需接收以太
网数据包,将其解码,之后再将过程数据复制到各个设备。
EtherCAT 从站设备在报文经过其节点时处理以太网帧:嵌入在每个从站中的 FMMU
(现场总线存储管理单元)在帧经过该节点时读取相应的编址数据,并同时将报文传输到下
一个设备。同样,输入数据也是在报文经过时插入至报文中。整个过程中,报文只有几纳秒
的时间延迟。
主站方面也非常经济,商用的标准网卡(NIC)或任何主板集成的以太网控制器可以用
作硬件接口。这些接口的共性就是数据通过 DMA(直接内存读取)传输至 PC,即网络读
取时无需占用 CPU 资源。
EtherCAT 协议在以太网帧内采用官方指定的以太类型。采用这种以太类型即可允许在
以太网帧内直接传输控制数据,而无需重新定义标准以太网帧。该以太网帧可由多种子报文
组成,每个子报文服务于逻辑过程映像区的特定内存区,该区域最大可达 4GB。数据序列
是独立于物理顺序的,所以以太网端子模块的编址可以随意排序。从站之间的广播,多播和
通讯也可得以实现。
EtherCAT 拥有杰出的通讯性能,接线非常简单,并对其它协议开放。传统的现场总线
系统已达到了极限,而 EtherCAT 则突破建立了新的技术标准——30 µs 内可以更新 1000
个 I/O 数据,可选择双绞线或光纤,并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成。使用
EtherCAT,可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构,无需昂贵的基础
组件。EtherCAT 还可以使用传统的交换机连接方式,以集 成其它的以太网设备。其它的
实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接,而 EtherCAT 只需要价格低廉的标准以太网卡
(NIC) 便可实现。
EtherCAT 特点:
(1)EtherCAT 是直达 IO 的实时通讯系统
(2)没有子系统
(3)无网关延时
(4)输入、输出、传感器、驱动、显示等所有的设备集成于一个系统中
2

1.2 EtherCAT 通讯机制介绍
组成一个基本的 EtherCAT 通讯网络所包含的组件有:嵌入式控制器、EtherCAT 总线耦
合器、EtherCAT 端子模块、CAT5 电 缆( 标准五类网线)、光纤等。EtherC AT 通讯 在 CAT5 电
缆上使用标准的 100BASE-TX 模式进行数据传输,在光纤上使用标准的 100BASE-FX 模式进
行数据传输。EtherC AT 总线耦合器后端可连接任何数目的 EtherCAT 端子和一个总线末端端
子,EtherCAT 耦合器将以太网 100BaseTX 的电报转换为 E-bus 信号在 EtherCAT 端子模块间
传输。每个 EtherCAT 从站设备都有 4 个 EtherCAT 的通讯口,分别是 Port0(A 口 ), Port1
(B 口 ), Port2(C 口)和 Port3(D 口)。如图 1.1 所示。掌握通讯口概念后,可以结合
Online state 和 CRC 校验对故障进行排查(详见 3.5 章)。
图 1.1 EtherCAT 从站通讯口
如果某个 port 口没有连接其他的 EtherCAT 从站,信号在经过该 port 口时,该 port 口
自动锁闭,信号会接着往下传输(对应图 1.1 中紫色线路)。
EtherCAT 从站使用通讯口的个数不同时,EtherCAT 帧的通讯顺序也不同。如表 1.1
所示。
通讯口个数
EtherCAT
数据帧顺序
2 0EtherCAT Processing Unit1 / 10
3
0EtherCAT Processing Unit1 / 12 / 20(使用 port0,1,2)
0EtherCAT Processing Unit3 / 31 / 10(使用 port0,1,3)
4 0EtherCAT Processing Unit3 / 31 / 12 / 20
表 1.1 EtherCAT 帧的通讯顺序
如果从站只有 2 个通讯口,结合图 1.1 和表 1.1,信号从左到右经过该模块时的过程如
3

下:EtherCAT 帧通过从站时,先从 port0(即 A 口)进入该模块;然后经过 EtherCAT
Processing Unit;port3(D 口)因为没有连接设备,所以该口在通讯时自动锁闭;信号从
port1(B 口)离开该从站模块。
信号从右到左经过该模块时的过程如下:
先从 port1(即 B 口)进入该模块;port2(C 口)因为没有连接设备,所以该口在通讯
时自动锁闭;信号从 port0(A 口)离开该从站模块。
图 1.2:各 类 EtherCAT 端子模块的端口标 示( 从左到右分别是一般 IO 模块,EK1110,EK1100,EK1521)
如果在通讯的过程中,模块通讯有问题,有问题模块的前面一个 EtherCAT 模块会自动
闭锁通讯口 B,使 EtherCAT 报文返回。见图 1.3。
如果在通讯的过程中,网线或者其他原因导致 Tx 和 Rx 线通讯均中断,这 时 ,EtherCAT
通讯的向右传输通道都是不正常的,EtherCAT 报文会在 Tx 和 Rx 线通讯中断前面的模块处
返回。见图 1.3。
图 1.3 有问题时,EtherCAT 报文的返回
如果在通讯的过程中,网线或者其他原因导致 Tx 线通讯正常,但是 Rx 线通讯断,这
时,EtherCAT 通讯的向右传输通道都是正常的,即 EtherCAT 主站可以发出报文,而且报
文能一直发送到拓扑结构的最后一个模块;然后 EtherCAT 报文从最后一个模块往回返,即
开始使用 Rx 通讯线,如果 Rx 通讯线有地方中断,EtherCAT 通信就会中断,不能返回到
EtherCAT 主站。EtherCAT 主站在 10 个周期接收不到发出的 Frames 的回复时,就会把自
身的 State 值设定为 INIT。见图 1.4。
图 1.4 Tx 线通讯正常,但是 Rx 线通讯断时,EtherCAT 报文无法返回到主站处
4

1.3 TwinCAT 介绍
TwinCAT 系统软件可通过多 PLC 系统、NC 轴控制系统、编程环境和操作站,将任何
兼容 PC“改造”成为一台实时控制器,而无需PC外的其他硬件。
TwinCAT System Manager(TSM)负责管理 TwinCAT 系统,是 TwinCAT 系统的配置中
心。TwinCAT PLC Control作为一种纯粹的软 PLC,TwinCAT PLC 允许在一个 PC 上实现 4 个
虚 拟“ PLC CPU”, 4套PLC可以独立启动和停止,储存区也相互独立,每个PLC最多可运行 4 个
用户任务。PLC 程序可使用多种语言编程,符合 IEC 61131-3标准。
TwinCAT 系统服务是在本机上作为 Windows NT的一个服务来运行的。在用户登录系统
前,WindowsNT就启动了TwinCAT System 服务 ,并在任务栏上生成作为TwinCAT活动标识的
图标:
红 ——————表示TwinCAT处在停止模式
蓝 ——————表示TwinCAT处在配置模式
黄 ——————表示TwinCAT正在启动
绿 ——————表示TwinCAT处在运行模式。
图 1.5 TwinCAT System Mangaer 界面介绍
System-Configuration中可设置Auto boot,Auto boot 项为RUN MODE 时, 目标机器的
TwinCAT 服务一启动, TwinCAT 就处于Running模式。Auto boot 项为Config MODE时, 目标机
器的TwinCAT服务一启动, TwinCAT就处于Config mode 模式。
System-Configuration中Base time(最低可设为
50uS)是一个时间片的概念,将Windows
操作系统的运行时间切成1ms一片,在1ms中运行plc的程序以及运动控制,由此保证了
5
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