EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一種高性能的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，專為實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它由德國(guó)貝克霍夫（Beckhoff Automation）公司于2003年推出，并且是一個(gè)開(kāi)放的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由EtherCAT技術(shù)集團(tuán)（ETG）進(jìn)行維護(hù)和推廣。

EtherCAT工作原理

EtherCAT的工作原理基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，但它采用了一種獨(dú)特的通信方式，突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制，使得數(shù)據(jù)傳輸更加高效。在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)是通過(guò)一個(gè)環(huán)形或線性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳遞的，每個(gè)從站（slave）設(shè)備都會(huì)讀取它需要的數(shù)據(jù)，然后立即將數(shù)據(jù)包傳遞給下一個(gè)從站，這個(gè)過(guò)程稱為“在通過(guò)時(shí)處理”（processing on the fly）。

流程框圖

技術(shù)細(xì)節(jié)

幀格式：EtherCAT使用以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)，但在幀內(nèi)部采用了特殊的封裝方法來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

主從架構(gòu)：一個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主站（master）控制，它負(fù)責(zé)初始化通信并處理所有的數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)交換：數(shù)據(jù)交換是通過(guò)一個(gè)或多個(gè)邏輯環(huán)（logical ring）完成的，每個(gè)從站都會(huì)根據(jù)自己的地址從幀中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)。

分布式時(shí)鐘：EtherCAT支持分布式時(shí)鐘（distributed clocks），這是一種同步機(jī)制，用于在網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備之間同步時(shí)間。

診斷功能：EtherCAT診斷能力遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的以太網(wǎng)。必要的診斷信息可以由EtherCAT通信芯片（ESC）直接在硬件或在軟件功能中提供，從站無(wú)需特殊的擴(kuò)展功能。

EtherCAT診斷功能

EtherCAT關(guān)鍵特性

①高速通信

EtherCAT能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，通常情況下，它使用100Mbit/s或1Gbit/s的以太網(wǎng)速度。

②高效數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)包在通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)被即時(shí)處理，而不需要等待整個(gè)數(shù)據(jù)幀被接收完畢。由于發(fā)送和接收的以太網(wǎng)幀壓縮了大量的設(shè)備數(shù)據(jù)，所以有效數(shù)據(jù)率可達(dá)90%以上。由于其獨(dú)特的通信機(jī)制，EtherCAT可以實(shí)現(xiàn)極低的通信延遲，通常在微秒級(jí)別。

③網(wǎng)絡(luò)性能

EtherCAT提升了網(wǎng)絡(luò)性能，借助于從站硬件集成和網(wǎng)絡(luò)控制器主站的直接內(nèi)存存取，整個(gè)協(xié)議的處理過(guò)程都在硬件中得以實(shí)現(xiàn)，完全獨(dú)立于協(xié)議堆棧的實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)、CPU性能或軟件實(shí)現(xiàn)方式。1000個(gè)I/O的更新時(shí)間只有30μs（其中包括I/O周期時(shí)間）。單個(gè)以太網(wǎng)幀最多可進(jìn)行1486字節(jié)的過(guò)程數(shù)據(jù)交換，幾乎相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字輸入和輸出，而傳送這些數(shù)據(jù)耗時(shí)僅為300μs。

④同步精度和實(shí)時(shí)性

EtherCAT支持非常精確的設(shè)備同步，這對(duì)于需要精確控制的應(yīng)用（如運(yùn)動(dòng)控制）非常重要。EtherCAT能滿足工業(yè)自動(dòng)化對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，可以在確定的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)交換。

⑤靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

EtherCAT支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括線性、樹(shù)狀、星形或任意組合，靈活拓?fù)?。EtherCAT擁有簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不需要使用交換機(jī)或集線器，節(jié)點(diǎn)之間可以直接串聯(lián)。一個(gè)EtherCAT網(wǎng)絡(luò)可以支持多達(dá)65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的容量幾乎沒(méi)有限制。

靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

⑥低成本易維護(hù)

由于EtherCAT可以在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件上運(yùn)行，因此可以降低系統(tǒng)的總體成本?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的有效性和試運(yùn)行時(shí)間關(guān)鍵取決于診斷能力。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的診斷和維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，快速排除故障，有助于減少停機(jī)時(shí)間。

技術(shù)轉(zhuǎn)換

①EtherCAT實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)（EoE）

EtherCAT技術(shù)具備標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備的一切特性，不僅完全兼容以太網(wǎng)，還可以在相同的物理層網(wǎng)絡(luò)中包容其它基于以太網(wǎng)的服務(wù)和協(xié)議，具有良好的開(kāi)放性。所有的以太網(wǎng)技術(shù)都可以在EtherCAT的環(huán)境中得以應(yīng)用。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)對(duì)以太網(wǎng)設(shè)備是完全透明，且對(duì)設(shè)備類型沒(méi)有限制，設(shè)備可通過(guò)交換機(jī)端口在EtherCAT段內(nèi)進(jìn)行連接。

對(duì)所有以太網(wǎng)協(xié)議完全透明

②EtherCAT實(shí)現(xiàn)CANopen（CoE）

CANopen設(shè)備和應(yīng)用行規(guī)廣泛用于多種設(shè)備類別和應(yīng)用，如I/O組件、驅(qū)動(dòng)、編碼器、液壓控制器及用于塑料或紡織行業(yè)的應(yīng)用行規(guī)等。EtherCAT可以提供與CANopen機(jī)制相同的通訊機(jī)制，包括對(duì)象字典、PDO（過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象）、SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象）甚至于網(wǎng)絡(luò)管理。因此，在已安裝CANopen的設(shè)備中，稍加變動(dòng)就能輕松實(shí)現(xiàn)EtherCAT，大部分的CANopen固件都得以重復(fù)利用。并且可以選擇性地?cái)U(kuò)展對(duì)象，以便利用EtherCAT所提供的巨大帶寬。

應(yīng)用場(chǎng)景

EtherCAT廣泛應(yīng)用于需要高速、實(shí)時(shí)通信的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，例如：機(jī)器人控制、動(dòng)控制系統(tǒng)、包裝機(jī)械、數(shù)控機(jī)床、測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、汽車組裝線。

EtherCAT作為一種高性能的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，通過(guò)其高速、低延遲和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中提供了可靠和高效的解決方案。過(guò)去20年里，EtherCAT的基本協(xié)議始終保持不變，并以完全向后兼容的方式進(jìn)行了擴(kuò)展，將EtherCAT 技術(shù)原理應(yīng)用于其它應(yīng)用層次。隨著工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展，EtherCAT的應(yīng)用范圍預(yù)計(jì)將進(jìn)一步擴(kuò)大。