ÉtherCAT : L'épine dorsale en temps réel propulsant l'IA dans les usines intelligentes, la robotique et les industries à haut débit

En bref

EtherCAT est un protocole Ethernet industriel haute performance et déterministe qui offre une communication synchronisée ultra-rapide, une architecture réseau évolutive et une intégration simplifiée.

À l'ère des usines intelligentes et de la robotique intelligente, les réseaux de communication doivent suivre le rythme des exigences croissantes en temps réel.

EtherCAT – abréviation de « Ethernet for Control Automation Technology » – se distingue comme un protocole Ethernet industriel haute performance qui répond à ces besoins.

Développé à l'origine par Beckhoff Automation et maintenant géré par le groupe de technologie EtherCAT, EtherCAT est devenu un standard ouvert largement adopté pour l'automatisation. Il repose sur du matériel Ethernet standard IEEE 802.3 (, y compris des câbles Cat5/Cat6 ordinaires et des NIC familiers ), ce qui réduit les coûts et garantit une interopérabilité facile.

Le contrôleur maître dans un réseau EtherCAT peut être implémenté sur n'importe quel ordinateur doté d'un port Ethernet, et des dispositifs esclaves EtherCAT prêts à l'emploi sont largement disponibles auprès de nombreux fabricants.

Cette utilisation de composants standard signifie que même des systèmes très grands – potentiellement des dizaines de milliers de nœuds sur un seul segment de réseau – peuvent être soutenus à moindre coût.

Au cœur d'EtherCAT, la communication déterministe est assurée en permettant uniquement au maître d'envoyer des trames et en faisant en sorte que chaque esclave traite et transmet la trame “à la volée” au fur et à mesure de son passage.

Dans la pratique, le maître assemble un ou plusieurs trames Ethernet par cycle et les injecte dans le réseau, et ces trames circulent à travers chaque appareil à tour de rôle. Chaque esclave lit les données qui lui sont destinées et écrit immédiatement sa réponse dans la même trame, le tout avant de transmettre le paquet en aval.

Parce que cela se produit à la vitesse du fil – sans que chaque appareil ait à recevoir puis à retransmettre des messages séparés – la surcharge de communication est extrêmement faible

Il n'y a pas de collisions ni d'attentes imprévisibles comme dans l'Ethernet standard, donc les temps de cycle sont très courts et le jitter est minime. En fait, EtherCAT peut atteindre des cycles de moins d'une milliseconde même avec des centaines de dispositifs, satisfaisant ainsi aux exigences de temps réel strictes.

L'architecture de traitement en temps réel d'EtherCAT non seulement augmente la vitesse mais simplifie également la conception du réseau. Les dispositifs esclaves ont généralement deux ports et peuvent être câblés en ligne, en étoile, en anneau*, en arbre* ou en configurations mixtes, le tout sans nécessiter de commutateurs réseau dédiés.

Parce que chaque esclave envoie des trames dans les deux sens ( en tirant parti des paires duplex intégral du câble ), le réseau forme effectivement une boucle logique qui revient toujours au maître.

Cette topologie flexible signifie que les installateurs peuvent déployer des réseaux complexes – par exemple, relier des milliers de capteurs, de modules E/S et d'entraînements à travers toute une installation – tout en maintenant une boucle à cycle unique. Notamment, EtherCAT prend en charge des fonctionnalités avancées telles que le remplacement à chaud ( ajoutant ou remplaçant des dispositifs sans arrêter le système ) et des chemins redondants pour la tolérance aux pannes, réduisant encore le temps d'arrêt pour maintenance.

Une autre caractéristique clé d'EtherCAT est sa synchronisation de haute précision. Tous les esclaves du réseau partagent une base de temps commune grâce à la technologie de l'horloge distribuée. Le maître ( ou un esclave de référence désigné ) envoie un signal d'horloge auquel chaque appareil synchronise son minuteur matériel local. Ces horloges sont calibrées en matériel afin que le décalage horaire à travers le réseau soit maintenu sous une microseconde. Avec un seul déclencheur, tous les appareils mettent alors à jour leurs sorties et capturent les entrées simultanément. Pour des tâches coordonnées comme le contrôle de mouvement multi-axes ou l'échantillonnage synchronisé des capteurs, cela signifie que chaque actionneur ou point de mesure fonctionne exactement au même moment. La précision de synchronisation d'EtherCAT est souvent mesurée dans la plage des sous-microsecondes, ce qui est suffisamment serré pour régir des dizaines de moteurs se déplaçant en concert sans retard.

EtherCAT : Piloter l'automatisation industrielle de haute précision, prête pour l'IA, avec des performances déterministes et un contrôle évolutif

Tous ces attributs – un timing déterministe, une gestion des données à la volée, un câblage flexible et des horloges précises – rendent EtherCAT particulièrement adapté à l'automatisation pilotée par l'IA.

Dans le contrôle de mouvement et la robotique, le protocole permet des cycles de mise à jour de sous-millisecondes et un fonctionnement multi-axes étroitement synchronisé, ce qui le rend idéal pour les articulations robotiques, les machines CNC et les systèmes à entraînement servo. Sa capacité à mettre à jour des dizaines d'entraînements en un seul cycle avec une synchronisation au niveau des nanosecondes garantit un mouvement coordonné à travers des machines complexes.

Au-delà de la robotique, EtherCAT est largement appliqué dans l'automatisation générale des machines, connectant des servo-moteurs, des capteurs, des actionneurs et des systèmes de vision dans des secteurs tels que l'emballage, l'impression, la fabrication de semi-conducteurs et les lignes d'assemblage. Sa communication à faible latence et son câblage simple simplifient l'intégration des dispositifs, y compris les modules d'E/S, les vannes, les contrôleurs et les caméras. Les équipements de production haute vitesse bénéficient également d'EtherCAT, en particulier dans les secteurs nécessitant un timing précis et une bande passante, tels que la fabrication de semi-conducteurs, les lignes de peinture automobile, les systèmes d'emballage, les presses à imprimer et le contrôle des éoliennes. Dans les applications semi-conducteurs, des profils de dispositifs EtherCAT spécialisés sont souvent mis en œuvre pour synchroniser étroitement le mouvement et la mesure.

Les systèmes de mesure et d'acquisition de données distribués exploitent EtherCAT pour diffuser des données synchronisées provenant de modules I/O analogiques et numériques, de jauges de contrainte et d'encodeurs vers des contrôleurs centraux. Cette capacité prend en charge des applications telles que la capture de mouvement, les tests structurels et la surveillance multi-capteurs, où un débit élevé et un chronométrage précis sont essentiels. EtherCAT intègre également un protocole de sécurité fonctionnelle, Fail Safe over EtherCAT (FSoE), qui permet de transmettre des données de sécurité classées SIL3 sur le même réseau, permettant ainsi des entraînements et des I/O certifiés sans nécessiter un bus de sécurité séparé.

Le protocole s'étend à d'autres domaines, y compris l'automatisation des bâtiments, les systèmes énergétiques tels que l'énergie solaire et éolienne, et le contrôle des infrastructures dans les tunnels et les chemins de fer. Dans toutes ces applications, la communication déterministe d'EtherCAT, le minimum de gigue et la synchronisation robuste fournissent les performances fiables nécessaires aux systèmes industriels avancés et pilotés par l'IA.

De plus, EtherCAT offre une série d'avantages qui en font un choix privilégié dans l'automatisation industrielle. Ses performances déterministes prennent en charge des temps de cycle inférieurs à 100 microsecondes avec un jitter inférieur à une microseconde, même lors du traitement de milliers de points d'E/S. Le traitement de trames à la volée combiné à des liaisons Ethernet en duplex intégral élimine les collisions et les retards, permettant un timing extrêmement précis pour des boucles de contrôle complexes. L'utilisation des canaux dans des déploiements pratiques peut atteindre environ 90 pour cent, dépassant de manière significative l'efficacité des réseaux Ethernet ou fieldbus traditionnels.

Le protocole est compatible avec le matériel Ethernet standard, permettant aux maîtres de fonctionner via des ports Ethernet conventionnels de 100 Mbit/s ou 1 Gb sans cartes de communication spécialisées. Bien que les dispositifs esclaves nécessitent des puces de contrôleur EtherCAT dédiées, ces composants sont bon marché et largement disponibles sous forme d'ASIC ou de FPGA. L'architecture à double port prend en charge des configurations de réseau flexibles, y compris les topologies en chaîne, en arbre ou en anneau, sans avoir besoin de commutateurs externes. Les réseaux peuvent adresser jusqu'à 65 535 dispositifs, et des nœuds peuvent être ajoutés ou retirés à la volée, avec des diagnostics intégrés aidant à identifier rapidement les erreurs de liaison ou les segments défectueux.

La fiabilité est renforcée grâce à des configurations en anneau qui offrent une redondance de chemin, garantissant que la communication continue même si un câble échoue. Le câblage de qualité industrielle combiné à des diagnostics intégrés contribue à un temps de fonctionnement élevé du système. EtherCAT intègre également des fonctionnalités avancées telles que des horloges matérielles distribuées pour une synchronisation au niveau de la nanoseconde, des I/O hot-pluggables et des diagnostics complets, le tout sans coût supplémentaire. Le protocole inclut la sécurité sur EtherCAT (FSoE), certifié SIL3, permettant une communication certifiée en matière de sécurité sur le même réseau.

En tant que norme ouverte sous IEC 61158 et soutenue par le groupe de technologie EtherCAT, le protocole bénéficie d'une large adoption dans l'industrie avec des dizaines de milliers de produits compatibles provenant de centaines de fournisseurs. Cet écosystème étendu garantit l'interopérabilité et la disponibilité à long terme. Le matériel EtherCAT est rentable, et le faible surcoût du protocole permet un débit efficace élevé même sur des liaisons à 100 Mbit/s. Des solutions comme EtherCAT P, qui combinent puissance et données sur un seul câble, réduisent encore la complexité du système et le coût d'installation.

Approuvé par des experts pour une automatisation haute performance, fiable et intuitive

EtherCAT est largement reconnu par les experts de l'industrie pour ses performances élevées et sa simplicité opérationnelle. Son efficacité protocolaire, qui permet un échange de données à la volée sans nécessiter de matériel maître spécialisé, permet des niveaux de bande passante significativement plus élevés que ceux des anciens bus de terrain. Le protocole EtherCAT de base est resté stable pendant plus de deux décennies, avec de nouvelles fonctionnalités ajoutées de manière à maintenir la compatibilité ascendante, garantissant ainsi une fiabilité à long terme pour les systèmes industriels. La technologie est souvent décrite comme intuitive et simple, ce qui la rend particulièrement attrayante pour les ingénieurs responsables du contrôle à haute vitesse et de l'automatisation.

Les professionnels de l'automatisation soulignent les capacités en temps réel d'EtherCAT, y compris un jitter minimal, des horloges distribuées synchronisées par matériel et la prise en charge d'un grand nombre de nœuds. Sa communication précise et à faible latence est particulièrement adaptée au contrôle de mouvement et à la robotique, où le remplacement des bus de terrain hérités ou des réseaux Ethernet non déterministes permet des profils de mouvement plus serrés, des temps de cycle plus rapides et une amélioration des performances globales du système. Le contrôle centralisé basé sur PC est également facilité par EtherCAT, car les contrôleurs reçoivent une image de processus unifiée à chaque cycle, éliminant ainsi le besoin de manipulation manuelle des bits sur le CPU hôte.

Certains praticiens notent qu'EtherCAT nécessite une période d'apprentissage pour un déploiement approprié. Une utilisation efficace exige une compréhension de la configuration de l'horloge distribuée, de la planification de la topologie du réseau et de la structure des données du protocole, tandis que le diagnostic et le dépannage nécessitent des connaissances spécialisées. Malgré ces considérations, le consensus de l'industrie indique que les performances, l'évolutivité et la précision d'EtherCAT en font un choix privilégié pour les projets d'automatisation à grande échelle et à haute performance.

EtherCAT 2026 : Expanding Bandwidth, Intégration Industrie 4.0 et Adoption Industrielle Mondiale

EtherCAT continue d'élargir sa présence dans l'automatisation industrielle, soutenu par un écosystème en pleine croissance. Plus de 77 millions de nœuds EtherCAT sont installés dans le monde entier, avec plus de 18 millions ajoutés rien qu'en 2023. Le groupe de technologie EtherCAT compte désormais plus de 7 600 entreprises membres dans 74 pays, ce qui en fait la plus grande communauté de bus de terrain industriels. Les analystes prévoient un taux de croissance annuel d'environ 10 % pour les déploiements EtherCAT jusqu'en 2030, en particulier dans les secteurs de l'automobile, de l'électronique, de l'aérospatiale et de l'énergie. L'Amérique du Nord représente actuellement la plus grande part régionale, tandis que le marché Asie-Pacifique connaît la croissance la plus rapide.

Les développements récents améliorent les capacités d'EtherCAT pour des applications exigeantes. Les extensions Gigabit, EtherCAT G et G10, superposent le protocole sur des liaisons Ethernet de 1 Gbit/s et 10 Gbit/s, offrant une bande passante considérablement augmentée tout en maintenant une compatibilité totale avec les appareils existants. Ces variantes haute vitesse devraient devenir courantes dans les machines avancées, y compris la robotique multi-axes, les scanners CT à rayons X et les lignes de fabrication à haut débit. EtherCAT P, introduit en 2019, intègre deux alimentations indépendantes de 24 V avec le lien de données sur un seul câble à quatre fils, simplifiant l'installation et réduisant les coûts de câblage. Les futures itérations d'EtherCAT P devraient élargir le support pour des configurations similaires à l'alimentation par Ethernet et une compatibilité plus large des appareils.

L'intégration avec les normes de l'industrie 4.0 progresse également. Les initiatives avec OPC UA visent à mapper les données des dispositifs EtherCAT dans des modèles standardisés, permettant un accès sécurisé aux informations d'E/S et de diagnostic à travers des réseaux de niveau supérieur, des systèmes cloud ou des plateformes MES. Le protocole EAP léger d'EtherCAT est en cours d'adaptation pour la communication OPC UA Publish/Subscribe en temps réel, permettant aux contrôleurs d'exposer les E/S sans nécessiter de matériel de passerelle supplémentaire. Les fabricants de matériel continuent d'intégrer EtherCAT dans de nouveaux composants, y compris des microcontrôleurs avec des contrôleurs esclaves natifs et des entraînements servo et pas à pas haute performance, consolidant ainsi le rôle d'EtherCAT dans les systèmes modernes de mouvement et de contrôle industriel. Bien que le Time-Sensitive Networking soit exploré par des concurrents, le traitement en temps réel d'EtherCAT offre déjà une latence ultra-faible et des performances déterministes, assurant sa pertinence continue en tant que colonne vertébrale temps réel stricte au sein des machines automatisées.