以太CAT：驅動智能工廠、機器人和高通量行業的實時支柱

簡要

EtherCAT是一種高性能、確定性的工業Ethernet協議，提供超快的同步通信、可擴展的網路架構和簡化的集成。

在智能工廠和智能機器人時代，通信網路必須跟上日益嚴苛的實時要求。

EtherCAT – 是“以太網控制自動化技術”的縮寫 – 作爲一種高性能工業以太網協議，滿足了這些需求。

EtherCAT最初由Beckhoff Automation開發，現在由EtherCAT技術組管理，已成爲廣泛採用的自動化開放標準。它依賴於標準的IEEE 802.3以太網硬件(，包括普通的Cat5/Cat6電纜和熟悉的網卡)，這降低了成本並確保了易於互操作性。

EtherCAT網路中的主控制器可以在任何帶有以太網端口的計算機上實現，現成的EtherCAT從設備在許多制造商那裏都可以大量獲得。

這種對商品組件的使用意味着，即使是非常大的系統——在單一網路段上可能有數萬個節點——也可以以低成本得到支持。

以太網現場總線（EtherCAT）的核心在於通過僅允許主設備發送幀，並讓每個從設備在幀經過時“即時”處理和轉發幀，從而確保確定性通信。

在實際操作中，主設備每個週期組裝一個或多個以太網幀，並將它們注入網路，這些幀依次通過每個設備。每個從設備讀取其所需的數據，並立即將其響應寫回到同一幀中，然後再將數據包轉發到下遊。

因爲這一過程以線速進行——每個設備不必接收然後重新傳輸單獨的消息——所以通信開銷極低

與標準以太網不同，沒有碰撞或不可預測的等待，因此週期時間非常短，抖動也很小。事實上，即使在數百個設備的情況下，EtherCAT 也可以實現亞毫秒的週期，滿足硬實時要求。

EtherCAT的即時處理架構不僅提高了速度，還簡化了網路設計。從設備通常有兩個端口，可以以串聯、星形、環形*、樹形*或混合配置連接，全部無需專用網路交換機。

因爲每個從屬設備在兩個方向上轉發幀(，利用了電纜的全雙工對)，網路實際上形成了一個邏輯環，始終返回到主設備。

這種靈活的拓撲結構意味着安裝人員可以布置復雜的網路——例如，連接整個設施中的數千個傳感器、I/O模塊和驅動器——並仍然保持單循環環路。值得注意的是，EtherCAT 支持高級功能，如熱插拔 (在不停機的情況下添加或更換設備)，以及冗餘路徑以提高容錯能力，進一步減少維護停機時間。

EtherCAT的另一個關鍵特性是其高精度同步。網路中的所有從設備都通過分布式時鍾技術共享一個公共時間基準。主設備(或指定的參考從設備)發送時鍾信號，所有設備都將其本地硬件計時器鎖定到該信號。這些時鍾在硬件中進行校準，以便網路中的時鍾漂移保持在微秒以下。通過單個觸發，所有設備隨後同時更新其輸出並捕獲輸入。對於多軸運動控制或同步傳感器採樣等協調任務，這意味着每個執行器或測量點在完全相同的時刻操作。EtherCAT的同步精度通常以亞微秒範圍進行測量，這足夠嚴格，能夠控制數十個電機同步運行而不產生延遲。

EtherCAT：以確定性性能和可擴展控制推動高精度、AI就緒的工業自動化

所有這些屬性——確定性時序、動態數據處理、靈活布線和精確時鍾——使得EtherCAT特別適合於基於AI的自動化。

在運動控制和機器人技術中，該協議實現了子毫秒的更新週期和緊密同步的多軸操作，使其非常適合機器人關節、CNC機牀和伺服驅動系統。它在單個週期內以納秒級同步更新數十個驅動的能力確保了復雜機械的協調運動。

除了機器人技術，EtherCAT廣泛應用於一般機械自動化，連接伺服驅動器、傳感器、執行器和視覺系統，涉及包裝、印刷、半導體制造和裝配線等行業。其低延遲通信和簡單的布線簡化了包括I/O模塊、閥門、控制器和攝像頭在內的設備集成。高速生產設備也從EtherCAT中受益，特別是在需要精確時序和帶寬的行業，如半導體制造、汽車噴漆線、包裝系統、印刷機和風力渦輪控制。在半導體應用中，通常會實施專用的EtherCAT設備配置文件，以緊密同步運動和測量。

分布式測量和數據採集系統利用EtherCAT從模擬和數字I/O模塊、應變計和編碼器流式傳輸同步數據到中央控制器。這種能力支持運動捕捉、結構測試和多傳感器監測等應用，其中高吞吐量和精確的時序至關重要。EtherCAT還結合了功能安全協議，EtherCAT上的安全失效(FSoE)，允許SIL3級別的安全數據在同一網路上傳輸，從而實現安全級驅動和I/O，無需單獨的安全總線。

該協議擴展到其他領域，包括建築自動化、能源系統，如太陽能和風能，以及隧道和鐵路的基礎設施控制。在所有這些應用中，EtherCAT 的確定性通信、最小抖動和強大的同步提供了先進工業和 AI 驅動系統所需的可靠性能。

此外，EtherCAT 提供了一系列優勢，使其成爲工業自動化中的首選。其確定性的性能支持低於 100 微秒的週期時間，抖動低於一個微秒，即使在處理成千上萬的 I/O 點時也是如此。動態幀處理與全雙工以太網連結相結合，消除了衝突和延遲，使復雜控制回路的時間精度得以高度提升。在實際部署中，通道利用率可以達到約 90%，顯著超越傳統以太網或現場總線網路的效率。

該協議與標準以太網硬件兼容，允許主設備通過常規的 100 Mbit/s 或 1 Gb 以太網端口操作，而無需專用通信卡。雖然從設備需要專用的 EtherCAT 控制器芯片，但這些組件價格便宜，並且作爲 ASIC 或 FPGA 廣泛可用。雙端口架構支持靈活的網路布局，包括菊花鏈、樹形或環形拓撲，無需外部交換機。網路最多可以尋址 65,535 個設備，節點可以動態添加或移除，內置診斷功能有助於快速識別鏈路錯誤或故障段。

通過提供路徑冗餘的環形配置，增強了可靠性，確保即使電纜故障，通信也能繼續。工業級布線結合嵌入式診斷有助於高系統正常運行時間。EtherCAT 還集成了先進的功能，如納秒級同步的分布式硬件時鍾、熱插拔 I/O 和全面的診斷，且沒有額外成本。該協議包括安全以太網 (FSoE)，經過 SIL3 認證，允許在同一網路上進行安全等級通信。

作爲IEC 61158下的開放標準，並得到EtherCAT技術小組的支持，該協議在行業中得到了廣泛的應用，數以萬計的兼容產品來自數百家供應商。這個廣泛的生態系統確保了長期的互操作性和可用性。EtherCAT硬件具有成本效益，該協議的最小開銷允許在100 Mbit/s連結上實現高有效吞吐量。像EtherCAT P這樣的解決方案將電源和數據結合在一根電纜上，進一步減少了系統復雜性和安裝成本。

得到專家認可的高性能、可靠且直觀的自動化

EtherCAT在行業專家中廣泛認可，因其高性能和操作簡單。其協議效率允許實時數據交換，而無需專用主設備硬件，從而實現的帶寬水平顯著高於舊的現場總線。核心EtherCAT協議在過去二十多年中保持穩定，新功能以保持向後兼容的方式添加，確保工業系統的長期可靠性。這項技術經常被描述爲直觀和簡單，使其對負責高速控制和自動化的工程師特別具有吸引力。

自動化專業人士強調了EtherCAT的實時能力，包括最小的抖動、硬件同步的分布式時鍾以及對大量節點的支持。其低延遲、精確的通信特別適合運動控制和機器人技術，在這裏，替換傳統的現場總線或非確定性以太網網路可以實現更緊湊的運動曲線、更快的循環時間和整體系統性能的提升。EtherCAT還便於集中式PC控制，因爲控制器在每個週期接收統一的過程映像，消除了對主機CPU上手動位操作的需求。

一些從業者指出，EtherCAT在正確部署之前需要一個學習週期。有效使用要求理解分布式時鍾配置、網路拓撲規劃以及協議的數據結構，而診斷和故障排除則需要專業知識。盡管有這些考慮，行業共識表明，EtherCAT的性能、可擴展性和精度使其成爲大型高性能自動化項目的首選。

EtherCAT 2026：擴展帶寬、工業4.0集成與全球工業採用

EtherCAT 繼續在工業自動化領域擴展其影響力，得到了迅速增長的生態系統的支持。全球已安裝超過 7700 萬個 EtherCAT 節點，僅在 2023 年就新增超過 1800 萬個。EtherCAT 技術組目前包括來自 74 個國家的 7600 多家會員公司，使其成爲最大的工業現場總線社區。分析師預測，EtherCAT 部署到 2030 年的年均增長率約爲 10%，尤其受到汽車、電子、航空航天和能源行業的推動。北美目前佔據最大的區域份額，而亞太市場正經歷最快的增長。

最近的發展正在增強EtherCAT在要求苛刻的應用中的能力。千兆擴展，EtherCAT G和G10，將協議疊加在1 Gbit/s和10 Gbit/s以太網鏈路上，提供了顯著增加的帶寬，同時保持與現有設備的完全兼容。這些高速變體預計將在先進的機械中變得普遍，包括多軸機器人、X射線CT掃描儀和高通量制造生產線。EtherCAT P於2019年推出，將兩個獨立的24 V電源與單根四線電纜上的數據鏈路集成在一起，簡化了安裝並降低了布線成本。未來的EtherCAT P版本預計將擴大對類似以太網供電配置和更廣泛設備兼容性的支持。

與工業4.0標準的集成也在不斷推進。與OPC UA的合作旨在將EtherCAT設備數據映射到標準化模型中，從而實現對更高級別網路、雲系統或MES平台的I/O和診斷信息的安全訪問。EtherCAT的精簡EAP協議正在適配實時的OPC UA發布/訂閱通信，使控制器能夠在無需額外網關硬件的情況下暴露I/O。硬件制造商繼續在新組件中嵌入EtherCAT，包括具有原生從控制器的微控制器以及高性能伺服和步進驅動器，進一步鞏固了EtherCAT在現代工業運動和控制系統中的角色。盡管競爭對手正在探索時間敏感網路，但EtherCAT的實時處理已經提供超低延遲和確定性性能，確保其在自動化機械中的硬實時骨幹網路的持續相關性。