EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）是一種高性能的工業以太網通信協議，專為實時工業控制系統設計。它由德國貝克霍夫（Beckhoff Automation）公司于2003年推出，并且是一個開放的國際標準，由EtherCAT技術集團（ETG）進行維護和推廣。

EtherCAT工作原理

EtherCAT的工作原理基于標準以太網技術，但它采用了一種獨特的通信方式，突破了其他以太網解決方案的系統限制，使得數據傳輸更加高效。在EtherCAT網絡中，數據是通過一個環形或線性的網絡結構傳遞的，每個從站（slave）設備都會讀取它需要的數據，然后立即將數據包傳遞給下一個從站，這個過程稱為“在通過時處理”（processing on the fly）。

流程框圖

技術細節

幀格式：EtherCAT使用以太網幀結構，但在幀內部采用了特殊的封裝方法來傳輸數據。

主從架構：一個EtherCAT網絡由一個主站（master）控制，它負責初始化通信并處理所有的數據交換。

數據交換：數據交換是通過一個或多個邏輯環（logical ring）完成的，每個從站都會根據自己的地址從幀中讀取或寫入數據。

分布式時鐘：EtherCAT支持分布式時鐘（distributed clocks），這是一種同步機制，用于在網絡中的所有設備之間同步時間。

診斷功能：EtherCAT診斷能力遠超傳統的以太網。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，從站無需特殊的擴展功能。

EtherCAT診斷功能

EtherCAT關鍵特性

①高速通信

EtherCAT能夠實現非常高的數據傳輸速率，通常情況下，它使用100Mbit/s或1Gbit/s的以太網速度。

②高效數據處理

數據包在通過每個節點時被即時處理，而不需要等待整個數據幀被接收完畢。由于發送和接收的以太網幀壓縮了大量的設備數據，所以有效數據率可達90%以上。由于其獨特的通信機制，EtherCAT可以實現極低的通信延遲，通常在微秒級別。

③網絡性能

EtherCAT提升了網絡性能，借助于從站硬件集成和網絡控制器主站的直接內存存取，整個協議的處理過程都在硬件中得以實現，完全獨立于協議堆棧的實時運行系統、CPU性能或軟件實現方式。1000個I/O的更新時間只有30μs（其中包括I/O周期時間）。單個以太網幀最多可進行1486字節的過程數據交換，幾乎相當于12000個數字輸入和輸出，而傳送這些數據耗時僅為300μs。

④同步精度和實時性

EtherCAT支持非常精確的設備同步，這對于需要精確控制的應用（如運動控制）非常重要。EtherCAT能滿足工業自動化對實時性的要求，可以在確定的時間內完成數據交換。

⑤靈活的拓撲結構

EtherCAT支持多種網絡拓撲結構，包括線性、樹狀、星形或任意組合，靈活拓撲。EtherCAT擁有簡化的網絡結構，不需要使用交換機或集線器，節點之間可以直接串聯。一個EtherCAT網絡可以支持多達65535個節點，網絡的容量幾乎沒有限制。

靈活的拓撲結構

⑥低成本易維護

由于EtherCAT可以在標準以太網硬件上運行，因此可以降低系統的總體成本。現場總線系統的有效性和試運行時間關鍵取決于診斷能力。EtherCAT網絡的診斷和維護相對簡單，快速排除故障，有助于減少停機時間。

技術轉換

①EtherCAT實現以太網（EoE）

EtherCAT技術具備標準以太網設備的一切特性，不僅完全兼容以太網，還可以在相同的物理層網絡中包容其它基于以太網的服務和協議，具有良好的開放性。所有的以太網技術都可以在EtherCAT的環境中得以應用。EtherCAT網絡對以太網設備是完全透明，且對設備類型沒有限制，設備可通過交換機端口在EtherCAT段內進行連接。

對所有以太網協議完全透明

②EtherCAT實現CANopen（CoE）

CANopen設備和應用行規廣泛用于多種設備類別和應用，如I/O組件、驅動、編碼器、液壓控制器及用于塑料或紡織行業的應用行規等。EtherCAT可以提供與CANopen機制相同的通訊機制，包括對象字典、PDO（過程數據對象）、SDO（服務數據對象）甚至于網絡管理。因此，在已安裝CANopen的設備中，稍加變動就能輕松實現EtherCAT，大部分的CANopen固件都得以重復利用。并且可以選擇性地擴展對象，以便利用EtherCAT所提供的巨大帶寬。

應用場景

EtherCAT廣泛應用于需要高速、實時通信的工業自動化領域，例如：機器人控制、動控制系統、包裝機械、數控機床、測試和測量設備、汽車組裝線。

EtherCAT作為一種高性能的工業以太網協議，通過其高速、低延遲和靈活的網絡拓撲設計，在自動化控制系統中提供了可靠和高效的解決方案。過去20年里，EtherCAT的基本協議始終保持不變，并以完全向后兼容的方式進行了擴展，將EtherCAT 技術原理應用于其它應用層次。隨著工業4.0和智能制造的發展，EtherCAT的應用范圍預計將進一步擴大。