近年來，制造業中電子產品的使用取得了巨大的飛躍，主要得益于德國政府領導的工業4.0等智能制造計劃。物聯網（IoT）帶來的行業動力也對制造業自動化產生了重大影響。實際上，采用工業物聯網（IoT）這一短語，體現了物聯網的基本概念，這些概念與大量數據收集和分析高度相關，即任何智能工廠實施的控制方面都需要。在許多方面，IIoT被認為是一種連接和控制方法，能夠比其他基于物聯網的項目更快地提供生產力和利潤。

自21世紀初以來，工業自動化系統已在工廠實施。在那個階段，使用了許多專有通信協議和網絡拓撲將自動化設備連接在一起。這幾乎沒有影響制造商的互操作性，并將工廠的實施與潛在的供應商聯系起來。除此之外，以太網已經成為IT世界中的網絡協議，盡管許多缺點使其在工廠自動化項目中的應用受到限制。

標準以太網的主要挑戰是MAC層無法支持實時低延遲數據傳輸。該協議專為在企業網絡中傳輸大量信息而設計，不適合移動工業控制所需的相對少量的信息。例如，控制閥門需要非常少的信息才能使其轉動，并且傳感器需要報告其當前的打開/關閉狀態。另一方面是，對于以太網，網絡的控制權歸屬于與之相連的設備，因此很難預測什么時候會傳輸。對于時間關鍵的制造過程而言，這是一個主要問題。

制造機器人，閥門，執行器等的控制必須以確定的方式進行。運行中的自動化設備的診斷還需要在控制指令過程中的非常確定的響應，使得可以在執行任何其他指令之前立即停止操作。還應注意，診斷的重點不僅在于受控設備（例如電動機，致動器或閥門）的操作，而且還涉及網絡和相關網絡硬件的操作。德國制造商Beckhoff已經看到了以太網的廣泛應用潛力，并開發了自己的現場總線協議，以糾正標準以太網中的低帶寬和確定性。這被稱為EtherCAT ?（以太網用于控制自動化技術），現在已成為開放標準，已被數千家自動化設備供應商采用。

圖1：典型的EtherCAT主/從安排

EtherCAT拓撲結構是主/從配置，主設備不需要特殊硬件，標準PC是合適的。主/從配置的示例如圖1所示。該協議具有“即時處理”方法，該方法允許網絡上的每個節點在數據傳遞到下一個節點時讀取數據。星形拓撲還具有內置冗余，可補償布線中的潛在中斷，從診斷的角度來看，可以向EtherCAT主站報告。圖2顯示了EtherCAT從站配置示例。此外，由于強調時序和確定性行為，EtherCAT符合IEEE 1588精確時間協議標準，并具有低抖動率。發送時主設備和接收設備上的從設備對每個數據幀的時間戳記允許主設備自我校準以準確地知道向從設備發送消息的可能時間。 EtherCAT幀通過從設備的傳播以獨特的順序進行，提供輸出/控制數據，但也在返回主設備之前收集輸入數據。在每個EtherCAT數據報的最后是一個稱為工作計數器的16位計數器，它允許檢測錯誤，例如從站是否已正確讀取數據以及是否能夠寫入數據，向主站突出顯示錯誤以采取相應措施行動。這為數據通信和從站操作提供了內置診斷功能。在診斷級別，如果其中一個軸的從控制器沒有響應其正確的值響應，則工作計數器的示例將立即停止多軸電機運動控制器。另一個例子是從機中的時鐘同步失敗，導致整個過程中實時確定性行為的丟失。工作計數器還將指示一組從站的丟失，可能是由于網絡電纜故障或主要機器的電源故障。從機將始終在數據報中給出響應，因此它們的丟失將使主機能夠標記問題。

圖2：示例EtherCAT從機配置

EtherCAT從站設備可作為單芯片解決方案提供，既包含微處理器，也包含FPGA和EtherCAT從控制器，或者將專用從控制器集成到現有設計中。兩者都有相對優點，具體取決于應用要求，但單芯片解決方案往往更節省電路板空間，并且材料成本更低。

獨立EtherCAT從控制器的一個例子是Microchip的LAN9252。提供雙10/100以太網收發器，LAN喚醒和獨立數字I/O接口，可輕松連接大多數嵌入式微控制器或微處理器。它針對廣泛的電機運動控制，液壓和氣動閥門系統，還具有網絡電纜支持。圖3顯示了LAN9252的框圖。

圖3：Microchip LAN9252內部框圖

并行接口提供對主機MCU/MPU總線以及可用GPIO和串行外設接口的訪問。這些可用于與主機一起實施機械診斷，但更有可能從主機進行。 LAN9252還具有電纜診斷功能，具有兩種操作模式：時域反射計（TDR）和匹配電纜診斷。除了對故障的電纜長度估計之外，TDR模式還可以檢測TX或RX對上的開路或短路布線。匹配的電纜診斷功能可為最長120米的故障估算提供電纜長度。有關此技術的完整技術說明，請參見LAN9252數據表。

Microchip LAN9252-EVB-LAN9252-HBI提供全面的評估套件。請參見圖4.

圖4：Microchip LAN9252評估板

評估板提供對LAN9252功能的完全訪問權限，特別是主機總線接口和GPIO，并使用板載Microchip PIC32單片機作為主機。

單芯片SoC EtherCAT從站的一個例子是英飛凌的XMC4800系列。采用ARM?Cortex?-M4，浮點單元，運行頻率高達144 MHz，閃存和片上RAM，高分辨率PWM通道，支持多達6個串行通道，EtherCAT從器件和大量ADC/DAC模擬I/XMC4800是真正的單芯片解決方案。圖5突出顯示了XMC4800的框圖。

圖5：英飛凌XMC4800框圖

該系列設備的目標是高端工業自動化和控制應用。除EtherCAT功能外，還包含4和8通道PWM定時器，適用于電機控制應用，如圖6所示。

圖6：采用XMC4800的英飛凌雙電機控制

XMC4800具有多種GPIO和串行外設功能，非常適合連接與受控機械相關的各種診斷傳感器。溫度傳感器，振動檢測器以及安全聯鎖和限位開關可輕松集成到終端設計中，以便提供對設備的監控，確保可靠運行的可靠性。

提供EtherCAT從站控制器功能以及Trinamic的TMC8460不需要依賴主機CPU的資源就可以增強IO功能。針對電機運動控制應用，該器件集成了PWM和Step/Dir IO外設，無需通過主機MCU的固件進行路由，因此可顯著減少數據報，從而控制延遲并適應盡可能接近真實應用的應用 - 需要時間操作。通過添加一組可從MCU或EtherCAT主站訪問的綜合外設，8460包含一個獨立模式，允許將集成外設直接映射到總線寄存器。圖7顯示了使用I/O模塊模式運行的TMC8460的原理圖，它可以降低軟件開銷并為主機MCU提供實時硬件支持。

圖7：處于I/O模式下的TMC8460

使用EtherCAT主站可訪問的TMC8460寄存器組合并設備診斷監控數據，可以近乎實時地響應設備故障或故障，并且在極端情況下提供了一種在最小的設備損壞的情況下停止整個操作的方法。

維持生產資產可靠運行的能力，以最短的停機時間，需要實時監控整個制造過程各級設施。本文中提到的設備與相關傳感器一起為機器本身以及連接它們的EtherCAT網絡的所有方面提供了實現此功能的能力。此外，軟件工具可以更深入地分析EtherCAT網絡和從站的運行情況。在更高層次上，診斷構成維護，維修和運營（MRO）學科的基本組成部分，許多制造商使用資本密集型生產資產。機器對機器通信和物聯網的最初概念源于許多MRO功能的自動化，而今天的IIoT將有助于進一步推動智能工廠計劃。