EtherCAT 2021 信息更新

针对控制自动化技术的以太网 (EtherCAT) 基金会创立于近 40 年前。如今，基于以太网的现场总线系统已经在 IEC 61158 中实现了标准化，并在各种先进的工业自动化应用中成为不可或缺的标准。

图 1：这是 EtherCAT 标准徽标。（图片来源：EtherCAT Technology Group）

20 世纪 80 年代中期，多家自动化制造商在见证以太网的兴起后，想知道是否有可能在工厂车间利用上这种技术的优点。有些在基于 PC 的控制系统方面有经验的人知道，以太网的物理硬件并不适合工业应用。较麻烦的是，当时的 TCP/IP 协议和计算能力对于最先进的自动化来说，速度太慢。再加上以太网的数据并不是确定性的。另一方面，安装的节点数量呈指数级增长——而且连接以太网非常简单，只要克服了它的局限性，以太网方式将是一种实用的架构，其成本远低于现有的现场总线。

图 2：这块 LAN9252 DIGIO 板就是一个纯硬件的 EtherCAT 从站设备，可以在没有连接 MCU 的情况下工作。该板通过 RJ45 插座或光纤接口实现双网络连接，从而通过 SFP 模块进行通信。该板在交付时已预先配置好，上电后将作为 EtherCAT 从站出现在主机上。（图片来源：Microchip Technology）

EtherCAT 的早期起源和核心要素

以太网的一个早期改进是强化 RJ45 插头到蓝线的连接。为了在工业环境中使用，这种连接器需要实现牢固、防水的连接，能够承受磨损、冲击和多次弯曲。见证以太网成为一种使能技术的电缆制造商们开始推出这种连接器——最初用于基于标准 TCP/IP 协议和已经在使用的开放系统互连 (OSI) 七层标准的工业以太网 (IE) 控制。

图 3：工业以太网电缆可确保数据传输不受影响，并具有坚固耐磨的结构，以防止代价高昂的停机时间并保持机器安全、可靠地运转。（图片来源：Getty Images）

这种物理连接补充了新式工业控制，在其主板上安装了数据采集卡——并且能够处理数据和为简单的过程提供控制信号。在自动化中更多地使用以太网是合乎逻辑的第一步，对于那些非时间敏感性事件（或者是如温度、流量和湿度等变化相当缓慢的过程变量），这样的安排就很好。

然而，基于 PC 的自动化控制仍然遥不可及：数据包冲突导致时序不一致，任务无法与较高级操作所需的瞬间时序同步——比如高速生产线上的瓶子检测或包装机器内的飞刀操作。这种自动化需要一种新的方法，多家制造商提出了多种不同的解决方案。其中采用的最广泛的是 EtherCAT。

EtherCAT 于 2003 年首次发布，在基于以太网的通信选项中，EtherCAT 拥有（并且仍然拥有）最快的周期时间，因此迅速成为工厂自动化的首选网络和控制架构。需要注意的是：为了要充分利用 EtherCAT 以满足工业自动化对速度和确定性的要求，总线必须有快速控制硬件来提供补充；在许多情况下，控制硬件依赖于处理 EtherCAT 功能的控制装置中的应用特定集成电路或 ASIC。

EtherCAT 实现确定性的基本结构

EtherCAT 使用以太网数据报文结构建立起了主站（主控装置）及其与工厂车间中的从站（节点）传感器和执行器的关系。那些廉价的小型 ASIC 驻留在每个节点中，以提升这种配置的性能。

图 4：具有 100 Mb 物理层 (PHY) 的 TMC8462 EtherCAT 从站控制器能够实现实时通信。其双开关稳压器电源和 24 V I/O 对工业环境中的速度提供了补充。从站 MC8462 控制器通常与看门狗、PWM 和 SPI/I²C 主站单元配对，以通过设备仿真模式或使用外部 CPU 实现高级功能。（图片来源：TRINAMIC Motion Control）

以下是其工作原理：沿着 EtherCAT 环形拓扑传输的报文从主站控制器开始，然后遍历所有节点。在每个节点上，都有准备卸载的指令以及准备将其信息添加到报文中的数据包。当报文通过节点时，不会放慢速度，每个节点的 ASIC 都会协调高速信息交换，然后报文会快速离开并进入下一个节点。一旦它完成一个完整的循环，所有信息都会在控制器内更新，另一个数据包会被发送到轨道上。这种方案是 EtherCAT 结构所固有的，并可以防止数据包冲突，同时确保数据在每个周期结束时都能即时提供给控制器。只有主站（控制器）才可以发布报文。

这个例子使用的是环形拓扑，但它是一个全双工系统，所以如果一个网段中的最后一个节点是开放的，那么这个节点就会把数据包从线路发回主站。

为了确保数据的确定性，EtherCAT 使用了分布式时钟。在这里，主站控制器向所有节点发送一个数据包，作为响应这些节点会将其内部时钟锁定两次——第一次是在收到数据包时，第二次是在返回主站时。这样的例程（事实上可以重复多次）提供了与每个节点相关的传播延迟的直接测量值。然后将计算出的延迟结果加载到偏移时钟中。最后，主站将序列中的第一个节点设置为总线上所有其他节点的参考时钟。

EtherCAT 可以配置为定期更新该延迟，甚至是每个周期都更新。快速数据循环时间和分布式时钟的结合，使得整个系统在 100Mb/s 的数据速率下，抖动小于 0.1 毫秒，因此足以胜任大多数工业任务。

图 5：自动化机器高性能控制的关键是最小的响应时间以及确定性的数值采集和输出。只要输出组件中的结果能够在下一个需要的时间点之前输出，那么什么时候进行通信和计算就无关紧要了。EtherCAT 提供了这种功能，当一些输入（数值采集）进入分立式 EtherCAT 控制环路时，该数值就会被传送（通信）到控制器，然后由控制器计算响应。（图片来源：EtherCAT Technology Group）

EtherCAT 还有一个内置的时间管理功能。某些传感器、执行器和系统严重依赖实时控制；伺服电机、安全设备和电梯只是几个例子。通过允许对系统主站控制器进行编程以优先考虑关键数据，EtherCAT 系统可以设置成支持这些组件和系统。不太关键的组件就会得到较少的数据请求和更新，而关键组件得到的数据请求和更新则更为频繁。

最新 EtherCAT 功能时间表

EtherCAT 的核心可以追溯到 Beckhoff Automation Lightbus（1989 年发布）和 2003 年的 Fast Lightbus（采用以太网电缆）。2005 年，EtherCAT 规范发布，2007 年作为现场总线标准被编入 IEC 61158。有了一个合法的国际标准后，Beckhoff 和其他制造商迅速开发出了各种物理硬件和软件以利用 EtherCAT 的功能，同时保持向后的兼容性。

管理 EtherCAT 标准的是 EtherCAT 技术组 (ETG)——一个由 OEM 厂商和最终用户组成的行业组织，他们分享开发成果，确保 EtherCAT 兼容设备的互操作性。其中，这个小组开发了一个名为一致性测试工具 (CTT) 的兼容性测试仪，用于验证新设备是否符合互操作性标准。

众多行业非常认可 EtherCAT，为该标准的持续创新提供了支持。

2008：采用 XFC 的分布式时钟推出——分布式时序特征是 EtherCAT 通信操作的核心，已在本文上一节进行了介绍。但值得补充的是，分布式 EtherCAT 时钟是 Beckhoff eXtreme Fast Control (XFC) 技术的一部分，该技术要求所有 EtherCAT 设备都有自己的时钟，并与 EtherCAT 系统上的所有其他时钟连续同步。EtherCAT 会对不同组件的不同通信运行时间进行补偿，以将时钟之间的偏差控制在 100 纳秒以内。带时间戳的数据用于细化单个报文中特定控制参数的时序。分布式系统时钟保证了所有系统时钟同步到 100 纳秒以内，控制事件的时序通常受周期时间的限制。有了 XFC，带时间戳的数据可用于数据周期之间的激活（和事件），以进行快速、高精度的控制——并且以 200 kHz 的数据采样率实现最小的数据噪声。

图 6：该网关允许将串行 RS-232/422/485 组件连接到 EtherCAT 控制系统。它称为 Anybus Communicator，用于执行智能协议转换，以将串行数据作为简单的 I/O 数据发送到主站 PLC 或控制器。（图片来源： HMS Connecting Devices）

2010：各种 EtherCAT 开发软件环境出现——EtherCAT 的初步引入刺激了软件的发布，简化了集成，同时提供了越来越多的带模块的软件，简化了应用特定自动化功能的集成。其中第一个模块目标针对机床行业及其所需的 PLC、NC、CNC 和机器人控制。如今，促进 EtherCAT 使用的软件越来越多地与 IEC 61131-3 代码以及 C/C++、Visual Studio、MATLAB 和 Simulink 环境的编程兼容。后者的开发可以在实现前建立、模拟和优化控制系统。

2011：EtherCAT 电缆简化了伺服轴的电源和数据——多年来，运动系统（在自动化中无处不在）的集成商一直抱怨伺服轴需要多条电缆用于电机控制、电源和反馈。使用单根电缆来传输不同电压等级的电源和混合信号类型，会产生信号噪声、电平位移和串扰。但是，大约 10 年前，运动组件供应商（对电缆护套、屏蔽、电容抑制、导体尺寸以及排列方式都非常关注）开始将单电缆（电源和数据）EtherCAT 电缆解决方案推向市场。如今，这些产品（如 EtherCAT P 电缆）可用于伺服电机轴以及其他兼容的现场设备。

2014 至 2017：更多支持多轴和机器视觉系统推出——这些年，EtherCAT 软件允许堆叠硬件，以扩展多轴装置，并具有一系列内置安全功能（如 STO、SOS、SS1、SS2），在需要灵活和模块化部署的机器人和贴装操作中最为有用。这些年来，基于 EtherCAT 的机器视觉也得到了更多的支持——这与 EtherCAT 固有的高速处理方法自然而然地契合，可以轻松地支持机器视觉的实时数据需求。有些软件甚至可以将机器视觉任务直接集成到机器的编程中，以实现基于 EtherCAT 的控制，从而简化检测、机器人和质量控制任务。

2018：具有向后兼容性的更快 EtherCAT 版本推出——EtherCAT G（速度为 1 Gb/s）和 EtherCAT G10（速度为 10 Gb/s）满足了市场上日益强大的自动化控制器的需要，同时允许使用原有的 EtherCAT 结构。有了这些网络，所有过程都与 EtherCAT 的原始迭代相同（包括分布式时钟系统），但这里的问题是，一些现场设备难以承受更快的周期时间。解决这个问题的方法是 EtherCAT 分支控制器（连接节点），以适应 1 Gb/s 的回路以及 100 Mb/s 的回路阵列。

2018 年以来：更多的 EtherCAT 硬件和软件选择以及物联网支持——近年来，EtherCAT 网络化工业组件和集成系统的推出速度不断加快。市面上已经出现了带有利用 EtherCAT 的机器学习模块的软件——以及基于云的工程服务和通过 EtherCAT 兼容网关的访问。这意味着拥有或使用 EtherCAT 网络机器的终端用户现在可以交换源代码，进行系统仿真，甚至利用机器信息进行物联网分析，这对于在地理上分开的制造现场操作机器的终端用户来说特别有用。截至 2020 年 8 月中旬，ETG 已经发放了 3000 多个会员企业ID。

结语

大约 40 年前，工业自动化行业开始追求如何利用以太网的普遍性和强大的工业通信能力。如今，基于以太网的通信和控制已经不是什么新鲜事，而是许多场合下的黄金标准。EtherCAT 的功能组合使之成为目前市场上所有支持以太网的总线中性价比最高的总线之一。凭借其对工业 4.0 和 IIoT 装置理念的支持，EtherCAT 在未来的自动化转型中仍将是不可或缺的。