簡介

EtherCAT主張“以太網控制自動化技術” 。 它是一個開放源代碼，高性能的系統，目的是利用以太網協議（最惠國待遇系統局域網），在一個工業環境，特別是對工廠和其他制造業的關注，其中利用機器人和其他裝備線上的技術。EtherCAT是IEC規范（IEC/PAS 62407）。

原理

目前有多種用于提供實時功能的以太網方案：例如，通過較高級的協議層禁止CSMA/CD存取過程，并使用時間片或輪詢過程來取代它。其它方案使用專用交換機，并采用精確的時間控制方式分配以太網數據包。盡管這些解決方案能夠比較快和比較準確地將數據包傳送到所連接的以太網節點，但帶寬的利用率卻很低，特別是對于典型的自動化設備，因為即使對于非常小的數據量，也必須要發送一個完整的以太網幀。而且，重新定向到輸出或驅動控制器，以及讀取輸入數據所需的時間主要取決于執行方式。通常也需要使用一條子總線，特別是在模塊化I/O系統中，這些系統與Beckhoff K-總線一樣，通過同步子總線系統加快傳輸速度，但是這樣的同步將無法避免引起通訊總線傳輸的延遲。

通過采用EtherCAT技術， Beckhoff突破了其它以太網解決方案的這些系統限制：不必再像從前那樣在每個連接點接收以太網數據包，然后進行解碼并復制為過程數據。當幀通過每一個設備（包括底層端子設備）時，EtherCAT從站控制器讀取對于該設備十分重要的數據。同樣，輸入數據可以在報文通過時插入至報文中。在幀被傳遞 （僅被延遲幾位）過去的時候，從站會識別出相關命令，并進行處理。此過程是在從站控制器中通過硬件實現的，因此與協議堆棧軟件的實時運行系統或處理器性能無關。網段中的最后一個EtherCAT從站將經過充分處理的報文返回，這樣該報文就作為一個響應報文由第一個從站返回到主站。

從以太網的角度看，EtherCAT總線網段只是一個可接收和發送以太網幀的大型以太網設備。但是，該“設備”不包含帶下游微處理器的單個以太網控制器，而只包含大量的EtherCAT從站。與其它任何以太網一樣，EtherCAT不需要通過交換機就可以建立通訊，因而產生一個純粹的EtherCAT系統。

實現

系統的每個設備都保證使用完整的以太網協議，甚至每個I/O端子亦如此，無需使用子總線。只需將耦合器的傳輸介質由雙絞線（100baseTX）轉換為E總線即可滿足電子端子排的要求。端子排內的E總線信號類型（LVDS）并不是專用的，它還可用于10千兆位以太網。在端子排末端，物理總線特性被轉換回 100baseTX 標準。

標準以太網MAC或便宜的標準網卡（NIC）足以作為控制器中的硬件使用。DMA（直接存儲器存取）用于將數據傳輸到PC。這意味著網絡訪問對CPU性能沒有影響。在Beckhoff多端口卡中運用了相同的原理，它在一個PCI插槽中最多可有4個以太網通道。

協議處理完全在硬件中進行， 協議ASIC可靈活組態。

協議

EtherCAT協議針對過程數據進行了優化，它被直接傳送到以太網幀，或被壓縮到UDP/IP數據報文中。UDP協議在其它子網中的 EtherCAT網段由路由器進行尋址的情況下使用。以太網幀可能包含若干個EtherCAT報文，每個報文專門用于特定存儲區域，該存儲區域可編制大小達4GB的邏輯過程鏡像。由于數據鏈獨立于EtherCAT端子物理順序，因此可以對EtherCAT端子進行任意編址。從站之間可進行廣播、多點傳送和通訊。

該協議還可處理通常為非循環的參數通訊。參數的結構和含義通過 CANopen設備行規進行設定，這些設備行規用于多種設備類別和應用。EtherCAT 還支持符合 IEC61491 標準的從屬行規。該行規以SERCOS命名，被全球運動控制應用領域普遍認可。

除了符合主站/從站原理的數據交換外，EtherCAT還非常適用于控制器之間（主站/主站）的通訊。可自由編址的過程數據網絡變量以及各種參數化、診斷、編程和遠程控制服務，可以滿足眾多要求。用于主站/從站和主站/主站通訊的數據接口是相同的。

FMMU： 報文處理完全在硬件中進行。

性能

EtherCAT在網絡性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環時間。通過一個以太網幀，可以交換高達1486字節的過程數據，幾乎相當于12000個數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。

與100個伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實際位置和狀態。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。

利用 EtherCAT 技術的優異性能，可以實現用傳統現場總線系統所無法實現的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態數據與任何數據可并行傳輸。EtherCAT技術使得通訊技術與現代高性能的工業PC相匹配。總線系統不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數據傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現的性能。

這種網絡性能優勢在有相對中等的計算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT的高速循環，可以在兩個控制循環之間完成。因此，控制器總有可用的最新輸入數據，輸出編址的延遲最小。在無需增強本身計算能力的基礎上，控制器的響應行為得到顯著改善。

EtherCAT技術的原理具備擴展性，不束縛于100M帶寬-擴展至G兆位的以太網也是可能的。

EtherCAT 替代 PCI：隨著PC組件小型化的加速發展，工業PC的體積主要取決于所需要的插槽數目。

高速以太網帶寬以及EtherCAT通訊硬件（EtherCAT從站控制器）數據帶寬的利用，開辟了新的應用可能性：通常位于IPC中的接口被轉移到EtherCAT系統中的智能化接口端子上。除分散式I/O、軸和控制單元外，現場總線主站、高速串行接口、網關和其它通訊接口等復雜系統可以通過PC上的一個以太網端口進行尋址。甚至對無協議變體限制的其它以太網設備也可通過分布式交換機端子進行連接。工業PC主機體積越來越小，成本也越來越低，一個以太網接口足以應對所有的通訊任務。

用以太網代替PCI現場總線設備（PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等）通過分布式現場總線主站端子進行集成。不使用現場總線主站節省了PC中的PCI插槽。

拓撲結構

總線形、樹形或星型：EtherCAT支持幾乎所有拓撲結構。因此，源于現場總線的總線形結構也可用于以太網。將總線和分支結構相結合特別有助于系統布線。所有接口都位于耦合器上，無需使用附加交換機。當然，也可以使用傳統的基于交換機的星形以太網拓撲結構。

采用不同的傳輸電纜可以最大限度地發揮布線的靈活性。靈活而價格低廉的標準以太網插接電纜可通過以太網模式（100baseTX）或通過E總線來傳輸信號。光纖（PFO）可以用于特殊的應用場合。以太網帶寬（如不同的光纜及銅纜）可以結合交換機或媒介轉換器使用。快速以太網的物理特性可以使設備之間的距離達到100米，而E-bus只能保障10米的間距。快速以太網或 E-bus可以按照距離要求進行選擇。EtherCAT 系統最多可容納65535個設備，因此整個網絡規模幾乎是無限制的。

可自由選擇拓撲結構。布線上有最大的靈活性：是否使用交換機，是采用總線形拓撲結構，還是樹形拓樸結構，可任意選配組合。自動進行地址分配；無需設置IP地址。

分布時鐘

精確同步在廣泛要求同時動作的分布過程中顯得尤為重要，如幾個伺服軸在執行同時聯動任務時。

分布時鐘的精確校準是同步的最有效解決方案。相反地，如果采用完全同步，當通訊出現錯誤時，同步數據的品質將受到很大影響，在通訊系統中，分步式校準時鐘在某種程度上具備錯誤延遲的容錯性。在EtherCAT中，數據交換完全基于純粹的硬件設備。由于通訊利用了邏輯環網結構和全雙工快速以太網而又有實際環網結構，“主站時鐘”可以簡單而精確地確定對每個“從站時鐘”的運行補償，反之亦然。分布時鐘基于該值進行調整，這意味著它可以在網絡范圍內提供信號抖動小于1微秒的、非常精確的時鐘基。

然而，高性能分布時鐘不僅用于同步，而且也可以提供數據采集時本地時間的精確信息。由于引進新的擴展數據類型，被測量值可被分配以非常精確的時間戳。

熱連接

許多應用都需要在運行過程中改變I/O組態。例如，具備變更特性的處理中心，裝備傳感器的工具系統，智能化的傳輸設備，靈活的工件執行器，及可單獨關閉印刷單元的印刷機等。EtherCAT系統考慮到了這些需求：“熱連接”功能可以將網絡的各個部分連在一起或斷開，或“動態”進行重新組態，從而針對變化的組態提供了靈活的響應能力。

高可用性

可選的電纜冗余性可滿足日益增長的對提高系統可用性的需求，這樣無需關閉網絡就可以更換設備。

EtherCAT還支持帶熱待機功能的冗余主站。由于EtherCAT從站控制器在遇到中斷時立即將幀自動返回，設備故障不會導致整個網絡關閉。例如，可將電纜保護拖鏈特別配置為短棒的形式以防備斷線。

安全性

安全功能一般是從自動化網絡、通過硬件或使用專用安全總線系統單獨實現的。由于有了TwinSAFE（Beckhoff的安全技術），現在可以使用EtherCAT安全協議，在同一網絡上進行安全相關通訊和控制通訊。

該安全協議基于EtherCAT的應用層，不影響較低層。此安全協議已根據IEC61508進行了認證，可達到安全集成級別（SIL）3，在采取相關措施后甚至可達到SIL4。數據長度可以變化，使得該協議對安全I/O數據和安全驅動技術同樣適用。與其它EtherCAT數據一樣，安全數據無需使用安全路由器或網關就可得到路由。

診斷

網絡的診斷能力對于增強網絡可用性和縮短調試時間（從而降低總成本）來說非常重要。只有當錯誤被快速而準確地檢測出，并且清楚地指明其所在位置時，錯誤才能被及時的排除。因此，在EtherCAT的研發過程中，特別注重典型的診斷特征。

在試運行期間，將使用指定的配置檢測I/O端子實際配置的連續性。拓撲結構也要與配置相匹配。因為有內置的拓撲結構識別，I/O可以在系統啟動時，或通過自動上裝配置時進行確認。

數據傳輸過程中的位錯誤可以通過有效的32位CRC校驗碼檢測到。除斷點檢測和定位外，通過EtherCAT系統協議，傳輸物理層和拓撲結構使得高品質監控每個獨立的傳輸段成為現實。通過自動分析相關錯誤計數器，可以精確定位關鍵網絡部分。可檢測并定位EMC干擾、有缺陷的連接器或損壞的電纜等不斷變化的錯誤來源，即使它們尚未對網絡的自愈能力產生過度影響。

開放性

EtherCAT技術不僅與以太網完全兼容，而且還有特別的設計開放性特點：該協議可與其他提供各種服務的以太網協議并存，并且所有的協議都并存于同一物理介質中-通常只會對整個網絡性能有很小程度的影響。標準的以太網設備可通過交換機端子連接至一個EtherCAT系統，該端子并不會影響循環時間。配備傳統現場總線接口的設備可通過EtherCAT現場總線主站端子的連接集成到網絡中。UDP協議變體允許設備整合于任何插槽接口中。EtherCAT是一個完全開放式協議，它已被認定為一個正式IEC規范（IEC/PAS62407）。

EtherCAT 技術組織：

EtherCAT技術組織（ETG）是一個自動化用戶和廠商的協會，旨在為EtherCAT技術的開發提供支持。該協會代表著廣泛的行業和應用領域。這樣就確保了EtherCAT技術功能和接口以最佳方式用于多種應用。該組織可以確保將EtherCAT輕松而有經濟有效地集成到大量自動化設備中，并保證設備的互操作性。EtherCAT技術組織（ETG）是正式IEC合作組織中現場總線標準化的成員。成員資格面對所有公司開放。

責任編輯：gt