以太CAT：驱动智能工厂、机器人和高通量行业的实时支柱

简要

EtherCAT是一种高性能、确定性的工业Ethernet协议，提供超快的同步通信、可扩展的网络架构和简化的集成。

在智能工厂和智能机器人时代，通信网络必须跟上日益严苛的实时要求。

EtherCAT – 是“以太网控制自动化技术”的缩写 – 作为一种高性能工业以太网协议，满足了这些需求。

EtherCAT最初由Beckhoff Automation开发，现在由EtherCAT技术组管理，已成为广泛采用的自动化开放标准。它依赖于标准的IEEE 802.3以太网硬件(，包括普通的Cat5/Cat6电缆和熟悉的网卡)，这降低了成本并确保了易于互操作性。

EtherCAT网络中的主控制器可以在任何带有以太网端口的计算机上实现，现成的EtherCAT从设备在许多制造商那里都可以大量获得。

这种对商品组件的使用意味着，即使是非常大的系统——在单一网络段上可能有数万个节点——也可以以低成本得到支持。

以太网现场总线（EtherCAT）的核心在于通过仅允许主设备发送帧，并让每个从设备在帧经过时“即时”处理和转发帧，从而确保确定性通信。

在实际操作中，主设备每个周期组装一个或多个以太网帧，并将它们注入网络，这些帧依次通过每个设备。每个从设备读取其所需的数据，并立即将其响应写回到同一帧中，然后再将数据包转发到下游。

因为这一过程以线速进行——每个设备不必接收然后重新传输单独的消息——所以通信开销极低

与标准以太网不同，没有碰撞或不可预测的等待，因此周期时间非常短，抖动也很小。事实上，即使在数百个设备的情况下，EtherCAT 也可以实现亚毫秒的周期，满足硬实时要求。

EtherCAT的即时处理架构不仅提高了速度，还简化了网络设计。从设备通常有两个端口，可以以串联、星形、环形*、树形*或混合配置连接，全部无需专用网络交换机。

因为每个从属设备在两个方向上转发帧(，利用了电缆的全双工对)，网络实际上形成了一个逻辑环，始终返回到主设备。

这种灵活的拓扑结构意味着安装人员可以布置复杂的网络——例如，连接整个设施中的数千个传感器、I/O模块和驱动器——并仍然保持单循环环路。值得注意的是，EtherCAT 支持高级功能，如热插拔 (在不停机的情况下添加或更换设备)，以及冗余路径以提高容错能力，进一步减少维护停机时间。

EtherCAT的另一个关键特性是其高精度同步。网络中的所有从设备都通过分布式时钟技术共享一个公共时间基准。主设备(或指定的参考从设备)发送时钟信号，所有设备都将其本地硬件计时器锁定到该信号。这些时钟在硬件中进行校准，以便网络中的时钟漂移保持在微秒以下。通过单个触发，所有设备随后同时更新其输出并捕获输入。对于多轴运动控制或同步传感器采样等协调任务，这意味着每个执行器或测量点在完全相同的时刻操作。EtherCAT的同步精度通常以亚微秒范围进行测量，这足够严格，能够控制数十个电机同步运行而不产生延迟。

EtherCAT：以确定性性能和可扩展控制推动高精度、AI就绪的工业自动化

所有这些属性——确定性时序、动态数据处理、灵活布线和精确时钟——使得EtherCAT特别适合于基于AI的自动化。

在运动控制和机器人技术中，该协议实现了子毫秒的更新周期和紧密同步的多轴操作，使其非常适合机器人关节、CNC机床和伺服驱动系统。它在单个周期内以纳秒级同步更新数十个驱动的能力确保了复杂机械的协调运动。

除了机器人技术，EtherCAT广泛应用于一般机械自动化，连接伺服驱动器、传感器、执行器和视觉系统，涉及包装、印刷、半导体制造和装配线等行业。其低延迟通信和简单的布线简化了包括I/O模块、阀门、控制器和摄像头在内的设备集成。高速生产设备也从EtherCAT中受益，特别是在需要精确时序和带宽的行业，如半导体制造、汽车喷漆线、包装系统、印刷机和风力涡轮控制。在半导体应用中，通常会实施专用的EtherCAT设备配置文件，以紧密同步运动和测量。

分布式测量和数据采集系统利用EtherCAT从模拟和数字I/O模块、应变计和编码器流式传输同步数据到中央控制器。这种能力支持运动捕捉、结构测试和多传感器监测等应用，其中高吞吐量和精确的时序至关重要。EtherCAT还结合了功能安全协议，EtherCAT上的安全失效(FSoE)，允许SIL3级别的安全数据在同一网络上传输，从而实现安全级驱动和I/O，无需单独的安全总线。

该协议扩展到其他领域，包括建筑自动化、能源系统，如太阳能和风能，以及隧道和铁路的基础设施控制。在所有这些应用中，EtherCAT 的确定性通信、最小抖动和强大的同步提供了先进工业和 AI 驱动系统所需的可靠性能。

此外，EtherCAT 提供了一系列优势，使其成为工业自动化中的首选。其确定性的性能支持低于 100 微秒的周期时间，抖动低于一个微秒，即使在处理成千上万的 I/O 点时也是如此。动态帧处理与全双工以太网链接相结合，消除了冲突和延迟，使复杂控制回路的时间精度得以高度提升。在实际部署中，通道利用率可以达到约 90%，显著超越传统以太网或现场总线网络的效率。

该协议与标准以太网硬件兼容，允许主设备通过常规的 100 Mbit/s 或 1 Gb 以太网端口操作，而无需专用通信卡。虽然从设备需要专用的 EtherCAT 控制器芯片，但这些组件价格便宜，并且作为 ASIC 或 FPGA 广泛可用。双端口架构支持灵活的网络布局，包括菊花链、树形或环形拓扑，无需外部交换机。网络最多可以寻址 65,535 个设备，节点可以动态添加或移除，内置诊断功能有助于快速识别链路错误或故障段。

通过提供路径冗余的环形配置，增强了可靠性，确保即使电缆故障，通信也能继续。工业级布线结合嵌入式诊断有助于高系统正常运行时间。EtherCAT 还集成了先进的功能，如纳秒级同步的分布式硬件时钟、热插拔 I/O 和全面的诊断，且没有额外成本。该协议包括安全以太网 (FSoE)，经过 SIL3 认证，允许在同一网络上进行安全等级通信。

作为IEC 61158下的开放标准，并得到EtherCAT技术小组的支持，该协议在行业中得到了广泛的应用，数以万计的兼容产品来自数百家供应商。这个广泛的生态系统确保了长期的互操作性和可用性。EtherCAT硬件具有成本效益，该协议的最小开销允许在100 Mbit/s链接上实现高有效吞吐量。像EtherCAT P这样的解决方案将电源和数据结合在一根电缆上，进一步减少了系统复杂性和安装成本。

得到专家认可的高性能、可靠且直观的自动化

EtherCAT在行业专家中广泛认可，因其高性能和操作简单。其协议效率允许实时数据交换，而无需专用主设备硬件，从而实现的带宽水平显著高于旧的现场总线。核心EtherCAT协议在过去二十多年中保持稳定，新功能以保持向后兼容的方式添加，确保工业系统的长期可靠性。这项技术经常被描述为直观和简单，使其对负责高速控制和自动化的工程师特别具有吸引力。

自动化专业人士强调了EtherCAT的实时能力，包括最小的抖动、硬件同步的分布式时钟以及对大量节点的支持。其低延迟、精确的通信特别适合运动控制和机器人技术，在这里，替换传统的现场总线或非确定性以太网网络可以实现更紧凑的运动曲线、更快的循环时间和整体系统性能的提升。EtherCAT还便于集中式PC控制，因为控制器在每个周期接收统一的过程映像，消除了对主机CPU上手动位操作的需求。

一些从业者指出，EtherCAT在正确部署之前需要一个学习周期。有效使用要求理解分布式时钟配置、网络拓扑规划以及协议的数据结构，而诊断和故障排除则需要专业知识。尽管有这些考虑，行业共识表明，EtherCAT的性能、可扩展性和精度使其成为大型高性能自动化项目的首选。

EtherCAT 2026：扩展带宽、工业4.0集成与全球工业采用

EtherCAT 继续在工业自动化领域扩展其影响力，得到了迅速增长的生态系统的支持。全球已安装超过 7700 万个 EtherCAT 节点，仅在 2023 年就新增超过 1800 万个。EtherCAT 技术组目前包括来自 74 个国家的 7600 多家会员公司，使其成为最大的工业现场总线社区。分析师预测，EtherCAT 部署到 2030 年的年均增长率约为 10%，尤其受到汽车、电子、航空航天和能源行业的推动。北美目前占据最大的区域份额，而亚太市场正经历最快的增长。

最近的发展正在增强EtherCAT在要求苛刻的应用中的能力。千兆扩展，EtherCAT G和G10，将协议叠加在1 Gbit/s和10 Gbit/s以太网链路上，提供了显著增加的带宽，同时保持与现有设备的完全兼容。这些高速变体预计将在先进的机械中变得普遍，包括多轴机器人、X射线CT扫描仪和高通量制造生产线。EtherCAT P于2019年推出，将两个独立的24 V电源与单根四线电缆上的数据链路集成在一起，简化了安装并降低了布线成本。未来的EtherCAT P版本预计将扩大对类似以太网供电配置和更广泛设备兼容性的支持。

与工业4.0标准的集成也在不断推进。与OPC UA的合作旨在将EtherCAT设备数据映射到标准化模型中，从而实现对更高级别网络、云系统或MES平台的I/O和诊断信息的安全访问。EtherCAT的精简EAP协议正在适配实时的OPC UA发布/订阅通信，使控制器能够在无需额外网关硬件的情况下暴露I/O。硬件制造商继续在新组件中嵌入EtherCAT，包括具有原生从控制器的微控制器以及高性能伺服和步进驱动器，进一步巩固了EtherCAT在现代工业运动和控制系统中的角色。尽管竞争对手正在探索时间敏感网络，但EtherCAT的实时处理已经提供超低延迟和确定性性能，确保其在自动化机械中的硬实时骨干网络的持续相关性。