概述

　　EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎的開(kāi)放架構的現場(chǎng)總線(xiàn)系統，EtherCAT名稱(chēng)中的CAT為Control Automation Technology（控制自動(dòng)化技術(shù)）首字母的縮寫(xiě)。最初由德國倍福自動(dòng)化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研發(fā)。EtherCAT為系統的實(shí)時(shí)性能和拓撲的靈活性樹(shù)立了新的標準，同時(shí)，它還符合甚至降低了現場(chǎng)總線(xiàn)的使用成本。EtherCAT的特點(diǎn)還包括高精度設備同步，可選線(xiàn)纜冗余，和功能性安全協(xié)議(SIL3)。

　　原理

　　目前有多種用于提供實(shí)時(shí)功能的以太網(wǎng)方案：例如，通過(guò)較高級的協(xié)議層禁止CSMA/CD存取過(guò)程，并使用時(shí)間片或輪詢(xún)過(guò)程來(lái)取代它。其它方案使用專(zhuān)用交換機，并采用精確的時(shí)間控制方式分配以太網(wǎng)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(wǎng)節點(diǎn)，但帶寬的利用率卻很低，特別是對于典型的自動(dòng)化設備，因為即使對于非常小的數據量，也必須要發(fā)送一個(gè)完整的以太網(wǎng)幀。而且，重新定向到輸出或驅動(dòng)控制器，以及讀取輸入數據所需的時(shí)間主要取決于執行方式。通常也需要使用一條子總線(xiàn)，特別是在模塊化I/O系統中，這些系統與Beckhoff K-總線(xiàn)一樣，通過(guò)同步子總線(xiàn)系統加快傳輸速度，但是這樣的同步將無(wú)法避免引起通訊總線(xiàn)傳輸的延遲。

　　通過(guò)采用EtherCAT技術(shù)， Beckhoff突破了其它以太網(wǎng)解決方案的這些系統限制：不必再像從前那樣在每個(gè)連接點(diǎn)接收以太網(wǎng)數據包，然后進(jìn)行解碼并復制為過(guò)程數據。當幀通過(guò)每一個(gè)設備（包括底層端子設備）時(shí)，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(guò)時(shí)插入至報文中。在幀被傳遞 （僅被延遲幾位）過(guò)去的時(shí)候，從站會(huì )識別出相關(guān)命令，并進(jìn)行處理。此過(guò)程是在從站控制器中通過(guò)硬件實(shí)現的，因此與協(xié)議堆棧軟件的實(shí)時(shí)運行系統或處理器性能無(wú)關(guān)。網(wǎng)段中的最后一個(gè)EtherCAT從站將經(jīng)過(guò)充分處理的報文返回，這樣該報文就作為一個(gè)響應報文由第一個(gè)從站返回到主站。

　　從以太網(wǎng)的角度看，EtherCAT總線(xiàn)網(wǎng)段只是一個(gè)可接收和發(fā)送以太網(wǎng)幀的大型以太網(wǎng)設備。但是，該“設備”不包含帶下游微處理器的單個(gè)以太網(wǎng)控制器，而只包含大量的EtherCAT從站。與其它任何以太網(wǎng)一樣，EtherCAT不需要通過(guò)交換機就可以建立通訊，因而產(chǎn)生一個(gè)純粹的EtherCAT系統。

　　性能

　　EtherCAT在網(wǎng)絡(luò )性能上達到了一個(gè)新的高度。1000個(gè)分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達1486字節的過(guò)程數據，幾乎相當于12000個(gè)數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。

　　與100個(gè)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(shí)際位置和狀態(tài)。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時(shí)間偏差小于1微秒。

　　利用 EtherCAT 技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實(shí)現用傳統現場(chǎng)總線(xiàn)系統所無(wú)法實(shí)現的控制方法。這樣，通過(guò)總線(xiàn)也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專(zhuān)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(tài)數據與任何數據可并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€(xiàn)系統不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數據傳遞超過(guò)了只能由本地I/O接口才能實(shí)現的性能。

　　這種網(wǎng)絡(luò )性能優(yōu)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(huán)，可以在兩個(gè)控制循環(huán)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(wú)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(zhù)改善。

　　EtherCAT技術(shù)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(wǎng)也是可能的。

　　EtherCAT 替代 PCI：

　　隨著(zhù)PC組件小型化的加速發(fā)展，工業(yè)PC的體積主要取決于所需要的插槽數目。

　　高速以太網(wǎng)帶寬以及EtherCAT通訊硬件（EtherCAT從站控制器）數據帶寬的利用，開(kāi)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(chǎng)總線(xiàn)主站、高速串行接口、網(wǎng)關(guān)和其它通訊接口等復雜系統可以通過(guò)PC上的一個(gè)以太網(wǎng)端口進(jìn)行尋址。甚至對無(wú)協(xié)議變體限制的其它以太網(wǎng)設備也可通過(guò)分布式交換機端子進(jìn)行連接。工業(yè)PC主機體積越來(lái)越小，成本也越來(lái)越低，一個(gè)以太網(wǎng)接口足以應對所有的通訊任務(wù)。

　　用以太網(wǎng)代替PCI現場(chǎng)總線(xiàn)設備（PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、AS-i等）通過(guò)分布式現場(chǎng)總線(xiàn)主站端子進(jìn)行集成。不使用現場(chǎng)總線(xiàn)主站節省了PC中的PCI插槽。

　　總線(xiàn)拓撲結構

　　總線(xiàn)形、樹(shù)形或星型：EtherCAT支持幾乎所有拓撲結構。因此，源于現場(chǎng)總線(xiàn)的總線(xiàn)形結構也可用于以太網(wǎng)。將總線(xiàn)和分支結構相結合特別有助于系統布線(xiàn)。所有接口都位于耦合器上，無(wú)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(wǎng)拓撲結構。

　　采用不同的傳輸電纜可以最大限度地發(fā)揮布線(xiàn)的靈活性。靈活而價(jià)格低廉的標準以太網(wǎng)插接電纜可通過(guò)以太網(wǎng)模式(100baseTX)或通過(guò)E總線(xiàn)來(lái)傳輸信號。光纖(PFO)可以用于特殊的應用場(chǎng)合。以太網(wǎng)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?？焖僖蕴W(wǎng)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?？焖僖蕴W(wǎng)或 E-bus可以按照距離要求進(jìn)行選擇。EtherCAT 系統最多可容納65535個(gè)設備，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò )規模幾乎是無(wú)限制的。

　　可自由選擇拓撲結構。布線(xiàn)上有最大的靈活性：是否使用交換機，是采用總線(xiàn)形拓撲結構，還是樹(shù)形拓樸結構，可任意選配組合。自動(dòng)進(jìn)行地址分配；無(wú)需設置IP地址。

　　開(kāi)放性

　　EtherCAT技術(shù)不僅與以太網(wǎng)完全兼容，而且還有特別的設計開(kāi)放性特點(diǎn)：該協(xié)議可與其他提供各種服務(wù)的以太網(wǎng)協(xié)議并存，并且所有的協(xié)議都并存于同一物理介質(zhì)中-通常只會(huì )對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能有很小程度的影響。標準的以太網(wǎng)設備可通過(guò)交換機端子連接至一個(gè)EtherCAT系統，該端子并不會(huì )影響循環(huán)時(shí)間。配備傳統現場(chǎng)總線(xiàn)接口的設備可通過(guò)EtherCAT現場(chǎng)總線(xiàn)主站端子的連接集成到網(wǎng)絡(luò )中。UDP協(xié)議變體允許設備整合于任何插槽接口中。EtherCAT是一個(gè)完全開(kāi)放式協(xié)議，它已被認定為一個(gè)正式IEC規范(IEC/PAS62407)。