跳到主要内容

EtherCAT - 以太网现场总线

EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology，以太网控制自动化技术）是一种高性能的工业以太网现场总线系统，为现场总线技术树立了新的性能标准。它具备灵活的网络拓扑结构、简单的系统配置以及低成本的实施方案，使得以太网技术可以延伸至 I/O 级应用。

引言​

技术背景​

现场总线技术已成为自动化领域的核心组件，并广泛应用于基于 PC 的控制系统。然而，传统现场总线系统逐渐成为控制系统性能发展的瓶颈：

  • 传统方案的系统响应时间通常是控制器周期时间的 3-5 倍
  • 按层划分的控制体系由多个辅助周期系统组成，增加了系统复杂度
  • 以太网在网络控制层已成为技术标准，但在驱动和 I/O 级的应用尚需突破

传统现场总线系统响应时间

图：传统现场总线系统的多层响应时间结构

以太网与实时能力​

目前实现以太网实时能力的方案包括：

  • 禁止 CSMA/CD 介质访问，采用时间片或轮循方式
  • 通过专用交换机精确控制时间分配

但这些方案存在固有限制：

  • 每个设备使用单独以太网帧时，数据率极低（最短帧 84 字节，有效数据仅 4 字节时，利用率仅 4.8%）
  • 需要接收、解码数据包后再复制过程数据，增加延迟

EtherCAT 突破了这些限制，实现了真正高效的实时以太网通信。

EtherCAT 运行原理​

EtherCAT 采用独特的在线数据处理机制：

核心技术​

  • 无需数据包解码：从站设备在以太网帧经过时直接读取相关数据
  • 即时数据插入：输入数据在帧经过时即刻插入，延迟仅为几纳秒
  • 高效数据压缩：单个以太网帧可承载大量设备数据

过程数据插入至报文中

图：EtherCAT 从站在报文经过时直接读写数据

性能优势​

  • 带宽利用率超过 90%：远超传统以太网方案
  • 全双工特性：有效数据率可达 2 × 100 Mbps 的 90% 以上
  • 符合 IEEE 802.3 标准：无需额外总线即可访问各设备

带宽利用率比较

图：EtherCAT 与传统方案的带宽利用率对比

EtherCAT 技术特征​

协议特性​

协议封装​

  • EtherCAT 直接帧：以太网帧内直接传送，适用于最优性能场景
  • EtherCAT UDP：封装为 UDP/IP 数据报文，可跨子网、通过路由器通信
  • 逻辑寻址：最大 4GB 过程映像区，支持广播、多播和从站间通信

EtherCAT 标准帧

图：符合 IEEE 802.3 标准的 EtherCAT 帧结构

通信模式​

  • 主站/从站通信：实时过程数据交换
  • 主站/主站通信：控制器之间的数据共享
  • 从站/从站通信：
    • 拓扑相关通信（同一周期内）
    • 主站中继通信（两个周期）

灵活的拓扑结构​

EtherCAT 支持多种拓扑类型：

  • 线型拓扑：最经济的连线方式
  • 树型拓扑：适用于分支结构
  • 星型拓扑：兼容传统以太网
  • 混合拓扑：自由组合

灵活的拓扑结构

图：EtherCAT 支持线型、树型、星型等多种拓扑

连接特性​

  • 电缆距离：100BASE-TX 两设备间最大 100 米
  • 设备数量：最多 65535 个设备
  • 连线方式：超五类以太网电缆、光纤（PFO）、标准连接器

分布式时钟​

精确同步是分布式控制的关键，EtherCAT 采用分布式时钟技术：

  • 同步精度：网络范围内同步误差 < 1 微秒
  • 基于硬件：纯硬件机制，通信故障容错性强
  • 逻辑环结构：利用全双工快速以太网精确计算延迟
  • 时间戳支持：高分辨率时间信息用于精确速度计算

同步性与一致性

图：120 米距离、300 节点系统的同步示波器对比

卓越性能​

性能指标​

  • 1000 个 I/O 更新时间 — 30 µs（含 I/O 周期）
  • 12000 个数字 I/O — 300 µs（1486 字节）
  • 100 个伺服轴 — 100 µs 更新周期
  • 同步精度 — < 1 µs

EtherCAT 性能

表：EtherCAT 性能概览

技术优势​

  • 协议硬件化：独立于实时系统、CPU 性能和软件实现
  • 直接内存访问：主站使用 DMA 技术
  • 突破瓶颈：总线不再是控制理念的限制
  • 可扩展性：可扩展至 1000 Mbps 以太网

诊断能力​

试运行诊断​

  • 配置匹配：节点配置与拓扑结构自动检查
  • 拓扑识别：自动读取网络配置

运行时诊断​

  • 位故障检测：32 位 CRC 校验（汉明距离 4）
  • 断线检测与定位
  • 传输段品质监视：每段独立监控
  • 错误源定位：精确定位电磁干扰、连接器破损、电缆损坏

高可靠性​

冗余机制​

  • 电缆冗余：环型拓扑，设备/电缆故障仅需一个周期切换
  • 主站冗余：支持热备份主站
  • 自动恢复：从站控制器芯片自动返回数据帧
  • 分支保护：拖链设备可配置为分支拓扑

线缆冗余

图：使用标准从站的低成本线缆冗余方案

功能安全​

EtherCAT 安全协议（Safety over EtherCAT）：

  • 单一通道：安全和非安全数据共用一个通道
  • 黑色通道模型：符合 IEC 61784-3 附件模型 A
  • SIL3 认证：德国 TÜV SÜD Rail 认证符合 IEC 61508 SIL3 等级
  • 灵活部署：安全元件可部署在系统任意位置

EtherCAT 安全架构

图：基于黑色通道的 EtherCAT 安全通信架构

EtherCAT 安全系统

图：EtherCAT 安全系统应用示例

安全特性​

  • 无数据长度、介质或波特率限制
  • 通信系统不参与安全处理
  • 智能安全总线端子实现本地安全逻辑
  • 节约安全 PLC 成本

EtherCAT 取代 PCI​

随着 PC 小型化发展，EtherCAT 提供新的可能性：

  • 分布式接口：将 IPC 传统接口转变为 EtherCAT 端子
  • 统一通信：一个以太网接口满足所有外围设备通信
  • 精简设计：显著减小控制器体积和成本

分布式现场总线接口

图：EtherCAT 实现分布式接口

IPC 体积减小

图：EtherCAT 使控制器体积显著减小

设备协议​

EtherCAT 支持多种现有设备协议，便于用户从传统现场总线迁移。不同的设备协议可以在同一个 EtherCAT 网络中共存：

设备协议并存

图：EtherCAT 系统中多种设备协议共存

主要协议​

  • CoE (CANopen over EtherCAT)：最常用的协议，支持 I/O、驱动、编码器等
  • SoE (Servo Drive Profile)：基于 SERCOS 的高性能运动控制
  • EoE (Ethernet over EtherCAT)：透明传输以太网帧
  • FoE (File Access)：用于固件更新和文件传输
  • AoE (ADS over EtherCAT)：网关设备和远程诊断
  • FSoE (Safety over EtherCAT)：功能安全协议（SIL3）
  • VoE：厂商特定协议
详细信息

关于各设备协议的详细介绍、状态机、对象字典和代码示例，请参考 设备协议详解。

核心优势​

✅ 卓越性能：30 µs 更新 1000 个 I/O，100 µs 控制 100 个伺服轴
✅ 简单拓扑：线型结构替代昂贵的星型拓扑，无需专用交换机
✅ 低成本：标准以太网卡即可实现主站，从站芯片价格低廉
✅ 高带宽利用率：> 90% 的有效数据率
✅ 精确同步：< 1 µs 同步误差
✅ 协议开放：完全兼容以太网，支持互联网技术
✅ 灵活性：支持多种设备协议和通信模式
✅ 可靠性：冗余机制和强大诊断能力
✅ 功能安全：SIL3 认证的安全协议

网络结构多样性

图：EtherCAT 灵活多样的网络结构

应用价值​

EtherCAT 将因特网技术延伸至 I/O 级，实现了：

  • 垂直优化集成（从传感器到云端）
  • 突破控制系统瓶颈
  • 最大化利用以太网带宽
  • 实时性能与经济性的完美平衡 本文档基于 EtherCAT 技术官方资料整理，详细技术规范请参考 ETG 官方文档。