EtherCAT==Ethernet for Control Automation Technology==用於控制自動化技術的以太網
EtherCAT是壹個開放架構，以以太網為基礎的現場總線系統。常被稱為實時以太網，開放的實時以太網。
EtherCAT是確定性的工業以太網，最早是由德國的Beckhoff公司所研發。
EtherCAT主要用於實現自動化的超高速通訊
EtherCAT簡評
Beckhoff 基於以太網現場總線系統的 EtherCAT（Ethernet for Control Automation Technology）技術具有性能優異、 拓撲結構靈活和系統配置簡單等特點。
EtherCAT 突破了傳統現場總線系統的限制，為現場總線技術領域樹立了新的性能標準：30 ?s 內可以更新1000 個 I/O，利用以太網和因特網技術實現垂直優化集成，網絡容量幾乎無限。
使用 EtherCAT 後，可以用簡單的線型拓撲結構替代昂貴的星型以太網拓撲結構，無需昂貴的基礎組件。EtherCAT 還可以使用傳統的交換機連接方式，以集成其它的以太網設備。
其它的實時以太網方案需要專用的主站硬件或掃描卡，而EtherCAT 只需要價格低廉的標準以太網卡便可實現。
EtherCAT 擁有傑出的通訊性能，接線非常簡單，並對其它協議開放。傳統的現場總線系統已達到了極限，而EtherCAT則突破建立了新的技術標準——30 ?s內可以更新1000個I/O數據，可選擇雙絞線或光纖，並利用以太網和因特網技術實現垂直優化集成。使用 EtherCAT，可以用簡單的線型拓撲結構替代昂貴的星型以太網拓撲結構，無需昂貴的基礎組件。EtherCAT還可以使用傳統的交換機連接方式，以集 成其它的以太網設備。其它的實時以太網方案需要與控制器進行特殊連接，而EtherCAT只需要價格低廉的標準以太網卡(NIC) 便可實現。
EtherCAT擁有多種機制，支持主站到從站、從站到從站以及主站到主站之間的通訊。
它實現了安全功能，采用技術可行且經濟實用的 方法，使以太網技術可以向下延伸至I/O級。EtherCAT功能優越，可以完全兼容以太網，可將因特網技術嵌入到簡單設備中，並最大化地利用了以太網所 提供的巨大帶寬，是壹種實時性能優越且成本低廉的網絡技術。
EtherCAT出現背景+協議原理+設備行規
詳見：
整理EtherCAT出現背景+協議原理+設備行規
EtherCAT特點
特點簡述：
技術亮點
– 以太網直達端子模塊 — 具有完全連續性
– 以太網過程接口可從1 位擴展到64 kB
– 首款真正的、用於現場層的以太網解決方案
– 精確計時，適合時間同步
性能
– 12 μs 內處理256 個數字量I/O
– 30 μs 內處理1000 個數字量I/O
– 50 μs 內處理200 個模擬量I/O（16 位），采樣率為20 kHz
– 每100 μs 處理100 個伺服軸
– 350 μs 內處理12,000 個數字量I/O
拓撲結構
– 總線型、樹型或星型拓撲結構
– 壹個系統內最多可容納65,535 臺設備
– 系統規模：近乎無限（> 500 km）
– 有無交換機均可運行
– 經濟高效的電纜敷設：工業以太網電纜（CAT 5）
– 雙絞線電纜物理層：
– Ethernet 100 BASE-TX，兩個設備之間最大距離為100 m
– 或者：兩個從站之間光纜的最大距離為20 km
– 支持總線網段的熱插拔
地址空間
– 整個網絡範圍內的過程映像：4 Gbyte
– 設備過程映像：1 位至64 kbyte
– 地址分配：可自由配置
– 設備地址選擇：通過軟件自動進行
成本優勢
– 無需再進行網絡調整：降低工程成本
– 帶軟件主站的硬實時功能：無需插卡
– 無需主動基礎架構組件（交換機等）
– EtherCAT 所使用的以太網電纜和連接器低於傳統的現場總 線所使用的電纜和連接器
– EtherCAT 直達I/O 端子模塊：無需復雜的總線耦合器
– 高度集成了EtherCAT 從站控制器，因此接口成本較低
協議
– 直接內置於以太網幀內的優化協議
– 完全由硬件實現
– 用於路由和接口：UDP 數據報文
– 在傳遞時處理
– 用於精確同步的分布式時鐘
– 時間戳數據類型，用於納秒範圍內的分辨率
– 用於高分辨率測量的過采樣數據類型
診斷
– 斷點檢測
– 連續的“線路質量”測量能夠精確定位傳輸故障
– Topology View
接口
– 用於標準以太網設備的交換機端子模塊
– 用於現場總線設備的現場總線端子模塊
– 分布式串行接口
– 通訊網關
– 連接至其它EtherCAT 系統的網關
開放性
– 與以太網完全兼容
– 可以通過交換機和路由器運行
– 可以與其它協議混合運行
– 互聯網技術（Web 服務器、FTP 等）
– 可與現有的總線端子模塊系列兼容
– 協議完全公開
– EtherCAT 符合IEC、ISO 和SEMI 標準
EtherCAT 技術協會
– 擁有眾多會員公司的國際化聯盟組織
– 成員包括用戶和制造廠商
– 為技術開發提供支持
– 保障互操作性
– 設備行規的集成和制定
現在詳細解釋其特點：
EtherCAT協議處理完全在硬件中進行
協議ASIC 可靈活配置。過程接口可從1 位擴展到64 kbyte。
詳見：
所以使得以太網可以直達端子模塊：
符合IEEE 802.3 標準的以太網協議無需附加任何總線即可訪問各個設備。耦合設備中的物理層由100BASE-TX 或–FX 轉換為E-bus，以滿足電子端子排等模塊化設備的需求。端子排內的E-bus 信號類型（LVDS）並不是專用的，它還可用於 10 Gbit 以太網。在端子排末端，物理總線特性被轉換回100BASE-TX 標準。
主板集成的以太網MAC 足以作為主站設備中的硬件使用。DMA（直接存儲器存取）用於將數據傳輸到主內存，解除了 CPU 存取網絡數據的負擔。Beckhoff 的多端口插卡中運用了相同的原理，它在 壹個PCI 插槽中最多捆綁了4 個以太網 通道。
EtherCAT的性能
EtherCAT 使網絡性能達到了壹個新境界。
1000 個I/O 的更新時間只需30 ?s，其中還包括I/O 周期時間。單個以太網幀最多可進行1486 字節的過程數據交換，幾乎相當於12000 個數字輸入和輸出，而傳送這些數據耗時僅為300 ?s。
與100 個伺服軸的通訊每100 ?s 執行壹次。可在這壹周期時間內更新帶有命令值和控制數據的所有軸的實際位置及狀態，分布式時鐘技術使軸的同步偏差小於1 微秒。
超高性能的EtherCAT 技術可以實現傳統的現場總線系統無法迄及的控制理念。
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。巨大的帶寬資源使得狀態數據能夠與任何數據並行傳輸。EtherCAT 使通訊技術和現代工業PC 所具有的超強計算能力相適應，總線系統不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O 可能比大多數本地I/O 接口運行速度更快。
這種網絡性能優勢在具有相對中等運算能力的小型控制器中較為明顯。EtherCAT周期時間如此之短，使得它可以在兩個控制周期之間完成。因此，控制器總是能夠獲取最新的輸入數據；輸出以最小的延遲尋址。無需增強本身的運算能力，控制器的響應行為就能夠得到顯著改善。
借助於從站硬件集成和網絡控制器主站的直接內存存取，整個協議的處理過程都在硬件中得以實現，因此， 完全獨立於協議堆棧的實時運行系統、CPU 性能或軟件實現方式。
1000個I/O的更新時間只需30 ?s，其中還包括I/O周期時間。
單個以太網幀最多可進行1486字節的過程數據交換，幾乎相當於12000個數字輸入和輸出，而傳送這些數 據耗時僅為300 ?s。
100個伺服軸的通訊也非常快速：可在每100?s中更新帶有命令值和控制數據的所有軸的實際位置及狀態，分布時鐘技術使軸的同步偏差小於1微秒。而即使是在保證這種性能的情況下，帶寬仍足以實現異步通訊，如TCP/IP、下載參數或上載診斷數據。
超高性能的EtherCAT技術可以實現傳統的現場總線系統無法迄及的控制理念。EtherCAT使通訊技術和現代工業PC所具有的超強計算能力相適應，總線系統不再是控制理念的瓶頸，分布式I/O可能比大多數本地I/O接口運行速度更快。EtherCAT技術原理具有可塑性，並不束縛於100 M bps的通訊速率，甚至有可能擴展為1000 M bps的以太網。
簡言之：
EtherCAT的周期時間短，是因從站的微處理器不需處理以太網的封包。所有程序資料都是由從站控制器的硬件來處理。此特性再配合EtherCAT的機能原理，使得EtherCAT可以成為高性能的分散式I/O系統：包含壹千個分散式數位輸入/輸出的程序資料交換只需30us，相當於在100Mbit/s的以太網傳輸125個字節的資料。讀寫壹百個伺服軸的系統可以以10 kHz的速率更新，壹般的更新速率約為1–30 kHz，但也可以使用較低的更新速率，以避免太頻繁的直接內存存取影響主站個人電腦的運作。
EtherCAT的拓撲
總線形、樹形或星型：EtherCAT支持幾乎任何類型的拓撲結構。
因此，由於現場總線而得名的總線結構或線型結構也 可用於以太網，並且不受限於級聯交換機或集線器的數量。
最有效的系統連線方法是對線型、分支或樹叉結構進行拓撲組合。因為所需接口在I/O 模塊等很多設備中都已存在，所以無需附加交換機。
當然，仍然可以使用傳統的、基於以太網 的星型拓撲結構。
還可以選擇不同的電纜以提升連線的靈活性：靈活、經濟的標準超五類以太網電纜可采用100BASE-TX 模式傳送信號， 兩臺設備之間的最大電纜長度為100 m。
還可通過交換機或介質轉換器實現不同 以太網連線（如不同的光纖和銅電纜） 的完整組合。
信號變量可以根據每個電纜間距單獨選 擇。由於連接的設備數量可高達65535， 因此，網絡的容量幾乎沒有限制。
簡言之：
EtherCAT使用全雙工的以太網實體層，從站可能有二個或二個以上的埠。若設備沒偵測到其下遊有其他設備，從站的控制器會自動關閉對應的埠並回傳以太網幀。由於上述的特性，EtherCAT幾乎支援所有的網絡拓撲，包括總線式、樹狀或是星狀，現場總線常用的總線式拓撲也可以用在以太網中。
EtherCAT的拓撲可以用網絡線、分枝或是短線（stub）作任意的組合。有三個或三個以上以太網接口的設備就可以當作分接器，不壹定壹定要用網絡交換器。 由於使用100BASE-TX的以太網物理層，二個設備之間的距離可以到100米，壹個EtherCAT區段的網絡最多可以有65535個設備。若EtherCAT網絡是使用環狀拓撲（主站設備需要有二個通訊埠），則此網絡還有纜線冗余的機能。
EtherCAT的速度
EtherCAT 技術原理具有可塑性，並不束縛於100 Mbaud的通訊速率，甚至有可能擴展為Gbit 的以太網。
EtherCAT 取代PCI
隨著PC 組件逐漸向小型化方向發展，工業PC的體積也日趨取決於插槽的數目。 而高速以太網的帶寬和EtherCAT 通訊硬件的過程數據長度則為該領域的發展提 供了新的可能性：工業PC 中的傳統接口現在可以轉變為集成的EtherCAT接口端子模塊。
除了可以對分布式I/O 進行編址，還可以對驅動和控制單元以及現場總線主站、快速串行接口、網關和其它通訊接口等復合系統進行編址。即使是其它無協議限制的以太網設備變體，也可以通過分布式交換機端口設備進行連接。由於壹個以太網接口足以滿足整個外圍設備的通訊。
因此，這不僅極大地精簡了工業PC 主機的體積和外觀，而且也降低了工業PC 主機的成本。
EtherCAT的分布式時鐘
精確同步對於同時動作的分布過程而言尤為重要，例如，幾個伺服軸在同時執行協調運動時便是如此。 最有效的同步方法是精確排列分布時鐘。
與完全同步通訊中通訊出現故障會立刻影響同步品質的情況相反，分布排列的時鐘對於通訊系統中可能存在的相關故障延遲具有極好的容錯性。采用EtherCAT 後，數據交換就完全基於純硬件機制。由於通訊采用了邏輯（借助於全雙工快速以太網的物理層）環網結構， 主站時鐘可以簡單、精確地確定各個從站時鐘傳播的延遲偏移，反之亦然。分布式時鐘基於該值進行調整，這意味著可以在網絡範圍內使用非常精確的、信號抖動小於1 微秒的、確定性的同步誤差時間基。
而跨接工廠等外部同步則可以基於IEEE 1588 標準。詳情請參閱：整理工業自動化規範之時間同步：IEEE 1588
此外，高分辨率的分布式時鐘不僅可以用於同步，還可以提供數據采集的本地時間精確信息。當采樣時間非常短暫時，即使是出現壹個很小的位置測量瞬時同步偏差，也會導致速度計算出現較大的階躍變化，例如，運動控制器通過順序檢測的位置計算速度便是如此。而在EtherCAT中，引入時間戳數據類型作為壹個邏輯擴展，以太網所提供的巨大帶寬使得高分辨率的系統時間得以與測量值進行鏈接。這樣，速度的精確計算就不再受到通訊系統的同步誤差值影響，其精度要高於 基於自由同步誤差的通訊測量技術。
由於采用了新的擴展數據類型，因此，可以給被測量值分配非常精確的時間戳。
同步性與壹致性：相距電纜長度為有120米的兩個分布系統，帶有300個節點的示波器比較：
為了系統的同步，EtherCAT協定中有提供分散式時鐘機制，即使通訊循環周期有抖動，時鐘的抖動遠小於1?s，大約接近IEEE 1588精密時間協議的標準。因此EtherCAT的主站設備不需針對時鐘使用特殊的硬件，可以用軟件實現在任何標準的的以太網MAC，即使沒有特殊的通訊協處理器也沒有關系。
標準建立分散式時鐘的程序是由主站送出壹特定位址的廣播訊息給所有從站來啟動。若使用環狀拓撲，所有從站會在收到訊息時閂鎖內 部時鐘，當訊息回來時會再閂鎖內部時鐘壹次。主站會讀所有從站閂鎖的值，計算各個從站的延遲。為了消除抖動的影響及求得平均值，主站會盡可能的多次進行上 述的程序。所有的從站延遲會依各從站在從站環狀拓撲的位置來計算，並記錄在壹個偏移寄存器中。最後主站送出壹個讀寫系統時鐘的廣播訊息，會使第壹個從站的 時鐘為參考時鐘，其他從站的內部時鐘會調整到和第壹個從站相同。
為了在初始化後保持時鐘的同步，主站或從站需定期的再送出廣播訊號，以計算各個從站內部時鐘的速度差異，若有需要時，從站需要可以調整自身時鐘的速度，或是有其他調整時鐘的機制。
系統時鐘是壹個64位元的計時器，計數內容是從2000年1月1日0點0分開始所經過的時間，單位是奈秒（ns）。
感悟
EtherCAT中提到的分布時鐘，同步時鐘，就相當於：
兩個人（或多個人）拿著手表在壹起，先：對點
確保各自的時間，是壹致的。
這樣，在後續的某個約定的時間，壹起做某事，才能確保是同步去做的。
否則就會有時間的誤差，就會影響辦事。
EtherCAT支持熱連接
許多應用都需要在運行過程中改變I/O組態。例如，需求不斷變化的加工中心、 裝備傳感器的刀具系統或智能化的傳輸 系統、靈活的工件執行機構或可單獨關 閉印刷單元的印刷機等。EtherCAT 系統的 協議結構中已經考慮到了這些需求：熱 連接功能可以將網絡的各個部分連在壹起或斷開，或“飛速”進行重新組態， 針對不斷變化的組態提供靈活的響應能 力。
EtherCAT的高可靠性
選擇冗余電纜可以滿足快速增長的系統可靠性需求，以保證設備更換時不會導致網絡癱瘓。EtherCAT也支持熱備份的主站冗余。您可以很經濟地增加冗余特性，僅需在主站設備端增加使用壹個標準的以太網端口（無需專用網卡或接口），並將單壹的電纜從總線型拓撲結構轉變為環型拓撲結構即可。
當設備或電纜發生故障時，也僅需壹個周期即可 完成切換。因此，即使是針對運動控制要求的應用，電纜出現故障時也不會有任何問題。EtherCAT也支持熱備份的主站冗余。由於在環路中斷時 EtherCAT從站控制器芯片將立刻自動返回數據幀，壹個設備的失敗不會導致整個網絡的癱瘓。例如，拖鏈設備可以配置為分支拓撲以防線纜斷開。
EtherCAT的安全性：Safety over EtherCAT
EtherCAT有壹個加強的協定版本，稱為Safety over EtherCAT，可以在同壹個網絡上進行安全相關的通訊和壹般的控制通訊。此安全通訊是以EtherCAT的應用層為基礎，不會影響底層的通訊協定。Safety over EtherCAT有通過IEC 61508的認證，符合安全完整性等級（SIL）3的要求。
為了實現EtherCAT 安全數據通訊，我們開放了Safety over EtherCAT 協議，EtherCAT安全通信協議已經在ETG組織內部公開。該協議已經由德國技術監督局（T?V）鑒定為符合IEC61508 定義的SIL3 等級要求。 設備上實施EtherCAT安全協議必須滿足安全目標的需求。相應的產品相關要求也必須考慮進來。
EtherCAT被用作傳輸安全和非安全數據的單壹通道。傳輸介質被認為是“黑色通道”而不被包括在安全協議中。
EtherCAT過程數據中的安全數據報文包括安全過程數據和所要求的數據備份。這個“容器”在設備的應用層被安全地解析。通信仍然是單壹通道的。這符合IEC61784-3附件中的模型A。因此，該安全協議也可通過其它通訊系統、背板或WLAN 傳輸。傳輸周期可根據要求縮短，不會影響殘留誤差率。Safety over EtherCAT 主站和從站之間的安全數據循環交換被稱作為由看門狗定時 器監控的連接。壹個主站能建立並監控多個不同從站的連接。
上圖中的應用示例受益於這種技術。
安全元件在自動化系統中所需要的任意地方都可以使用。系統中可以使用不同規模的本地輸入和輸出元件。可以根據需求使用安全或非安全總線端子擴展額外的輸入和輸出。安全邏輯也嵌入到網絡當中。這樣不用安全擴展的標準 PLC可以繼續處理控制任務。安全輸入和輸出功能需要的本地安全邏輯由智能化的安全總線端子實現。這節約了昂貴的安全PLC所帶來的成本，並可以根據當前任務隨意裁剪邏輯功能。只有安全EtherCAT主站和所分配的安全從站通過非安全的標準PLC路由。
本協議在安全數據長度，通信介質或波特率方面沒有限制。
EtherCAT被用作“黑色通道”，即，通信系統在安全處理中沒有任何作用。
協議被鑒定符合IEC61508定義的SIL3等級
提供EtherCAT安全功能的產品已經於2005年就上市了。
EtherCAT的診斷
現場總線系統的實際應用經驗表明，有效性和試運行時間關鍵取決於診斷能力。只有快速而準確地檢測出故障，並明確標明其所在位置，才能快速排除故障。因此，在EtherCAT的研發過程中，特別註重強化診斷特征。
網絡的診斷能力對於提高網絡可靠性和縮短調試時間 — 從而降低總成本 — 來說至關重要。只有快速而準確地檢測出故障，並明確標明其所在位置，才能快速排除故 障。因此，在EtherCAT 的研發過程中，特別註重強化診斷功能。
試運行期間，驅動或I/O 端子等節點的實際配置需要與指定的配置進行匹配性檢查，拓撲結構也需要與配置相匹配。
由於整合的拓撲識別過程已延伸至各個端子，因此，這種檢查不僅可以在系統啟動期間進行，也可以在網絡自動讀取時進行 （配置上載）。
數據傳輸過程中出現的位故障可以通過評估每臺設備上的CRC 校驗進行檢測——32 位CRC多項式的最小漢明距為4。除斷點檢測和定位之外，EtherCAT 系統的協議、物理層和拓撲結構還可以對各個傳輸段分別進行品質監視，與錯誤計數器關聯的自動評估還可以對關鍵的網絡段進行精確定位。此外，對於電磁幹擾、連接器 破損或電纜損壞等壹些漸變或突變的錯誤源而言，即便它們尚未過度應變到網絡自 恢復能力的範圍，也可對其進行檢測與定位。
EtherCAT的開放性
EtherCAT 技術不僅完全兼容以太網，而且 在“設計”之初就具備良好的開放性特 征：該協議可以在相同的物理層網絡中包容其它基於以太網的服務和協議，通常 可將其性能損失降到最小。對以太網的 設備類型沒有限制，設備可通過交換機 端口在EtherCAT 段內進行連接。不會影響 周期時間。帶現場總線接口的設備可通過 EtherCAT 現場總線主站端子模塊集成到網絡中。UDP 協議變體允許設備整合 於任何 插槽接口中。EtherCAT 是壹個完全開放的 協議，是公認的正式IEC 規範（IEC 61158，type 12）。