EtherCAT
EtherCAT如何工作？
什么是EtherCAT？
在进入工业通信主题时，很快就会遇到EtherCAT。 Beckhoff公司于2003年首次引入了这种流行的协议，它是所谓的工业以太网，这意味着它是家庭和办公室网络中众所周知的以太网技术的扩展，允许专门为工业应用实现网络功能。 特别是对于生产和研究中的现代自动化任务，工业以太网解决方案是实现高效联网的首选标准，并已成为经典现场总线的继任者。 就吞吐率和实时能力而言，EtherCAT（用于控制自动化技术的以太网）被认为是一种特别快速的工业以太网。
但是，究竟是什么使EtherCAT如此高效？它如何工作？
EtherCAT如何工作？
EtherCAT使用标准的以太网帧，即网络中典型的数据包，以便在所有网络参与者之间执行通信。 在EtherCAT的特定情况下，它们由以太网报头，EtherCAT报头，1到15个EtherCAT电报（所谓的数据报）组成，总共包含44到1498字节的读写指令，以及用于检测的校验和 误码。
通过主从系统进行控制。 主机发送“目标数据” 奴隶并接收“实际数据”。 目标数据可以是用于有源设备（执行器）的控制指令，以便执行特定的动作，例如设置电动机的转速。 另一方面，实际数据表示来自被测设备（传感器）的有关各种状态（例如当前位置，转速或温度）的信息。
EtherCAT主站组装EtherCAT数据报，然后通过所有连接的从站发送它们。 EtherCAT的特殊之处在于，在通过过程中，每个从站都将从循环数据报中取出其特定目标数据，同时将自己的实际数据放入数据报中。 所有不打算用于从站的剩余数据都将原封不动地转发。 数据报经过所有从站后，它会返回并由主站接收。 即使对于大量互连的EtherCAT从站，此过程也非常快捷，因为单个从站的通过延迟仅为几纳秒。
结果，在循环之后交换了主站和从站之间的所有相关数据。 为了实现连续准确的数据协调，主设备以高达几千赫兹的刷新速率循环执行此数据交换。
可以使用哪些拓扑？
EtherCAT在全双工模式下运行，这意味着电缆中的一对线用于通过所有从站发送数据，而另一对则负责在最后一个从站通过后返回数据。 这样，无论采用哪种拓扑结构，EtherCAT始终保持逻辑环结构，从而允许始终如一的稳定实时功能。 这使网络具有高度的灵活性，因为拓扑可以集成为线，树和星形，也可以使用其中的任何组合。 例如，通过使用特殊的EtherCAT硬件（所谓的耦合器）来完成线路拓扑的分支。 另一个优势：使用标准以太网电缆进行布线不仅具有成本效益，而且还提供了多种可能的配置。
与分布式时钟同步
具有物理上分布的组件的自动化系统通常需要精确的同步，以便彼此之间进行最佳协作。 例如，机械臂的各种伺服轴，只有通过精确的交互才能执行快速而准确的运动。 为了同步所有EtherCAT组件的所有单独“时钟”，实施了“分布式时钟”概念（DC）。 在此，将具有DC功能的从站的时钟设置为参考时钟，系统中的所有其他时钟都将同步到该参考时钟。 由于参考时钟是基于硬件的，因此在几纳秒范围内的微小偏差下就可以实现极高的同步精度。 这种同步原理可与 “精确时间协议”以太网标准IEEE 1588相媲美。
作为应用程序开发人员，我如何与EtherCAT合作？
这是个好消息：自动化应用程序不必处理实际的日期交换。 如前所述，EtherCAT主站负责该工作。 主站代表连接的从站的所有目标和实际数据范围，提供了一个存储范围，在该范围内安排了从站的所有各个变量。 然后，该存储范围可用于应用程序，因此使程序可以直接访问从属变量的存储映像。
由于自动化应用程序必须循环计算EtherCAT数据，因此通常会设置一个计时器例程。 如果在分布式时钟的相似上下文中也必须达到很高的同步精度，则应用程序中的循环计算也必须与DC参考时钟同步。 这允许从应用到执行器传感器水平的最小延迟。 可以在实时上下文中执行应用程序的时间紧迫部分，从而使开发人员能够实现具有实时功能的基于EtherCAT的控制应用程序。 例如，集成到Kithara RealTime Suite中的EtherCAT Master可以用于实现上述机制。
应用领域
EtherCAT是一种现代，高效的协议，用于工业实时自动化和机器控制，几乎可以应用在任何工业分支中。 这也反映在EtherCAT技术小组中，该组织是全球最大的工业以太网用户组织，拥有5800多个成员。 由于提到的特性和性能特征，EtherCAT特别适合必须将高度自动化与特别是对时间要求严格的要求相结合的应用，例如用于质量保证的测试台或工业制造中的机器人。 MacroTech公司的案例研究。.
其他EtherCAT协议
EtherCAT具有多种附加协议和功能。以下是其中的一些：
Ethernet over EtherCAT (EoE)
通过Ethernet over EtherCAT，任何以太网设备都可以通过交换机端口连接到EtherCAT网络。标准以太网通信通过EtherCAT隧道传输，这使得主设备能够在不影响过程数据通信的情况下优化其传输。一些从设备还提供Web界面，例如用于配置，可以通过EoE访问。
File access over EtherCAT (FoE)
通过EtherCAT访问文件使得网络设备的文件访问变得简单。例如，它可以用于向EtherCAT网络中的多个设备上传统一的固件。该协议故意保持简洁，以便支持引导加载程序。
Servo Profile over EtherCAT (SoE)
EtherCAT上的伺服驱动配置文件支持Sercos接口，可用于实现复杂的运动控制应用。伺服驱动的Sercos配置文件及其到EtherCAT的映射已在IEC 61800-7中标准化。
Hot Connect (HC)
热连接允许在操作前或操作过程中，将预配置的段（从设备组或单个从设备）从数据流中移除或添加。这使得网络拓扑可以灵活调整。
Cable Redundancy (CR)
通过电缆冗余功能，即使发生意外的通信中断，如电缆断裂，操作仍可继续进行。为此，过程数据通过第二个以太网端口在拓扑中冗余地传输。
Safety over EtherCAT (FSoE)
TÜV认证的通过EtherCAT安全协议使得EtherCAT能够以SIL 3安全等级（符合IEC 61508）实现功能。该安全协议不会对传输速度或周期时间产生任何限制，因为EtherCAT作为单通道通信介质使用。
EtherCAT PC从设备
EtherCAT从设备通常以专用硬件的形式存在。然而，常规PC也可以通过PCIe作为EtherCAT从设备使用。之前，只有主设备侧能够与EtherCAT网络进行复杂的基于PC的通信。通过将PC作为从设备（包括显示器和常规输入设备）实现，从设备得到了升级，能够进行更好的数据分析和更有针对性的数据处理。
EtherCAT自动化协议 (EAP)
EtherCAT自动化协议使得网络中所有终端设备之间能够实现实时通信，从而提高了自动化系统中的连接性。它可以包括例如所有基于PC的控制器、机器、测试台、输送带、机器人、质量保证系统或MES（制造执行系统）等设备。
EtherCAT®与Safety over EtherCAT®是由德国倍福自动化有限公司（ Beckhoff Automation GmbH ）授权许可的注册商标和获得专利保护的技术。