EtherCAT 為何取代 Modbus？淺析工業自動化的趨勢

為什麼 EtherCAT 逐漸取代 Modbus？

ModbusTCP 屬於低即時性總線，而 EtherCAT 總線則屬於高即時性總線。Modbus 協議在早期工業自動化領域中被非常廣泛使用。然而，隨著技術的發展，EtherCAT 協議逐漸取代了 Modbus 協議，成為了許多應用場景的首選。本文將詳細解說 Modbus 協議為何會被 EtherCAT 取代，以及被取代的應用場景有哪些。

基本概念

Modbus 協議

Modbus 協議是一種串行通信協議，最早由 Modicon 公司（現在的施耐德）於 1979 年發布。它是一種簡單的、易於實現的協議，主要用於連接工業電子設備。Modbus 協議基於請求/響應模型，主設備發送請求，從設備返回響應，即一個主設備與多個從設備進行通信。Modbus 協議支持多種通信方式，如 RS-232、RS-485、TCP/IP 等。

EtherCAT 協議

EtherCAT 協議是一種即時以太網協議，由德國的 Beckhoff Automation 公司於 2003 年開發。EtherCAT 協議基於主從架構，主設備發送數據幀，從設備處理數據幀並返回響應。EtherCAT 協議具有高速、即時性強、精確同步等特點，適用於對即時性要求較高的應用場景。

Modbus 被 EtherCAT 取代的原因

1. 速度和性能

EtherCAT 協議的通信速度遠高於 Modbus 協議。EtherCAT 協議可以支持 100Mbps 甚至 10Gbps 的通信速度，而 Modbus 協議的通信速度通常只有幾十 kbps 到幾百 kbps。EtherCAT 協議支持更高的數據吞吐量，可以同時處理更多的 I/O 數據。因此，對於需要高速通信的應用場景，EtherCAT 協議更具優勢。

2. 即時性和確定性

EtherCAT 協議具有即時性和確定性的特點，可以滿足對即時性要求較高的應用場景。而 Modbus 協議的即時性較差，無法滿足這些場景的需求。例如，在運動控制、機器人等領域，對即時性的要求非常高，EtherCAT 協議可以提供更好的解決方案。

3. 網絡拓撲和可拓展性

EtherCAT 協議支持更靈活的網絡拓撲。EtherCAT 協議採用菊花鏈式拓撲結構，可以實現多主機和多從機之間的高速通信，而 Modbus 協議通常只支持點對點的通信方式。因此，對於需要複雜網絡拓撲的應用場景，EtherCAT 協議更具優勢。

4. 兼容性和互操作性

EtherCAT 協議是基於標準的以太網技術，可以與現有的以太網設備兼容。而 Modbus 協議需要特定的硬件和軟件支持，兼容性較差。此外，EtherCAT 協議具有更好的互操作性，可以與其他即時以太網協議共存，方便系統集成和擴展。

5. 安全性

Modbus 協議本身沒有加密和認證機制，非常容易受到黑客攻擊和數據篡改，安全性漏洞很大。EtherCAT 協議的安全性解決方案基於 Safety over EtherCAT 協議，該協議通過德國技術檢驗協會 (TÜV) 的評估，並被認證為符合 IEC 61508 SIL 3 標準的用於在 Safety over EtherCAT 設備之間傳輸過程數據的協議。

6. 診斷和維護

Modbus 協議的診斷和維護相對困難，因為它是基於請求-響應機制的，需要逐個設備進行通信和故障排除。而 EtherCAT 協議提供了豐富的診斷和維護功能，可以通過主站對整個網絡進行監控和故障排除。因此，在需要高效診斷和維護的應用場景中，EtherCAT 協議更適合取代 Modbus 協議。

7. 成本和易用性

MODBUS 協議的設備成本相對較低，但是它需要較多的通信線路和設備，增加了佈線和維護的成本。雖然 EtherCAT 協議的性能優於 Modbus 協議，但其成本並不一定高於 Modbus 協議。隨著 EtherCAT 技術的普及，國產 ESC 芯片的大量投產，現在國產 EtherCAT 的 ESC 芯片價格也非常親民。隨著支持 EtherCAT 應用設備的廠商越來越多，EtherCAT 協議的易用性也得到了提高，許多廠商提供了豐富的技術支持和文檔，方便用戶快速上手。

EtherCAT 取代 Modbus 的應用場景

1. 高速生產線

在高速生產線中，設備之間的通信速度和即時性要求非常高。在這種情況下，Modbus 協議無法滿足需求，而 EtherCAT 協議則可以提供高速、即時的通信服務。

2. 運動控制

在運動控制領域，對即時性和精確性的要求非常高。EtherCAT 協議可以提供更短的循環時間和更高的數據吞吐量，滿足運動控制的需求。因此，許多運動控制器和伺服驅動器採用支持 EtherCAT 協議，取代了傳統的 Modbus 協議。

3. 機器人

在機器人領域，對即時性和同步性的要求非常高。EtherCAT 協議可以實現高精度的同步控制，滿足機器人的需求。因此，許多機器人製造商開始採用 EtherCAT 協議，取代了傳統的 Modbus 協議。

4. 工業自動化系統

在大型工業自動化系統中，對網絡拓撲和可擴展性的要求較高。EtherCAT 協議支持多種網絡拓撲，可以方便地擴展系統規模。因此，許多工業自動化系統開始採用 EtherCAT 協議，取代了傳統的 Modbus 協議。

5. 數據採集和監控

在數據採集和監控領域，對即時性和數據吞吐量的要求較高。EtherCAT 協議可以提供更快的數據採集速度和更高的數據吞吐量，滿足這些需求。因此，許多數據採集和監控系統開始採用 EtherCAT 協議，取代了傳統的 Modbus 協議。