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。

EtherCAT 同步原理及模式詳解

EtherCAT作為高即時性工業通訊協議，其分布式時鐘(DC)功能使從站設備同步成為可能。本文將詳細解說EtherCAT同步原理及其不同的同步模式，並介紹實際應用中的優化方法。

一、DC同步原理

EtherCAT的分布式時鐘(DC)功能通過將總線中的第一個DC從站定義為基準時鐘，EtherCAT主站將基準時鐘的時間分配至所有的從站。EtherCAT主站周期性地發送一個ARMW命令，讀取並寫入DC-從站的寄存器中，從而更新他們的本地時間。為了確保精度，特殊從站之間的EtherCAT幀延遲需要額外補償。

ESC控制器的DC單元提供兩個數字輸出信號，SYNC0和SYNC1，這些信號在從站一側可作為數字輸出信號或從站軟件中斷源。EtherCAT主站和DC時鐘主站的同步機制被稱為分布式時鐘主站同步(DCM)，可通過重新調整主站的硬體計時器或DC時鐘主站的總線時間實現。

二、同步模式

EtherCAT提供三種同步模式：

A、Free Run（非同步）

從站的過程數據處理由內部事件觸發，與主站循環無關。每個從站的定時周期不一樣，各自執行自己的程序。

B、SM-Synchronous（Sync Manager同步管理器）

從站的過程數據處理由接收到攜帶過程數據的周期性數據幀時所產生的硬件中斷觸發。當系統較大時，每個從站接收到數據幀的時間會相差較大。

C、DC-Synchronous（Sync0 Event）

從站的過程數據處理由基於分布時鐘和系統時間的硬件中斷觸發。Sync0 Event根據設置的延時時間觸發，輸出抖動小，同步性能好。

2.1 Free Run（非同步）

Free Run模式下，每個從站的定時周期都不一樣，各自執行自己的程序。這類似於每個人有自己的手錶，但沒有對時，因此到達公司的時間不統一。

2.2 SM-Synchronous（Sync Manager同步管理器）

SM同步模式下，從站的過程數據處理由接收到數據幀時所產生的硬件中斷觸發。當系統很大時，每個從站接收到數據幀的時間會相差較大。

2.3 DC-Synchronous（Sync0 Event）

DC-Synchronous模式下，從站的過程數據處理由基於分布時鐘和系統時間的硬件中斷觸發。不同於SM Event，Sync0 Event根據設置的延時時間觸發，不是帧到達時才觸發。

2.4 DC-Synchronous優化

優化的DC模式同時使用了SM Event和Sync0 Event事件信號，減少了輸出延時時間。

2.5 DC同步丟幀

在使用DC模式時可能出現同步丟幀的情況，可以通過調整Shift Time來解決。

3、優化DC模式的時序分析

數據幀依次到達每個從站時，EtherCAT會觸發SM Event，從站進行數據處理並等待DC Sync信號同步事件中斷。

四、總結

DC分布式時鐘模式的總體流程如圖所示。無論是哪種同步模式，都可以實現高效的數據通信。

資料來源

• EtherCAT Overview - Beckhoff Automation
• PROFINET Overview - PI North America
• EtherCAT Technology - EtherCAT Technology Group

EtherCAT介紹12: EtherCAT匯流排的安全性Safety over EtherCAT

 概述

國內目前對設備安全的認證實際上基本上沒有，僅有的是加一些急停、安全門等那已經算不錯的了。

而我們一些出口到歐美的設備，如果沒有這些安全性的標準認證，那是不予驗收的。

誠然，如果要設備符合安全標準，那增加的成本是成倍數的，當然客戶也能接受這樣的成本，售價自然也會高點。但是，真正掌握設備的安全設計實際上理論性的和實踐性的經驗都是非常寶貴，掌握這些的工程師相對較少。掌握最基礎的費用也不低。人均2400RMB呢。

如果您是EtherCAT匯流排伺服、IO模組等研發企業或組織，可以深入研究這一塊，開發和定製FSOE功能的控制器和IO等產品，國內是個空白市場（個人觀點，如果國內已經有了，請留言區留下具體產品信息）。

FSOE（Safety Over EtherCAT）

除了採用安全感測器（如光幕、安全門監控設備或雙手控制單元）通常通過評估設備進行監控，並通過硬接線邏輯影響安全輸出，目前也出現了一種新趨勢：自動化組件和通信系統中的智能安全解決方案允許將安全技術整合到機器設計中。

高級通信系統不僅提供控制信息的確定性傳輸，還允許在同一介質上傳輸安全相關數據。

而EtherCAT協議的安全性解決方案基于Safety over EtherCAT協議。

FSOE協議在EtherCAT技術組(ETG)內披露，旨在實現EtherCAT上的安全數據通信。該協議的特點包括：

符合IEC 61508的SIL 3標準。

同一通信系統上傳輸安全和非安全信息。

協議獨立於傳輸系統和介質。

安全過程數據的長度不受協議限制。

可能實現非常短的幀長度。

傳輸速度和週期時間不受限制。

Safety over EtherCAT技術包括軟件架構和硬件架構。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。

好處

採用這種協議的好處有：

將安全概念無縫整合到機器設計中。

無需為標準和安全應用開發單獨的工具。

簡單處理和透明的安全功能。

安全功能提供出色的診斷選項。

控制和安全信息使用單一通信系統。

實時和確定性方面沒有性能限制。

靈活的擴展選項。

例如，在倍福系統裡面可以採用SafetyInput輸入模組及SafetyOutput輸出模組接入安全性的感測器信號和安全輸出信號，而且也支持伺服驅動器的Safety Drive；同時可以在同一系統（Automatic Logic）裡面直接添加安全控制的邏輯（SafetyLogic），非常的便捷。

當然，關於這塊的詳細技術說明，一篇文章不足以完全說清楚，詳情還請大家查閲參考連結的文獻資料。

參考資料：

https://www.kebamerica.com/blog/what-is-failsafe-over-ethercat-fsoe/

https://www.ethercat.org/en/safety.html

https://www.ethercat.org/pdf/englishpcc0107_safety_over_ethercat_e.pdf

EtherCAT介紹11：EoE/CoE/FoE等

 設備行規（Device Profile）

設備通信行規（Device Profile）描述了應用參數和設備的功能行為，包括設備類特有的狀態機。

對於許多設備類別，現場匯流排技術已經提供了可靠的設備配置檔案，例如 I/O設備、驅動器或閥門。用戶熟悉這些配置檔案以及相關參數和工具。因此，沒有為這些設備類別開發專門的EtherCAT設備配置檔案。取而代之的是為現有設備配置檔案提供了簡單的介面。這將極大地幫助用戶和設備製造商從現有現場匯流排遷移到EtherCAT的過程中提供極大的幫助。

為了支持更多種類的設備以及更廣泛的應用層，主要建立了以下 EtherCAT 通信行規：

基于EtherCAT的CAN應用協議（CoE） 

符合IEC 61800-7-204標準的伺服驅動設備行規（SoE） 

Ethernet over EtherCAT（EoE） 

File access over EtherCAT（FoE） 

ADS over EtherCAT（AoE）

CoE

CANopen over EtherCAT (CoE) 使用 CoE 協議，EtherCAT 可提供與 CANopen® 標準 EN 50325-4 相同的通信機制：包括對 像字典、過程數據對象映像（PDO）以及服務數據對象（SDO），甚至相似的網絡管理。因 此，在已經實施了 CANopen 的設備中，僅需稍加變動即可輕鬆實現EtherCAT，而且絶大部 分的 CANopen 韌體甚至都能得以重複利用。可以突破 8 位元組的 PDO 限制，並可使用 EtherCAT 增強的頻寬資源實現整個對象字典的上傳。

另外，設備行規，如驅動器行規CiA402，也可 以被重複應用EtherCAT。例如下方在CODESYS編輯器中添加IndraDrive_MPB20_21_CoE的伺服：

基于這種方式就可以精確定位到故障節點位置，還有可能發生故障的具體信息，方便我們進行故障的排除和解決。

EoE

Ethernet over EtherCAT（EoE）EtherCAT 仍使用乙太網物理層和乙太網數據幀。

乙太網也通常與基于 TCP/IP 協議的 IT應用數據傳輸聯繫在一起。使用 EoE 協議，可以在 EtherCAT 網段實現乙太網數據的傳輸。乙太網設備通過交換機 連接埠與EtherCAT網段連接。乙太網數據幀通EtherCAT 協議進行傳輸，就其自身而言，與 互聯網協議（例如，TCP/IP、VPN、PPPoE（DSL）等）相似，這使得EtherCAT網絡對乙太網 設備完全透明。帶有交換機連接埠的設備負責將 TCP/IP 數據片段插入到 EtherCAT 數據流中， 避免了對網絡實時性的影響。

另外，EtherCAT 設備也可以支持乙太網協議（例如 HTTP 協議），因此在 EtherCAT 網段 外，這些 EtherCAT 設備看上去就像一個標準的乙太網節點。主站設備如同一個鏈路層交換 機，根據各個節點的 MAC地址通過 EoE 發送數據幀給對應的節點。諸如整合 web伺服器、 電子郵件、FTP傳輸等所有的互聯網技術都可以在 EtherCAT 環境中得以應用。

其他

Servo Profile over EtherCAT（SOE） SERCOS™ 被認為是一種實時通信介面，尤其適用於運動控制。用於伺服驅動的 SERCOS™行規屬於國際標準 IEC 61800-7 的範疇。標準還包含了該行規對應于 EtherCAT 行規的 映射。包含訪問驅動內部參數和功能的服務通道被映射到 EtherCAT 郵箱。

File access over EtherCAT（FoE）FoE 協議與 TFTP（Trivial File Transfer Protocol）協議類似，可通過網絡訪問設備中的檔案 以及將統一的韌體跨網絡上傳到設備。FoE 協議有意識地用一種精簡模式定義，因此可由 BootLoader 程序支持，而無需 TCP/IP 協議堆棧。

ADS over EtherCAT (AoE)作為基于郵箱的客戶端-伺服器協議，ADS over EtherCAT（AoE）由 EtherCAT 規範定義。諸如基于 EtherCAT 的 CAN 應用協議（CoE）提供了詳細的語義概念，而 AoE 則通過路由和 並行服務完美地補充了無論何種用例所需的這些功能。例如，使用來自PLC程序的（CANopen®、IO-Link™等）網關設備通過 EtherCAT 訪問子網。與因特網協議（IP）提供的類似服務相比，AoE 的開銷要小得多。發送方和接收方尋 址參數始終包含在 AoE 報文中，因此，對伺服器和客戶端的實施可以非常精簡。AoE 可以 選擇通過 EtherCAT 自動化協議（EAP）進行非週期性數據通信。因此，可以通過網關連接 實現 MES 系統、EtherCAT 主站和從站現場匯流排設備之間的無縫通信。AoE 服務作為一種標 準意味著它能夠從遠程診斷工具獲取 EtherCAT 網絡診斷信息。

EtherCAT介紹10：取代PCI

 PCI

PCI(Peripheral Component Interconnect)是 一種由英特爾（Intel）公司1991年推出的用於定義局部匯流排的標準。此標準允許在計算機內安裝多達10個遵從PCI標準的擴展卡。

PCI插槽是基于PCI局部匯流排的擴展插槽，其顏色一般為乳白色，位於主板上AGP插槽的下方，ISA插槽的上方。其位寬為32位或64位，工作頻率為33MHz,最大數據傳輸率為133MB/sec(32位)和266MB/sec(64位)。可插接顯卡、音效卡、網卡、內置Modem、內置ADSLModem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE介面卡、RAID卡、電視卡、視頻採集卡以及其它種類繁多的擴展卡。PCI插槽是主板的主要擴展插槽，通過插接不同的擴展卡可以獲得目前電腦能實現的幾乎所有功能，是名副其實的“萬用”擴展插槽。

取代PCI

在這種PCI卡的應用中，基本上用卡就可以行了。如下圖一般的連接和系統框架：

但是這裡面有幾點值得考慮：

1）接線和佈線。這種方式必須要考慮到PCI的介面穩固性，然後還需要接很大的綫纜。

2）多軸。如果軸數，IO數量多時，這種方式要插太多卡，每個卡上面需要接密密麻麻的綫纜。

3）體積。帶卡槽的工控機一般的體積都很大，美觀和安裝空間還有散熱等都要考慮。

通過EtherCAT匯流排方案，控制器就能把上述所有的功能放到類似上圖的高性能控制器中，不要考慮擴展卡槽等結構可能出現的接觸不良等問題。

當然，我們遇到類似的方案時，需要綜合考慮客戶的需求和習慣，還有成本週期等因素，最後選擇合適的方案。

EtherCA介紹9 ：綫纜標準及接線

 綫纜標準

我們已經在前期介紹過EtherCAT匯流排的綫纜標準，這裡我們再介紹下：

EtherCAT通訊電纜定義標準介面

平行綫還是交叉綫

一般在EtherNet乙太網接線有兩種形式平行（直連）和交叉：

如果是自己製作電纜，可以按照下面方式進行：

一般地，同種設備用交叉綫，異種設備用直連線。比方說，都是網卡或交換機，就用交叉綫，如果是網卡連交換機，就用直連線。

而EtherCAT匯流排不管是平行還是交叉，都可以，任由你選擇。

需要重點說明的是屏蔽和接地的問題，網絡的穩定性很關鍵：

第一：屏蔽雙絞綫（STP）

第二：可靠接地（保證電纜兩端屏蔽層大面積接觸且低阻抗導體連接接地）

硬件介面

按照常規的硬件介面來說，推薦下圖幾種：

關於本期內容，您如果有更多高見，歡迎留言討論。

EtherCAT介紹8 ：配置簡單

 拓撲結構

我們已經在前期介紹過EtherCAT匯流排的拓撲形式，幾乎包含所有的拓撲類型。所以對於工業上的多麼複雜的網絡結構都能輕鬆應對。

而EtherCAT網絡可以自動進行掃瞄，無需手動一個個的添加，方便快捷，例如在CODESYS平台添加設備，直接scan device：

上面確定無誤後，直接Copy All Devices to Project即可。需要注意的是，已經有安裝好設備的XML描述檔案，這樣才能識別成功，具體方法參考往期文章：第三方EtherCAT匯流排伺服驅動配置

也可以對掃瞄的網絡和實際的設備進行自動對比：

精確診斷

當某個設備發生故障時，可以精確定位到具體節點。

當然，通過網絡結構Online在綫查看，可圖示化定位具體的位置：

基于這種方式就可以精確定位到故障節點位置，還有可能發生故障的具體信息，方便我們進行故障的排除和解決。

無需定址

在其他一些網絡配置過程中，老需要對設備進行撥碼或者設定地址，而在EtherCAT匯流排中無需手動定址，自動完成，方便快捷。

例如，在CODESYS平台添加EtherCAT主站，定址的選項預設都是自動的方式：

所以，在使用EtherCAT匯流排技術，定址是無需考慮的事項。

就是這麼簡單高效。本期內容，您如果有更多高見，歡迎留言討論。

EtherCAT介紹7

 綫纜冗餘Cable Redundancy

綫纜冗餘模式下的EtherCAT®匯流排系統可以在電纜中斷或節點故障的情況下保持通信。基于上期說的環形拓撲，如果環在某個點上中斷，兩個分支仍然可以到達。

最全的PLC通訊協議解析之EtherCAT篇(6)

所以我們的主站至少需要兩個EtherCAT通訊介面。如上圖控制器，我們基于CODESYS平台開發的控制器，可以實現多個EtherCAT通訊，且可以配置成冗餘模式。

冗餘配置

首先，控制器至少需要兩個EtherCAT通訊口，當然我們可以通過普通的網口進行驅動配置。詳情參考：【01】工控機EtherCAT通訊網卡選型

控制器也可以定做：定製專屬您的CODESYS控制器

然後，我們打開CODESYS IDE編程軟件進行配置：

打開後，先添加EtherCAT_Master_Softmotion這種類型，然後在上圖的Recundancy冗餘這個選項進行勾選。這個時候，下方就會多出紅色方框的Redundancy EtherCAT NIC Settings選項。

再次選擇Select..在彈出的對話框裡選中第二個EtherCAT網卡即可。

最後按照環形拓撲結構進行EtherCAT網絡連接即可，有時間的朋友可以趕緊試試。

EtherCAT介紹6

 拓撲結構

EtherCAT幾乎支持所有的拓撲結構：綫型、樹型、星型、菊花鏈型。EtherCAT 使得帶有成百上千個節點的純匯流排型或線性拓撲結構成為可能，而不受限于級聯交換機或集綫器。

EtherCAT 網絡可連接多達65535個設備，網絡容量幾乎沒有限制。由於實際上節點數 量沒有限制，可以將模組化的 I/O 設備設計為每個 I/O 片都是一個獨立的EtherCAT從站。因此無需本地擴展匯流排，高性能的EtherCAT 能直達每個模組。因為在匯流排耦合器上無需網關，所以沒有任何延時。

硬件支持

常規的線性拓撲結構都容易實現，但是星形的拓撲沒有合適的Junction支持是比較難實現的。

比如倍福，提供類似的介面模組，這些型號主要包括：EK1122,EK1521,EP1122還有CU112x.等。具體的使用參考供應商或者聯繫售後支持。

例如上圖中的環形結構需要GX-JC03這樣的從站（IN、X2、X3），才可以方便實現環形拓撲結構。需要注意的是三個介面已經預定義，不能隨便接入，即使都是常規的RJ45介面。

熱連接(Hot Connect)和冗餘

EtherCAT熱連接技術使得拓撲更加靈活，對於熱連接的組，就算移除掉（在啟動前或系統運行中），不會導致整體進入異常。這樣方便我們對設備進行模組化設計，按照實際需要進行從站的配置。例如，我們某款設備常規6個伺服從站，但是也有可能5個，把其中另一個設為熱連接後，就可以直接移除，設備整體運行不受影響。

關於Hot Connect內容，詳情請參考：

https://infosys.beckhoff.com/english.php?content=../content/1033/ethercatsystem/2469078667.html&id=

在線形結構中，如果兩個EtherCAT從站之間綫纜斷開或者送掉後，有可能導致EtherCAT網絡故障，設備無法進入正常運行模式。

但是，如果有環形拓撲結構及綫纜冗餘技術，設備運行過程中，突然斷線或者失去連接，完全不會影響整體的設備運行，這對於一些穩定要求性高的設備和產綫而言，此結構非常有必要。

當然，這種是從站設備之間通過EtherCAT Junction 實現的環形連接，主站也可以設置冗餘，這裡我們下期再進行分享綫纜冗餘Сable redundancy，歡迎持續關注。

EtherCAT介紹5

 基于乙太網的通訊協議

乙太網無處不在，並且具有成本效益，它採用公共物理鏈路且速度更快。

正因如此，多種工業通信協議正轉移到基于乙太網的解決方案上。

支持 TCP/IP 的乙太網通信通常具有不確定性，反應時間通常約為 100ms。

工業乙太網協議使用經過修改的介質訪問控制 (MAC) 層來實現非常低的延遲和確定性響應。

乙太網還使系統具備靈活的網絡拓撲和靈活的節點數量。我們來詳細瞭解一些流行的工業乙太網通信協議。

主要有以下幾種：

EtherCAT

Powerlink

Ethernet/Internet Protocol (IP)

Modbus/Transmission Control Protocol (TCP)

ProfiNet

圖片關於這幾種匯流排通訊協議，近期會詳細的一一介紹，這裡暫時不做展開，歡迎大家持續關注Hello工控。

乙太網不同類型對比

乙太網在工廠的不同層級都有使用，例如（自動化現場層、控制層、辦公應用層），如下圖所示：

那麼，在選擇和使用乙太網通訊的時候，我們需要注意通訊的速率、介質，還有實際的通訊距離，我們這裡整理總結如下圖供各位參考：

EtherCAT性能

借助于從站硬件整合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 µs，其中還包括I/O週期時間（參見下圖）。

100個伺服軸的通訊也非常快速：可在每100µs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，分佈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，頻寬仍足以實現非同步通訊，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匯流排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，匯流排系統不再是控制理念的瓶頸，分散式I/O可能比大多數本地I/O介面運行速度更快。EtherCAT技術原理具有可塑性，並不束縛于100Mbps的通訊速率，甚至有可能擴展為1000Mbps的乙太網。

得益於EtherCAT的On-the-fly運行機制和獨特的EtherCAT通訊幀結構，他的性能相比較而言，目前是最優的：

EtherCAT介紹4

 重要性

在工業自動化設備中，之所以選擇匯流排，主要考慮的是通訊速度、頻寬還有就是穩定性和同步性。特別是在運控領域，微秒級別的同步，高速運動過程中的位置鎖存（飛拍、追剪等應用），那同步性是相當重要。

分散式時鐘（DC）原理

在EtherCAT匯流排網絡中，術語“分散式時鐘”是指分散式時鐘的邏輯網絡。通過使用分散式時鐘，EtherCAT實時乙太網協議能夠在非常窄的容差範圍內同步所有本地匯流排設備中的時間。如果EtherCAT從站支持分散式時鐘功能，則它包含自己的時鐘，該時鐘在打開後最初在本地運行，基于EtherCAT從站內部的獨立時鐘生成器（石英、振盪器等）。

在EtherCAT鏈中，有一個選定的EtherCAT從站，代表參考時鐘（M，見圖EtherCAT系統中的分散式時鐘），其他設備和控制器的從機時鐘（S）與之同步。因此，參考時鐘即是系統時間。如果EtherCAT主機支持分散式時鐘功能，例如Beckhoff TwinCAT EtherCAT主站，則其可自動連續處理調整和同步。為此，EtherCAT主機以短時間間隔發送一個特殊EtherCAT數據報文（具有足夠的頻率以確保從站時鐘在指定的限制內保持同步），其中EtherCAT從站與參考時鐘進入其當前時間。然後，所有其他具有從時鐘的EtherCAT從站從同一數據報中讀取該信息。

由於EtherCAT的環形結構，如果參考時鐘在拓撲上位於所有其他從站時鐘之前，這是可能的。因此，EtherCAT主設備選擇第一個具有分散式時鐘功能的EtherCAT從站作為參考時鐘。

因此，EtherCAT配置的特點是EtherCAT主機操作和管理與連接的EtherCAT從站的匯流排。其中一個EtherCAT從站包含參考時鐘(M)，所有其他EtherCAT設備（即包括EtherCAT主站）代表從站時鐘（S)。

EtherCAT從站控制器（ESC）處理EtherCAT通信，尤其是EtherCAT從站中的分散式時鐘功能。這是諸如ASIC或可重編程FPGA或類似物的電子部件（晶片）。每個EtherCAT從設備都有這樣一個ESC，以確保通過EtherCAT現場匯流排在主設備和從設備之間交換循環和非循環過程數據。該ESC可以直接處理數字輸入和輸出等簡單功能，也可以通過串列/並行介面連接到EtherCAT從機中的另一個處理器，以處理更複雜的任務，如驅動控制。特別是，如果EtherCAT從站需要支持此功能，ESC會管理本地分散式時鐘功能和相關任務。

EtherCAT從站的示意圖如圖所示。ESC功能和嵌入典型EtherCAT從屬機的示例。此外，在後者中嵌入ESC及其基本功能的選擇。

信號通過轉變器從RJ45插座傳輸到PHY（物理介面）。它從編碼的乙太網信號中提取用戶數據，並將其傳輸到ESC進行處理。然後，EtherCAT電報以最小延遲（由於動態處理）通過PHY和套接字中繼到下一個EtherCAT從機。當從設備啟動時，ESC自動通過EEPROM中的配置數據對自身進行參數化。如果從設備中存在另一個CPU，則從站可以通過介面與其通信。

ESC的分散式時鐘單元在完整配置中提供以下功能（取決於設備實現）：

EtherCAT從設備和主設備之間的時鐘同步

同步生成輸出信號（同步信號）

同步讀取輸入信號

輸入信號（鎖存信號）的精確時間戳

同步中斷的生成

同步性能

與立即受到通信誤差影響的完全同步通信相比，分散式同步時鐘對通信系統中的抖動具有高度的容忍度。因此，用於同步節點的EtherCAT解決方案是基于這種分散式時鐘（DC）的。

節點中時鐘的校準完全基于硬件。從第一個DC從設備開始的時間被循環地分配給系統中的所有其他設備。通過這種機制，從設備時鐘可以精確地調整到該參考時鐘。系統中產生的抖動明顯小於1μs。

由於從參考時鐘發送到從設備的時間略有延遲，因此必須測量並補償每個從設備的傳播延遲，以確保同步性和同時性。這種延遲是在網絡啟動期間測量的，如果需要，甚至是在操作期間連續測量的，以確保時鐘在彼此小於1μs的範圍內同步。

圖 : 同步性與一致性：相距電纜長度為有120米的兩個分佈系統，帶有300個節點的示波器比較

此外，高分辨率的分佈時鍾不僅可以用於同步，還可以提供數據採集的本地時間精確信息。當採樣時間非常短暫時，即使是出現一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一個邏輯擴展，乙太網所提供的巨大頻寬使得高分辨率的系統時間得以與測量值進行連結。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，其精度要高於基于自由同步誤差的通訊測量技術。

EtherCAT分散式時鐘優勢

EtherCAT的分散式時鐘提供了幾個優勢，使其成為工業自動化的首選。

首先，分散式時鐘實現的緊密同步提高了控制精度、準確性和整體系統性能。由於所有設備的時間都是相同的，運動控制系統可以以最小的誤差執行協調的運動。

此外，EtherCAT的分散式時鐘提供了一種經濟高效的解決方案。與其他需要額外硬件進行時間同步的協議不同，EtherCAT使用低成本的EtherCAT ESC晶片實現時間同步。這些晶片整合了分散式時鐘所需的多種功能，無需專門的卡或複雜的軟件堆棧。

EtherCAT從站同步模式

Ether CAT從站主要有以下同步模式：

（Free Run）：自由運行

EtherCAT從站與EtherCAT不同步。從設備根據自己的週期自主運行，不與EtherCAT週期同步。

（Synchronous with SM event ）：與SM事件同步

EtherCAT從設備與SyncManager 2（SM2）事件（如果傳輸週期性輸出）或SM3事件（如果僅傳輸週期性輸入）同步。處理經過的幀時，SyncManager會觸發SM2/SM3事件。

（Synchronous with SYNC event (distributed clocks)） ：與SYNC事件（分散式時鐘）同步

EtherCAT從機與分散式時鐘系統的SYNC0或SYNC1事件同步。具體可查看文末的文獻連結。

同步模式相關的所有參數都列為EtherCAT從站設備的CoE列表中的對象。它們可以由從設備在綫讀取，也可以通過描述從設備的XML檔案離線確定。

例如，在CODESYS平台控制器中，設定伺服的同步模式，有些伺服預設是不會選擇DC模式，這個時候需要自己在圖示處選擇：

實際測試發現，部分設備伺服運行有些異常抖動，不管如何設定其他參數都無效，反而將DC項目設置成上述這個模式DC Sync0即可解決。

關於分散式時鐘，主要整理於倍福官網和其他網站（具體見下方文章連結），對於描述不恰當的地方請各位朋友留言區補充，另外，這塊理解起來比較難，如果需要詳細的瞭解和研究，請到下述連結仔細查閲：

https://www.ethercat.org/en/technology.html#1.5

https://infosys.beckhoff.com/english.php?content=../content/1033/ethercatsystem/2469062027.html&id=

https://www.toolify.ai/gpts/optimize-ethercat-systems-with-distributed-clocks-306598

https://ww2.mathworks.cn/help/slrealtime/io_ref/ethercat-distributed-clock-algorithm.html

EtherCAT篇3

EtherCAT 幀

與標準乙太網通信一樣，EtherCAT利用乙太網幀在整個網絡中傳輸數據。EtherCAT幀基于IEEE 802.3乙太網標準；然而，它們是以一種特殊的方式構建的，可以針對增加的頻寬和短週期的過程數據對它們進行優化。

EtherCAT幀還消除了更大的協議棧，如UDP/IP或TCP/IP，這意味著EtherCAT不是一個基于IP的協議，更類似於第2層或數據鏈路層協議。

EtherCAT幀或電報由乙太網標頭組成，後跟EtherCAT數據，並以幀檢查序列（FCS）結束。EtherCAT協議通過使用乙太網頭中EtherType欄位中的0x88A4標識符進行識別。

EtherCAT數據包含一個EtherCAT特定的頭，後面跟著EtherCAT Datagram。EtherCAT標頭指定後續EtherCAT數據報文的總長度和類型。EtherCAT頭之後是EtherCAT數據報文，它包含將在網絡中讀取或寫入的實際數據。這些數據包括地址規範、主機想要執行的命令類型（即讀取、寫入或讀寫）以及循環過程數據（PDO）。

單個EtherCAT幀最多可包含1498個位元組。如果需要超過1498個位元組，則主設備將發送多個數據幀，並且每個幀將包含標識符，該標識符用信號通知網絡上的設備是否應該期望在當前幀之後的另一幀。

EtherCAT主機負責組裝EtherCAT幀並通過網絡發送。主機發送的每一幀都會通過網絡中的每個節點（邏輯環）。此外，由於靈活的拓撲選擇，不需要網絡交換機或路由器，進一步降低了定時延遲和硬件成本。

On the fly

從字面上意思來看，意味著EtherCAT處理數據是“飛一般的快速”。

EtherCAT利用“On-the-fly”處理機制，只允許向所有節點發送一幀。EtherCAT主控制器組裝幀並將其發送出去。在每個週期中，幀在網絡中傳播，在返回到主節點之前經過每個節點。幀包含從屬節點的信息，包括定址、EtherCAT命令類型（讀、寫或讀寫）和實際過程數據。當每個幀在網絡中傳輸時，每個設備都會查找並提取定址到它的數據，並在幀下行時將新數據插入幀中。當幀到達網絡中的最後一個節點時，使用乙太網的全雙工功能將幀發送回主設備。 

優勢

EtherCAT的動態處理機制（On-the-fly）提供了許多性能和成本節約優勢。例如，儘管在非常大的網絡的情況下可以使用多個幀，但是單個幀通常足以向所有節點發送數據和從所有節點接收數據。此外，EtherCAT主設備是唯一允許發送新幀的設備。網絡上的所有其他設備只需接收幀、處理幀並轉發即可。這消除了意外的延遲，使EtherCAT適合實時應用。

EtherCAT介紹2

 20世紀80年代，乙太網是一種相對專業的計算機連接技術，由經驗豐富的大師在高度受控的辦公環境下管理。

從那時起，技術和性能取得了令人難以置信的進步，世界上許多人在日常生活中使用有線和無線（Wi-Fi）乙太網。

當然，聯網對於工業自動化目的也同樣至關重要，但用於該服務的技術始終需要滿足以下幾個要求：

適用於現場環境的外形因素和安裝方法（易於安裝，能承受環境溫度/污垢/濕氣/物理條件） 

對來自電源、電機、接觸器和其他來源的電雜訊具有強大的抵抗力 

足夠的頻寬和響應能力 

最早的數字通信和網絡操作技術（OT）方法是專門的，甚至有時是專有的，而且是有限的（有幾個版本是可行）。然而，最終的規模經濟使乙太網信息技術（IT）有可能在所有級別的工業自動化通信中佔據主導地位。

EtherNet vs EtherCAT

基于乙太網的匯流排解決方案已成為運動和工業控制通信的主導方法。TCP、UDP、ModbusTCP、EtherNet/IP、ProfiNet和EtherCAT均是實現高速、穩健通信的幾個乙太網協議。

由於EtherCAT和乙太網使用相同的物理硬件，並且經常一起使用，因此很難區分它們。然而，控制系統設計者可以通過理解幾個關鍵因素（如應用場合、同步性和成本等）來做出明智的選擇。

一般地，EtherNet遵循標準的OSI 7層網絡協議如下圖所示：

相比較而言，EtherCAT基于EtherNet進行了創新和改進，沒有那麼多層，僅第1、2層用來傳遞數據。

所以基于此在傳遞數據上，速度更快，且減少了各層之間的數據傳遞風險和不確定性。

速度對比

我們通過下面的例子來說明EtherCAT匯流排通訊的速度：

圖片根據上述通訊幀，如果傳遞一個DINT類型的（4個位元組）的數據，那麼：

EtherNet需要傳輸總計：8+6+6+2+46+4 = 72 byte 的數據長度

EtherCAT需要傳輸總計：2+12+4 = 18byte 的數據長度

所以，同樣的通訊介質下，EtherCAT通訊所需要的時間僅僅是EtherNet通訊的四分之一。

運控對比

如果使用乙太網的方式做運動控制，一般指的是主機和Motion運動控制器之間通過TCP通訊的方式進行指令和數據收發，通過控制器來實現運動控制，那麼本身乙太網的實時性不高，所以無法控制同步性能很強的運控解決方案。圖片

相對於上述方案而言，EtherCAT匯流排控制方案裡面多了EtherCAT Master主站，所有的從站（IO或者伺服）通過EtherCAT進行實時通訊，最低可達微秒的級別。

當然，EtherCAT需要更多的成本，首先需要對主從站進行軟件配置，其次每個從站需要特定的協議數據包，且無法與傳統的路由器、交換機進行網絡兼容，最後每個從站還需要專用的EtherCAT匯流排ASIC晶片。

總結

對於更低成本但實時性要求不高的場合，可以考慮通用的EtherNet通訊，畢竟這種技術已經發展近50年，相對成熟，實施也更快。

而對於運動控制場合，特別是1ms內的同步控制，那首選是EtherCAT。

當然，目前數字化和智能化的發展，我們應該結合兩種的優勢，進行綜合考慮，最終給到客戶滿意的方案。