什么是EtherCAT？详解工业自动化领域的以太网技术

什么是EtherCAT？详解工业自动化领域的以太网技术

EtherCAT是什么？EtherCAT是专为控制自动化技术设计的以太网技术。它基于以太网标准，特别针对工业自动化需求进行了优化。

EtherCAT使用标准的以太网帧和物理层，符合IEEE 802.3以太网标准，同时解决了工业自动化中的特定需求，如：

• 快速响应时间
• 每个设备的最小数据要求
• 实施成本低

以太网与EtherCAT的区别

以太网对于许多工业应用来说并不是一个实用的解决方案，因为它需要将数据帧单独路由到和从大量不同的地址传输，即使数据可能只是简单的单个寄存器读取。

这种节点特定的路由需要巨大的带宽，因为数据包只有在主设备或客户端请求数据时才会移动。这就是为什么比较EtherCAT和以太网很有帮助的原因。

相比之下，EtherCAT使用与以太网相同的物理和数据链路层，但协议有所不同。以太网能够通过许多不同的节点路由数据，在主从配置中发送和接收基于请求的数据。

而在EtherCAT中，主设备发送数据，可能只发送一个完整的节点网络帧。主设备是唯一的允许发送帧的节点。帧然后由网络中的每个节点向下转发。这种方法有助于确保实时操作并避免延迟。

EtherCAT设备实时数据处理

每个EtherCAT设备在硬件/软件中实时处理与其相关的数据帧，并在数据帧通过网络时添加其数据。

EtherCAT网络不需要外部交换机。每个EtherCAT设备通常有两个以太网端口，第一个端口是接收端口或前一个节点的电缆，第二个端口连接到网络中的下一个节点。

在设备硬件中实时处理数据是EtherCAT的主要优势之一。

EtherCAT兼容速度

虽然设备在数据帧中添加数据时仍存在微小延迟，但与以太网网络中使用的多个以太网帧相比，EtherCAT的单数据流大大减少了延迟。这个优势也可能成为一个劣势。

许多设备可能无法处理这些高度减少的循环时间，因此可能需要减慢EtherCAT网络以适应这些设备。由于EtherCAT网络可以减慢，因此可以将这个劣势再次视为优势。

EtherCAT分布式时钟系统

EtherCAT还利用分布式时钟系统。这种方法允许在不增加额外硬件的情况下实现低抖动，并满足工业自动化所需的同步要求。

当EtherCAT帧通过每个节点时，节点会为其数据添加“接收消息”时间戳。每个节点在接收到消息时添加时间戳，然后在帧返回主设备时再次添加时间戳。主设备然后可以计算每个节点的准确延迟。

由于EtherCAT固有的环形拓扑结构，这种分布式时钟机制确保了每次数据传输时数据的准确性越来越高。

EtherCAT网络拓扑

EtherCAT的另一个优势在于网络拓扑的灵活性。可以在EtherCAT网络中使用多种不同的网络拓扑。由于它利用了以太网的全双工层，EtherCAT从设备会在检测到下游开放端口时自动将帧返回主设备，实现自我终止。

以太网的星型拓扑很简单，但EtherCAT网络可以扩展到树形、线形等更多拓扑结构。它还可以在使用以太网硬件的现场总线系统中使用，为EtherCAT网络提供了极大的灵活性。

EtherCAT环形拓扑冗余

考虑到EtherCAT固有的“环形技术”，将网络连接成环形拓扑将是一个“冗余系统”。因为它是固有的环形拓扑，连接主设备的第二个端口（如果可用）将在网络断开的另一侧提供冗余。

每种拓扑类型都应根据您的网络需求进行调查，以确定哪种解决方案最适合您的应用。

EtherCAT相对于以太网的优势

总结来说，EtherCAT是带有“附加功能”的以太网。针对工业领域设计，EtherCAT在标准以太网网络方面具有以下优势：

• 极大提高的速度
• 减少数据流量
• 实施硬件成本降低
• 由于分布式时钟机制，数据越来越准确

EtherCAT确实是工业控制领域实时和高速网络的理想选择！