無論是功能還是數量，工業應用網絡技術都獲得了長足的發展。在上世紀80年代末推出的現場總線，是模擬型4-20mA繼電器系統的數字替代品，應用于可編程邏輯控制器（PLC），但新興的基于PC的機器控制的掃描周期更快，現場總線很少能夠望其項背。

在隨后的現場總線之爭中，工程師和工廠管理人員開始傾向于基于以太網的實時總線系統，該系統不但可以提供高速傳輸，并有助于推動信息技術/運營技術（IT/OT）的融合。

由于目前使用的很多功能已經得到驗證，因此基于以太網的系統應用非常廣泛。但是，現在的問題不是工廠應該選擇哪種類型，而是工廠是否需要選擇一種。自誕生以來，符合IEEE 802.3通信標準的以太網已經應用了很長一段時間，許多新組件都支持通信，而不必與傳統的現場總線捆綁在一起。此舉是否有助于工廠擺脫昂貴的管理型交換機以及流行現場總線存在的其它不足？它能擺脫供應商專有的通訊協議嗎？

盡管某些工業以太網系統有其局限性，但將標準以太網直接應用于重要的制造、包裝和物料搬運場景，可能會帶來風險。

工程師在不同應用中所尋求的實時性、時間同步和獨立性，已在開放式技術（例如EtherCAT工業以太網系統）中實現。EtherCAT可以提供確定性、適用于工業環境的強大硬件、系統架構的靈活性以及內置的安全性，可在IT部門不干預的情況下保護機器和企業級網絡。

在需要確定性、實時性的制造應用中，EtherCAT工業以太網系統具有優于標準以太網的巨大優勢。本文圖片來源：倍福

確定性和可靠性

在家庭環境下使用以太網時，很少會因為系統故障而導致嚴重后果。一般也就是網頁無法加載、電子郵件發送失敗或系統死機，它們都不是關鍵任務。也就是再等2秒鐘、甚至一分鐘而已，并不符合關鍵任務的定義。大多數消費者并不十分在意標準以太網的缺點，例如帶寬利用率差、堆棧延遲、交換機延遲和星形拓撲。

但是，在工業環境中，可靠的數據傳輸至關重要。如果設備控制器的指令不能及時傳輸到各個組件，或者控制器無法得到足夠的反饋，可能會導致嚴重后果。與標準以太網和其它工業以太網協議相比，EtherCAT提供了跨行業應用所需的可靠性和確定性。工業以太網系統即使以100Mbit/s的速度通信，也可以確保用戶在不同規模的機器和工廠之間，可靠、同步地發送和接收數據幀。

EtherCAT G和G10，傳輸速度分別為1 Gbit/s和10 Gbit/s，可以為高分辨率的機器視覺、高端測量、高級運動控制、機器人技術和復雜機電系統等應用提供必要的帶寬。結合新引入的分支控制器模式，EtherCAT G可將工業通信時間縮短 2-7 倍，帶寬提高 10 倍（具體取決于應用）。而 EtherCAT G10 甚至可以將帶寬提高 100 倍。

獨特的分支控制器模式可以將100Mbit/s EtherCAT網絡集成到EtherCAT G分支中，反之亦然，只需添加耦合器即可。這樣可以確保系統的可擴展性，具有無需徹底翻新和更換，即可升級應用系統的能力。

EtherCAT G技術由德國倍福自動化公司在2018年推出，作為EtherCAT技術協議的擴展。2019年，EtherCAT技術協會（ETG）的技術委員會經過評審，正式支持該技術。目前，ETG正在努力將EtherCAT G技術添加到技術規范中。

工業加固的以太網硬件

生產制造環境需要能夠承受極端條件的技術。與IT部門可能在辦公室內使用的消費級路由器和交換機相比，工業加固的I/O終端提供了更多的外形和功能。這些可能包括：用于批量生產設備的IP20等級的卡件，在現場安裝的IP67和IP69K等級的I/O模塊以及在PCB板上安裝的插件模塊。即使是標準以太網電纜,也應配置適當的屏蔽層，并且使用專為工業用途設計的連接器，否則可能會出現通信問題。

作為一種開放式解決方案，EtherCAT可以與“常規以太網”以及超過25種其它現場總線和工業以太網系統連接，只需添加耦合器或網關即可，而不會引起傳輸延遲。利用多個耦合器，具有TCP/IP通信功能的EoE（Ethernet over EtherCAT）可以確保EtherCAT網絡的互操作性。

工業應用需要經過工業加固的設備，EtherCAT提供IP67等級的I/O模塊，可安裝于工業現場。

提供同步功能

單個EtherCAT網絡可以支持65,535個設備，無需MAC或IP地址即可自動配置硬件。內置了自由拓撲選擇，無論是星形、線形、樹形還是其它類型，都不會造成性能損失。通過改進診斷界面，可以從網絡中收集現有的診斷信息，從而改善已經強大的診斷功能，使故障排除變得更加容易。

通過動態處理，EtherCAT能以100 Mbit/s的速率在一個以太網幀中與許多節點循環通信。使用EtherCAT，每30μs就可以輪詢1,000個分布式數字I/O，每100μs可輪詢100個伺服軸。

從站中集成了EtherCAT ASIC或FPGA硬件，并且可以通過主站網卡直接訪問內存。通信協議處理獨立于CPU性能、協議棧或軟件實現的信息。

EtherCAT網絡設備通過分布式時鐘進行同步。所有EtherCAT設備都內置了本地時鐘，以連續保持標準時基，時鐘之間的偏差小于100 ns，這代表了不同的通信運行時間。這樣就可以確保所有設備之間的精確同步。它還可以實現確定性的實際值采集和確定性的設定值輸出，以實現絕對精確的響應時間。

安裝在PCB板上的EtherCAT插件模塊，有助于實現設備的最佳批量生產。

功能安全性

EtherCAT還提供FsoE（Safety over EtherCAT），這是經TüV認證的功能安全協議。所有其它冗余安全設備均使用FSoE，它使用“黑色通道”方法通過用于機器控制的同一條以太網電纜，提供必要的安全通信冗余。FSoE為眾多離散和過程工業應用提供數字和模擬安全性。

EtherCAT的功能原理還有助于保護工廠免受網絡威脅。EtherCAT主設備控制所有從設備，從而使中間人攻擊無效。由于系統不是基于因特網協議的，因此惡意軟件無法通過EtherCAT傳播。網絡僅轉發EtherCAT幀，從控制器芯片會過濾掉其它任何以太網幀，包括那些損壞的數據或受到感染的幀。這些特性，再加上不使用管理型交換機，因此不需要IT部門介入生產系統。（作者：Sree Swarna Gutta）
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