自动化行业现场总线璀璨新星——EtherCAT现场总线

​一、EtherCAT现场总线概念

EtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术（Control Automation Technology）字首的缩写。EtherCAT是确定性的工业以太网，最早是由德国的Beckhoff公司研发。

EtherCAT总线用户

自动化工控行业，对通讯一般会要求较短的数据更新时间（或称为周期时间）并且具备一定的实时性，即在一定的周期时间内，每个周期不能超时，如果超时就很有可能会丢包，连续丢包就有可能导致总线掉线，引起设备故障，给设备生产带来很大的影响；与此同时，EtherCATE总线更新的数据同步的通讯抖动量小，而且硬件的成本要低，EtherCAT开发的目的就是让以太网可以运用在自动化应用中，实时性高，稳定性高。

二、EtherCAT拓扑

EtherCAT拓扑

信息层：触摸屏；

控制层：控制器/PLC；

驱动层：EtherCAT驱动器；

执行层：电机。

三、现场总线比较

现场总线比较

四、EtherCAT SLAVE

SLAVE从站

五、EtherCAT应用层

使用EtherCAT 通信可以有多种的应用层协议，比如目前科伺伺服驱动器中，采用的是IEC61800-7(CiA402)-CANopen 运动控制子协议。下图是基于CANopen应用层的EtherCAT通讯结构。 ​​​​​​​

EtherCAT通讯结构

上图为基于CANopen应用层的EtherCAT通讯结构。结构图中，在应用层对象字典里包含了:通信参数、应用程序数据，以及PD0的映射数据等。PDO过程数据对象，包含了同服驱动器运行过程中的实时数据，且以周期性地进行读写访问。SD0邮箱通信，则以非周期性的对一些通信参数对象、PD0过程数据对象，进行访问修改。

六、EtherCAT状态机

EtherCAT状态机

Init: 初始化，简写1;对应伺服通讯状态为:1 Pre-Operational: 预运行，简写为P;对应伺服通讯状态为:2 Safe-Operational: 安全运行，简写为S;对应伺服通讯状态为:4 Operational:运行，简写为0。对应伺服通讯状态为:8 注意：1、从初始化状态向运行状态转化时，必须按照 “初始化-->预运行-->安全运行-->运行”的顺序转化，不可以越级。

七、EtherCAT状态机描述

EtherCAT状态机描述

八、邮箱数据SDO

EtherCAT 邮箱数据SD0用于传输非周性数据，如通讯参数的配置，同服驱动器运 行参数配置等。 EtherCAT的CoE 服务类型包括:1)紧急事件信息;2)SDO 请求;3)SD0 响应;4)TxPDO;5)RxPDO; 6)远程 TxPDO发送请求;7)远程 RxPD0 发送请求:8)SDO 信息。

九、对象字典组成及分区

对象字典由索引和子索引组成：

对象字典索引和子索引

对象字典组成：

对象字典组成

十、SDO应用

SDO是EtherCAT网络中用于配置和管理节点参数的一种对象类型。它通过请求-响应机制实现数据的读取和写入。SDO适用于配置节点参数、读取设备状态和进行故障诊断等场景。SDO的数据传输是基于请求和响应的，需要节点之间进行交互。

启动参数

CoE在线

十一、过程数据PDO

PDO是EtherCAT网络中用于实时数据传输的一种对象类型。它用于将实时数据从一个节点发送到其他节点。PDO具有高实时性和低延迟，适用于需要快速传输数据的应用场景。PDO的数据传输是基于事件触发的，一旦触发事件，PDO数据将立即传输，不需要额外的请求和响应。

PD0实时过程数据的传输，遵循生产者-消费者模型。PD0可分为RPD0(ReceivePD0)，从站 通过RPD0接收主站的指令;从站通过TPD0(Trasmit PD0)反馈自身的状态到主站。

过程数据PDO

通常情况下，PDO映射用于建立对象字典与PD0的映射关系。1600h~17FFh为RPD0，1A00h~1BFFh为TPD0。

十二、同步模式(Synchronous Mode)

Available synchronization modes for slave: --Mode1 : FreeRun --Mode2：SM-Synchronous(synchronized to cyclic frames) --Mode3：DC-Synchronous (synchronized to SYNC interrupts)

FreeRun Mode：

FreeRun Mode

SM-Synchronous Mode：

SM-Synchronous Mode

DC-Synchronous Mode：

DC-Synchronous Mode

十三、EtherCAT技术优势

（一）超高实时性与同步性 EtherCAT 总线最令人惊叹的特点之一就是它的超高实时性与同步性。在实际应用中，EtherCAT 能够提供微秒级的周期时间 ，数据处理和传输的延迟非常低并且非常稳定，这对于需要快速响应的控制系统尤为重要。比如在一些高速运转的自动化生产线中，设备之间需要快速传递数据并做出响应，EtherCAT 总线可以轻松实现这一需求，确保生产线的高效运行。在电子芯片制造生产线中，芯片的加工和检测环节需要极高的实时性，EtherCAT 总线能够让设备之间的通信延迟控制在极短的时间内(us级别)，保证生产的连续性和准确性。

同时，前面介绍了，EtherCAT 还具备多种分布式时钟同步功能，可以实现纳秒级的同步精度 。这在对同步性要求极高的多轴运动控制等应用中，发挥着关键作用。例如在机械臂或多轴联动的协同工作中，多个机械臂或多轴联动需要精确同步运动，EtherCAT 总线的高精度同步功能能够确保每个机械臂都能按照预定的轨迹和时间完成动作，实现复杂的操作任务，如汽车零部件的精准装配。

（二）灵活多样的拓扑结构 EtherCAT 总线支持多种网络拓扑结构，包括线型、星型、树型和环型 ，这使得它能够轻松适应不同的应用场景。自动化行业，控制器或者PLC均可以通过分支器根据实际的应用场景来搭配不同网络拓扑结构，不仅方便现场组态，而且程序组态起来也很方便，同时方便后期的维护。

各种拓扑结构

线型拓扑就像一条串联的链条，即像是一列火车，每个车厢都连接在一起，所有从站通过单条通信链路依次连接，主站通过这一链路与所有从站进行通信。这种拓扑结构简单，成本低，适合设备分布较为集中、对布线要求不高的场景，比如小型自动化加工厂的生产线，设备沿着生产线依次排列，采用线型拓扑可以快速搭建通信网络。

星型拓扑则是使用一个或多个 EtherCAT 分支器，将多个设备连接到中心节点，就像星星的光芒从中心向四周发散。这种拓扑结构易于管理和维护，适合较大规模的网络结构，在大型工厂的车间中，各个区域的设备通过分支器连接到中心节点，方便集中控制和管理。

树型拓扑是星型结构的扩展，允许多个分支器进行扩展，适合复杂的自动化系统，比如大型自动化物流仓库，仓库中的货架、搬运机器人、分拣设备等分布广泛且复杂，树型拓扑可以根据设备的布局进行灵活的扩展和连接。

环型拓扑允许数据帧从主站双向传输，如果网络中某段链路出现故障，数据帧可以通过另一个方向到达目标节点，从而保证了系统的冗余性和可靠性 。在对可靠性要求极高的电力系统监控中，采用环型拓扑可以确保在部分线路出现故障时，数据传输依然能够正常进行，保障电力系统的稳定运行。

（三）高效的数据传输 EtherCAT 总线通过一种称为 “处理传输帧” 的独特机制，使数据帧在从站中传递时进行处理，而不是等待整个数据帧传输完毕 。这就好比在一场接力比赛中，选手在奔跑过程中就可以完成交接棒和传递信息的动作，而不需要停下来。这种机制极大地提高了数据处理效率，在一个数据帧中可以传输多个节点的数据，提高了带宽利用率 。

与其他一些传统总线相比，EtherCAT 的优势十分明显。例如，在处理大量 I/O 数据时，传统的 PROFIBUS 总线可能需要较长的时间来完成数据的传输和处理，而 EtherCAT 总线能够在更短的时间内完成相同的任务，大大提高了生产效率。在汽车制造工厂的焊接车间，大量的焊接机器人和传感器需要实时传输数据，EtherCAT 总线能够快速处理这些数据，确保焊接工作的精准和高效。

（四）出色的经济性 EtherCAT 总线使用标准的以太网组件和技术 ，这使得它的硬件成本相对较低，且不需要专用的布线，降低了系统的建设成本。同时，标准化的以太网技术和通用的诊断工具使得系统的维护和故障排查更加方便，进一步降低了使用成本。

以某自动化生产项目为例，采用 EtherCAT 总线后，硬件采购成本降低了约 30%，由于维护难度降低，每年的维护费用也减少了约 40%。在一个小型的电子产品组装厂，原本使用其他总线技术，每年在设备维护和升级上需要花费大量资金，改用 EtherCAT 总线后，不仅设备采购成本降低，后期的维护费用也大幅减少，为企业节省了大量资金。

（五）良好的开放性和兼容性 EtherCAT 是一个开放的技术标准 ，这有助于系统集成商和设备制造商之间的互操作性。不同厂家生产的设备，只要遵循 EtherCAT总线协议标准，就可以方便地集成到同一个系统中，不同平台的PLC，均可以适配第三方的EtherCAT总线从站产品，构造必要友好的生态环境。它与许多现有的以太网设备和协议兼容 ，便于现有系统的升级和扩展。比如，企业在对旧生产线进行升级改造时，不需要完全更换设备，只需要添加一些支持 EtherCAT 的模块，就可以将原有的以太网设备接入 EtherCAT 网络，实现设备的互联互通和协同工作，降低了升级成本和难度。

十四、广泛的应用场景

（一）工业机器人与数控机床 在工业机器人领域，EtherCAT 总线发挥着关键作用。工业机器人通常需要多个轴的伺服电机协同工作，以完成各种复杂的动作。EtherCAT 总线凭借其超高的实时性和同步性，能够实现多轴伺服电机的高精度同步控制。在汽车制造工厂中，焊接机器人需要快速、准确地完成焊接操作，EtherCAT 总线可以让机器人的各个关节电机精确同步运动，确保焊接位置的准确性和焊接质量的稳定性。

工业机器人以及数控机床领域

在数控机床方面，EtherCAT 总线同样不可或缺。它能够精确控制机床各轴的运动，保证加工精度和表面质量 。以龙门加工中心为例，通过 EtherCAT 总线实现多个轴的协同运动，可以完成大型工件的高精度加工。在加工航空发动机的叶片时，数控机床利用 EtherCAT 总线的精确控制，能够加工出复杂的曲面形状，满足航空制造对高精度零部件的需求，提高生产效率和产品质量。

（二）工厂自动化生产线 在电子制造生产线中，EtherCAT 总线大显身手。生产线上的贴片机、插件机、检测设备等众多设备，通过 EtherCAT 总线实现了快速的数据交换和协同工作。贴片机可以根据检测设备反馈的信息，实时调整贴片位置，确保电子元件准确无误地贴装在电路板上。这不仅提高了生产的自动化程度，还能实时监控生产过程，及时发现和解决生产中的问题，提高生产效率。

自动化生产线

在汽车装配生产线上，EtherCAT 总线也是实现高效生产的关键。不同工位的设备之间通过 EtherCAT 总线进行高效通信，确保汽车零部件的准确装配。在发动机装配工位，EtherCAT 总线连接着各种拧紧机、传感器和控制器，能够精确控制螺栓的拧紧力矩，保证发动机的装配质量。同时，通过实时监控设备的运行状态，还可以提前预警设备故障，减少停机时间，提高生产线的整体效率。

（三）过程自动化行业 在化工行业，生产过程涉及众多复杂的工艺参数和设备控制。EtherCAT 总线用于连接温度、压力、流量传感器等各类传感器，以及阀门、泵等执行器和控制器，实现对生产过程的精确控制和实时监测。在化工反应过程中，EtherCAT 总线可以快速采集反应釜内的温度、压力等参数，并根据预设的控制策略，及时调整阀门的开度和泵的流量，保证反应过程的稳定和安全，提高产品的质量和生产效率。

在电力行业，EtherCAT 总线同样发挥着重要作用。在智能电网的分布式控制和监控系统中，EtherCAT 总线连接着各种电力设备和传感器，能够实时采集电力数据，如电压、电流、功率等，并对电力设备进行远程控制和监测。当电网出现故障时，EtherCAT 总线可以快速传输故障信息，使控制系统能够及时采取措施，保障电网的稳定运行。

制药行业——自动化生产线

在制药行业，生产过程对环境和工艺的要求极为严格。EtherCAT 总线可以连接生产线上的各种设备，如配料系统、灌装设备、灭菌设备等，实现对生产过程的精确控制和监测。在药品的配料过程中，EtherCAT 总线能够确保各种原料的精确配比，保证药品的质量和疗效。同时，通过实时监控设备的运行状态和生产环境参数，还可以满足制药行业对生产过程可追溯性的要求。

（四）包装与印刷机械 在包装机械中，EtherCAT 总线实现了送料、包装、封口等多个环节的精确同步控制。在食品包装生产线上，EtherCAT 总线可以让送料装置、包装机和封口机等设备精确协同工作，保证包装质量和生产速度。送料装置能够根据包装机的工作节奏，准确地将物料输送到指定位置，包装机和封口机则按照预设的程序完成包装和封口操作，提高生产效率和包装质量。

饼干包装机1

饼干包装机2

在印刷机械方面，EtherCAT 总线可实现印刷滚筒的精确同步转动，确保印刷图案的套准精度，提高印刷质量和效率。在彩色印刷过程中，不同颜色的印刷滚筒需要精确同步转动，才能保证印刷图案的色彩准确和套准精度。EtherCAT 总线的高精度同步功能可以满足这一要求，使印刷机械能够生产出高质量的印刷品。

印刷行业设备

（五）楼宇自动化系统 在楼宇自动化系统中，EtherCAT 总线连接着照明系统、暖通空调系统、安防系统等设备，实现了这些设备的智能化管理和集中控制 。在智能照明系统中，EtherCAT 总线可以根据环境光线和人员活动情况，自动调节照明亮度和开关状态，实现节能运行。当有人进入房间时，照明系统会自动开启，并根据室内光线强度自动调节亮度；当房间内无人时，照明系统会自动关闭，节省能源。

在暖通空调系统中，EtherCAT 总线可以实现对空调、通风设备的智能控制。根据室内温度、湿度和空气质量等参数，自动调节空调的运行模式和通风设备的风量，提高舒适度并实现节能目标。在夏季，当室内温度过高时，EtherCAT 总线会控制空调加大制冷量；当室内空气质量下降时，会自动启动通风设备，改善室内空气质量。

楼宇自控方案

在安防系统中，EtherCAT 总线连接着摄像头、门禁设备等，实现了对楼宇安全的实时监控和管理。当有异常情况发生时，安防系统可以通过 EtherCAT 总线快速将信息传输到监控中心，及时采取措施保障楼宇安全。

（六）物流与仓储自动化 在自动化仓库中，EtherCAT 总线连接着堆垛机、输送带、分拣设备等，实现了货物的快速存储、搬运和分拣。堆垛机可以根据 EtherCAT 总线传输的指令，准确地将货物存入指定的货位，或者从货位中取出货物。输送带则按照预设的程序，将货物快速、准确地输送到各个分拣站点。

物流与仓储自动化

在物流分拣系统中，EtherCAT 总线能够实现对分拣设备的精确控制。通过实时监控货物的运输状态和位置信息，分拣设备可以根据 EtherCAT 总线传输的指令，快速将货物分拣到不同的通道，提高物流系统的运行效率和准确性。在电商物流中心，大量的包裹通过物流分拣系统进行快速分拣，EtherCAT 总线的应用使得分拣过程更加高效、准确，能够满足电商业务对物流速度的高要求。

十五、未来发展趋势

在工业 4.0 和人工智能制造的时代技术浪潮下，EtherCAT总线迎来了新的发展机遇，也面临着诸多挑战。从技术创新方向来看，EtherCAT 总线将朝着更高性能、更强大的功能拓展，以及更加苛刻的应用技术要求。

自动化和数字化

第一方面，它会不断提升数据传输速率和降低延迟，以满足如高速电子制造、超精密加工等对实时性要求极高的应用场景。比如在未来的半导体芯片制造中，芯片制造工艺越来越精细，生产设备的运动控制精度要求达到纳米级，这就需要 EtherCAT 总线能够实现更快的数据传输和更精准的控制，确保制造过程的准确性和稳定性。

第二方面，为了更方便用户的使用，特别十锂电行业，需要更多的十故障快速诊断功能，或者要求更高的是预防故障的发生，顾提出来，很多技术，比如从站冗余，以及具体从站掉线功能等等，远程诊断故障或者监控从站数据等等要求。

第三方面，EtherCAT 会加强与物联网（IoT）、大数据分析、云计算和人工智能等前沿技术的融合 。通过与物联网技术的结合，EtherCAT 总线能够实现设备之间更广泛的互联互通，将生产线上的各种设备连接成一个有机的整体，实现数据的实时共享和远程监控。在智能工厂中，利用 EtherCAT 总线连接的设备可以将生产数据实时上传到云端，通过大数据分析和人工智能算法，对生产过程进行优化，预测设备故障，提前进行维护，减少停机时间，提高生产效率和产品质量。

在市场份额增长趋势上，EtherCAT 总线有望持续扩大其在工业自动化市场的占有率。随着制造业对自动化和智能化的需求不断攀升，EtherCAT 总线凭借其卓越的性能和优势，在工业机器人、数控机床、自动化生产线等领域的应用将更加广泛。在工业机器人领域，EtherCAT 总线已经占据了全球工业机器人通信协议 35% 的市场份额 ，并且这个比例还在不断上升。在未来的智能工厂建设中，越来越多的企业会选择 EtherCAT 总线来构建其自动化通信网络，推动其市场份额进一步增长。

然而，EtherCAT 总线也面临着激烈的竞争与挑战。在工业以太网领域，PROFINET、EtherNet/IP CANOPEN，传统行业的脉冲控制是强劲的竞争对手，还有一些变频器使用等等。这些协议在各自的优势领域拥有大量的用户和应用案例，EtherCAT 总线需要不断提升自身的竞争力，以保持市场份额的增长。不同国家和地区可能存在不同的标准和法规要求，这也对 EtherCAT 总线的全球化推广带来了一定的障碍。在一些新兴市场，当地的工业通信标准可能与 EtherCAT 总线存在差异，企业需要花费更多的成本和精力来满足当地的标准要求，才能顺利进入市场。

EtherCAT 总线作为工业自动化领域的重要通信技术，其未来发展充满潜力。通过不断的技术创新和市场拓展，有望在工业 4.0 和智能制造的大舞台上发挥更加重要的作用，推动整个制造业向更高水平迈进，更好的服务整个制造业，造福于人类。

十六、总结和展望

EtherCAT 总线以其独特的技术优势，且使用简单且方便，不同厂家的控制器或PLC平台，都基本上采用EtheCAT总线，自从EtherCA总线开诞生到现场，在在工业自动化领域中扮演着不可或缺的角色，作出了具体巨大不可撼动贡献，其影响之大，发展之快，自动化行业人人皆知。从它的工作原理到显著的技术特点，再到广泛的应用场景，EtherCAT 总线的卓越性能得到了充分展现。继续拓展应用领域，提升性能，为推动全球工业的智能化转型做出更大的贡献。

分享技术，共同学习，感谢，感谢支持！

脚踏实地，展望未来！