EtherCAT G：融合以太网和现场总线的优势

在需要确定性、实时性的制造应用中，EtherCAT 工业以太网系统具有优于标准以太网的巨大优势。本文图片来源：倍福

作者 | Sree Swarna Gutta

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在工业环境中，数据传输的确定性和实时性至关重要。EtherCAT G通过独特的功能原理和工业加固的硬件为工业应用提供更可靠的通信。
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无论是功能还是数量，工业应用网络技术都获得了长足的发展。在上世纪80 年代末推出的现场总线，是模拟型4-20mA 继电器系统的数字替代品，应用于可编程逻辑控制器（PLC），但新兴的基于PC 的机器控制的扫描周期更快，现场总线很少能够望其项背。

在随后的现场总线之争中，工程师和工厂管理人员开始倾向于基于以太网的实时总线系统，该系统不但可以提供高速传输，并有助于推动信息技术/ 运营技术（IT/OT）的融合。

由于目前使用的很多功能已经得到验证，因此基于以太网的系统应用非常广泛。但是，现在的问题不是工厂应该选择哪种类型，而是工厂是否需要选择一种。自诞生以来，符合IEEE 802.3 通信标准的以太网已经应用了很长一段时间，许多新组件都支持通信，而不必与传统的现场总线捆绑在一起。此举是否有助于工厂摆脱昂贵的管理型交换机以及流行现场总线存在的其它不足？它能摆脱供应商专有的通讯协议吗？

尽管某些工业以太网系统有其局限性，但将标准以太网直接应用于重要的制造、包装和物料搬运场景，可能会带来风险。

工程师在不同应用中所寻求的实时性、时间同步和独立性， 已在开放式技术（ 例如EtherCAT 工业以太网系统） 中实现。EtherCAT 可以提供确定性、适用于工业环境的强大硬件、系统架构的灵活性以及内置的安全性，可在IT 部门不干预的情况下保护机器和企业级网络。



▎工业应用需要经过工业加固的设备，EtherCAT提供IP67 等级的I/O 模块，可安装于工业现场。

确定性和可靠性

在家庭环境下使用以太网时，很少会因为系统故障而导致严重后果。一般也就是网页无法加载、电子邮件发送失败或系统死机，它们都不是关键任务。也就是再等2 秒钟、甚至一分钟而已，并不符合关键任务的定义。大多数消费者并不十分在意标准以太网的缺点，例如带宽利用率差、堆栈延迟、交换机延迟和星形拓扑。

但是，在工业环境中，可靠的数据传输至关重要。如果设备控制器的指令不能及时传输到各个组件，或者控制器无法得到足够的反馈，可能会导致严重后果。与标准以太网和其它工业以太网协议相比，EtherCAT 提供了跨行业应用所需的可靠性和确定性。工业以太网系统即使以100Mbit/s 的速度通信，也可以确保用户在不同规模的机器和工厂之间，可靠、同步地发送和接收数据帧。

EtherCAT G 和G10，传输速度分别为1Gbit/s 和10 Gbit/s，可以为高分辨率的机器视觉、高端测量、高级运动控制、机器人技术和复杂机电系统等应用提供必要的带宽。结合新引入的分支控制器模式，EtherCAT G 可将工业通信时间缩短 2-7 倍，带宽提高 10 倍（具体取决于应用）。而 EtherCAT G10 甚至可以将带宽提高 100 倍。

独特的分支控制器模式可以将100Mbit/sEtherCAT 网络集成到EtherCAT G 分支中，反之亦然，只需添加耦合器即可。这样可以确保系统的可扩展性，具有无需彻底翻新和更换，即可升级应用系统的能力。

EtherCAT G 技术由德国倍福自动化公司在2018 年推出，作为EtherCAT 技术协议的扩展。2019 年，EtherCAT 技术协会（ETG）的技术委员会经过评审，正式支持该技术。目前，ETG 正在努力将EtherCAT G 技术添加到技术规范中。

工业加固的以太网硬件

生产制造环境需要能够承受极端条件的技术。与IT 部门可能在办公室内使用的消费级路由器和交换机相比，工业加固的I/O 终端提供了更多的外形和功能。这些可能包括：用于批量生产设备的IP20 等级的卡件，在现场安装的IP67 和IP69K 等级的I/O 模块以及在PCB 板上安装的插件模块。即使是标准以太网电缆, 也应配置适当的屏蔽层，并且使用专为工业用途设计的连接器，否则可能会出现通信问题。

作为一种开放式解决方案，EtherCAT 可以与“常规以太网”以及超过25 种其它现场总线和工业以太网系统连接，只需添加耦合器或网关即可，而不会引起传输延迟。利用多个耦合器，具有TCP/IP 通信功能的EoE（Ethernetover EtherCAT）可以确保EtherCAT 网络的互操作性。



▎安装在PCB 板上的EtherCAT 插件模块，有助于实现设备的最佳批量生产。

提供同步功能

单个EtherCAT 网络可以支持65,535 个设备，无需MAC 或IP 地址即可自动配置硬件。内置了自由拓扑选择，无论是星形、线形、树形还是其它类型，都不会造成性能损失。通过改进诊断界面，可以从网络中收集现有的诊断信息，从而改善已经强大的诊断功能，使故障排除变得更加容易。

通过动态处理，EtherCAT 能以100 Mbit/s 的速率在一个以太网帧中与许多节点循环通信。使用EtherCAT，每30μs 就可以轮询1,000 个分布式数字I/O， 每100μs 可轮询100 个伺服轴。

从站中集成了EtherCATASIC 或FPGA 硬件，并且可以通过主站网卡直接访问内存。通信协议处理独立于CPU 性能、协议栈或软件实现的信息。

EtherCAT 网络设备通过分布式时钟进行同步。所有EtherCAT设备都内置了本地时钟，以连续保持标准时基，时钟之间的偏差小于100 ns，这代表了不同的通信运行时间。这样就可以确保所有设备之间的精确同步。它还可以实现确定性的实际值采集和确定性的设定值输出，以实现绝对精确的响应时间。

功能安全性

EtherCAT 还提供FsoE（Safetyover EtherCAT），这是经TüV 认证的功能安全协议。所有其它冗余安全设备均使用FSoE，它使用“黑色通道”方法通过用于机器控制的同一条以太网电缆，提供必要的安全通信冗余。FSoE 为众多离散和过程工业应用提供数字和模拟安全性。

EtherCAT 的功能原理还有助于保护工厂免受网络威胁。EtherCAT 主设备控制所有从设备， 从而使中间人攻击无效。由于系统不是基于因特网协议的， 因此恶意软件无法通过EtherCAT 传播。网络仅转发EtherCAT 帧，从控制器芯片会过滤掉其它任何以太网帧， 包括那些损坏的数据或受到感染的帧。这些特性，再加上不使用管理型交换机，因此不需要IT 部门介入生产系统。

关键概念：

■ 工业以太网为工厂车间提供了更高层级的连接性，并可以更好的实时访问信息。

■ EtherCAT 为工业环境提供确定性、强大的硬件以及内置的安全性，以保护机器和企业级网络。

思考一下：

您的企业将从工业以太网中获得哪些收益？可以通过哪些方式加以改进？

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本文来自于控制工程中文版（CONTROL ENGINEERING China）2020年10月刊《技术文章》栏目，原标题为：融合以太网和现场总线的优势

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