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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。
自动化对通讯一般会要求较短的资料更新时间（或称为周期时间）、资料同步时的通讯抖动量低，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。
一般工业通讯的网络各节点传送的资料长度不长，多半都比以太网帧的最小长度要小。而每个节点每次更新资料都要送出一个帧，造成带宽的低利用率，网络的整体性能也随之下降。EtherCAT利用一种称为“飞速传输”（processing on the fly）的技术改善以上的问题。
在EtherCAT网络中，当资料帧通过EtherCAT节点时，节点会复制资料，再传送到下一个节点，同时识别对应此节点的资料，则会进行对应的处理，若节点需要送出资料，也会在传送到下一个节点的资料中插入要送出的资料。每个节点接收及传送资料的时间少于1微秒，一般而言只用一个帧的资料就可以供所有的网络上的节点传送及接收资料。
EtherCAT通讯协定是针对程序资料而进行优化，利用标准的IEEE 802.3以太网帧传递，Ethertype为0x88a4。其资料顺序和网站上设备的实体顺序无关，定址顺序也没有限制。主站可以和从站进行广播及多播等通讯。若需要IP路由，EtherCAT通讯协定可以放入UDP/IP资料包中。
EtherCAT的周期时间短，是因从站的微处理器不需处理以太网的封包。所有程序资料都是由从站控制器的硬件来处理。此特性再配合EtherCAT的机能原理，使得EtherCAT可以成为高性能的分散式I/O系统：包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需30us，相当于在100Mbit/s的以太网传输125个字节的资料。读写一百个伺服轴的系统可以以10kHz的速率更新，一般的更新速率约为1–30kHz，但也可以使用较低的更新速率，以避免太频繁的直接内存存取影响主站个人电脑的运作。
EtherCAT使用全双工的以太网实体层，从站可能有二个或二个以上的埠。若设备没侦测到其下游有其他设备，从站的控制器会自动关闭对应的埠并回传以太网帧。由于上述的特性，EtherCAT几乎支持所有的网络拓扑，包括总线式、树状或是星状，现场总线常用的总线式拓扑也可以用在以太网中。
EtherCAT的拓扑可以用网络线、分枝或是短线（stub）作任意的组合。有三个或三个以上以太网接口的设备就可以当作分接器，不一定一定要用网络交换器。由于使用100BASE-TX的以太网物理层，二个设备之间的距离可以到100米，一个EtherCAT区段的网络最多可以有65535个设备。若EtherCAT网络是使用环状拓扑（主站设备需要有二个通讯埠），则此网络还有缆线冗余的机能。
为了系统的同步，EtherCAT协定中有提供分散式时钟机制，即使通讯循环周期有抖动，时钟的抖动远小于1µs，大约接近IEEE 1588精密时间协议的标准。因此EtherCAT的主站设备不需针对时钟使用特殊的硬件，可以用软件实现在任何标准的的以太网MAC，即使没有特殊的通讯协处理器也没有关系。
标准建立分散式时钟的程序是由主站送出一特定位址的广播讯息给所有从站来启动。若使用环状拓扑，所有从站会在收到讯息时闩锁内部时钟，当讯息回来时会再闩锁内部时钟一次。主站会读所有从站闩锁的值，计算各个从站的延迟。为了消除抖动的影响及求得平均值，主站会尽可能的多次进行上述的程序。所有的从站延迟会依各从站在从站环状拓扑的位置来计算，并记录在一个偏移寄存器中。最后主站送出一个读写系统时钟的广播讯息，会使第一个从站的时钟为参考时钟，其他从站的内部时钟会调整到和第一个从站相同。
为了在初始化后保持时钟的同步，主站或从站需定期的再送出广播讯号，以计算各个从站内部时钟的速度差异，若有需要时，从站需要可以调整自身时钟的速度，或是有其他调整时钟的机制。
系统时钟是一个64位元的计时器，计数内容是从2000年1月1日0点0分开始所经过的时间，单位是纳秒（ns）。
设备行规（device profile）描述应用需要的参数及设备的机能特性，包括可能依设备种类而不同的状态机。总线技术中已有许多可靠的设备行规，例如I/O设备、驱动器或阀等设备。EtherCAT同时支持CANopen设备行规及Sercos驱动器行规。从CANopen或Sercos移植到EtherCAT时，在应用观点看到的内容是一様的，也可方便使用者或设备制造商的转换。
EtherCAT有一个加强的协定版本，称为Safety over EtherCAT，可以在同一个网络上进行机能安全相关的通讯和一般的控制通讯。此安全通讯是以EtherCAT的应用层为基础，不会影响底层的通讯协定。Safety over EtherCAT有通过IEC 61508的认证，符合安全完整性等级（SIL）3的要求。自2005年起已有使用Safety over EtherCAT的产品上市。
EtherCAT主站可以用软件，在标准的以太网媒体接入控制器中实现。许多供应商有提供在不同操作系统下的程式码，也有许多开源软件或共享软件。EtherCAT从站需要特殊的EtherCAT从站控制器，才能实现飞速传输（processing on the fly）的技术。EtherCAT从站控制器可以用FPGA来实现，且已有现成的代码，此控制器也可以用ASIC来实现。
目前最风光和流行的莫过于EtherCAT了。EtherCAT是一种开放式总线，凭借其良好的以太网特性和硬实时功能，目前各大主流工控厂商都相继开发了基于EtherCAT技术的产品。工业实时以太网当然不止EtherCAT一种，主流的包括西门子Profinet, 贝加莱的PowerLink，其他如SERCOS, Ethernet/IP, EPA等等，今天我们主要探讨一下BECKHOFF公司的EtherCAT和西门子公司的Profinet两种典型实时以太网总线的对比。
（一）Profinet
下图显示了带SIPLUS极端组件的TIA Portal硬件目录。首先我们看一下Profinet，从下图可以看出，Profinet分成了三个版本：
Profinet CbA
Profinet RT
Profinet IRT
这三个不同的版本对应了Profinet三种不同的实时特性，CbA指的是基于组件的自动化，其实时响应时间是100ms, 通常用于实时性要求不高的一般工业控制场合，RT指的是软实时，用于工厂自动化的PLC层面控制，响应时间达到了10ms，而IRT指的是同步实时，也可以说成是硬件实时，响应时间小于1ms，可以满足大多数运动控制领域的实时和同步要求。Profinet的RT和IRT可以很形象的用下图来说明：
Profinet IRT为了保证绝对的实时性，在数据传输通道上是做了和普通以太网隔离的，所谓的隔离指的是在IRT并不采用TCP/IP协议来传输实时数据，这和EtherCAT类似。
（二）EtherCAT
EtherCAT是由BECKHOFF研发并在2003年推向市场的，目前通过ETG（EtherCAT Technology Group）组织运营。EtherCAT是一种高速实时以太网，不分不同的版本，它直接对标的是Profinet IRT, 同样通过硬件芯片来保证其实时性。EtherCAT总线性能优越，响应时间达到了微秒级：
通过分布式时钟的运用，EtherCAT总线的时钟同步可以做到纳秒级，这也正是各大运动控制厂商对EtherCAT技术趋之若鹜的原因。EtherCAT分布式时钟应用：
（三）EtherCAT与Profinet IRT
（1）运行原理
EtherCAT采用的是一种可以形象的称之为“on the fly”的技术，将以太网的报文结构优化以适用于分布式IO，通讯完全是通过硬件芯片来支持以保证最大性能，如果是纯粹的EtherCAT网络，根本就不需要交换机，而且诊断功能非常强大。
Profinet采用的是时间片技术，通过内置在设备内的特定交换机芯片来完成硬实时，循环时间250微秒到4毫秒，抖动大约1微秒。下图说明了在循环中IRT数据是如何得到实时保证的：
（2）拓扑结构
EtherCAT的拓扑结构非常灵活，可以是线性、星型、树型、混合型等等，几乎可以用于任何一种连接方式，同时EtherCAT支持线缆冗余，每个EtherCAT网络理论上可以支持65535个节点，而且不受拓扑结构的影响。
Profinet支持线性、树型等结构，每个Profinet网络的最大节点数是60个，而且必须使用特定的Profinet IRT交换机。交换机级联的数量也有限制，不能超过20-25个，也就意味着无论你愿意不愿意，星型连接是最常规的设计，既保证了性能又降低了成本，但是显然其拓扑不够灵活。
（3）易用性
EtherCAT不受从站和拓扑结构的影响，网络部署灵活。不需要手动设置从站地址，也不需要管理IP或MAC地址。从站地址都是自动生成的，而且如果有新的从站加入也不需要手动进行地址更新，这样地址冲突也就无从说起了，EtherCAT因此具有良好的用户体验。
Profinet需要手动设定每个从站的地址，而且如果插入了新的从站，对整个网络的从站地址都会产生影响，地址管理比较复杂，需要专业人士来操作，通常机器设备供应商无法完成。如果某些非Porfinet网络发生例如高强度ARP请求这类情况时，Profinet网络会变得脆弱，为此，PI组织还专门发布了Profinet IO网络负载的建议书，以便用户去把握自己网络的负载限制，这明显对用户是不太友好的。
（4）稳定性
EtherCAT自2005年第一次起草IEC61158标准以来，一共进行了46此的技术变更，多数情况是勘误。每一次变更都可以用勘误表来追溯，文档可以在ETG官网下载。维护测试工具一直在加强，但是未发生根本改变。EtherCAT进行了一些参数变更，但是其技术版本自其发布以来未发生变化。
Profinet没有详细的勘误表提供，同时Profinet有三个版本，其IRT版本也一直在发生变化。因为Profinet并不是一种开放式总线，在发生参数更改或者技术变革的时候，不提供详细资料给用户也是可以理解的。但是从技术稳定性上来说，开放式总线对用户更加友好。
（四）总结
由于总线技术以及应用背景的差异，我们不能说某一种总线的性能要优于另外一种总线，一般来说，市场用户可以说明问题。EtherCAT由于其开放性而获得了大量用户的青睐，从这个角度来说，Profinet暂时还不太可能取得Profibus那样的辉煌，作为一种传统现场总线，Profibus也是开放的。EtherCAT快速增长的用户数量：
结合时下流行趋势，EtherCAT也开始和IoT技术结合起来，从概念上来说，EtherCAT把自己融入到IoT技术中去了，甚至ETG自称EtherCAT本身就是IoT。工业以太网总线的未来非常光明，传统的现场总线在数据量和数据传输速度上已经远远落后于工业以太网。举例说，CAN通常被用于汽车工业，随着汽车工业的发展，汽车越来越被看成是一个移动互联网终端，CAN还能满足高速和大量的数据传输要求吗？有些汽车厂商已经走在了技术的前沿，比如丰田就已经开始采用EtherCAT技术了。工业自动化领域内传统意义上的总线之争，会随着互联网技术的进步而发生根本性的变化。
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