实时 EtherCAT 自动化应用的优势

通常在设备控制器中，我们会要在质量、性能与价格之间做取舍。然而在工业4.0与全球化的时代，设备制造商正寻求突破性的技术，使他们能够在工业控制系统中同时提升设备的性能、质量和成本这三个面向。领先的设备制造商发现，采用纯软件且开放的设备自动化控制器，可以消除像是运动控制工业应用里对专用和昂贵硬件的依赖。藉由移除专用硬件，不仅成本大幅降低，同时通过新的工业标准仍能达成并提升性能与质量。

在这革命性的自动化控制架构中，有一个重要的组成来自于新的数字总线标准。虽然许多工业系统可以使用标准 TCP/IP 以太网络与控制面板、HMI 或 ERP 系统进行通信，但 TCP/IP 无法提供设备执行所需要的确定性来确保精准度和质量。

然而，由于 TCP/IP 在工厂、办公室和全球各地的家庭中都非常普及，因此像 CAT5 网络线和网卡（NIC）这类的以太网组件可以同时具备高质量和低成本的优势。为了善用这些低成本且开放的高质量硬件，像是西门子、Rockwell Automation和倍福等几家大公司因而致力于创建一种新的确定性协定。这种协议不仅适用于需要确定性（或硬实时）的高精密设备，还能重复使用 CAT5 网络线和网卡，而不是专用的缆线和 I/O 卡。

事实上，已经有五种工业总线协议能够通过基于以太网的硬件提供一定程度的确定性，同时满足高精密机械和设备的需求。这些竞相成为最佳「事实上」标准的规范包括：Ethernet/IP、Ethernet Powerlink、EtherCAT、PROFINET IRT 和 SERCOS III。

然而，由于卓越的性价比特性，以及目前获得最多伺服驱动器制造商采用，EtherCAT 已毫无疑问地成为领先的数字总线标准。如需进一步了解，请参考这篇标题为《比较5种实时并以以太网为基础的现场总线》的文章。

这里我们探讨几个对 EtherCAT 驱动器和 I/O 制造商来说具有价值的特点。EtherCAT 是一种开放式、实时且具确定性的以太网总线标准，被广泛认为是目前最优秀的工业网络之一。自动化设备制造商可以在自己的设备中使用 EtherCAT以提升性能和灵活性，而终端用户与自动化系统设计师也能实作自己的EtherCAT 兼容装置。以下这些额外优势也是 EtherCAT 在运动控制和自动化应用中快速普及的原因

EtherCAT 的速度与确定性操作

EtherCAT 采用以太网快速通过（on the fly）的处理方式。在传统的以太网络中，Ethernet frames（或以太网数据帧）会被传送到每个装置，装置读取数据后再将响应传回主站。这个过程会在网络中的每个装置上重复执行，直到所有装置都更新完成。整体网络的循环时间是所有响应时间的总和，并且不具有确定性。有时候，多个装置的信息还会互相干扰，迫使主站根据优先级进行仲裁和组织，进而增加了循环时间的延迟。

相比之下，EtherCAT 网络运作得更有效率：当主站发送一个以太帧时，第一个从站装置接收后就会立即撷取带有地址的数据并写入所有响应。这表示以太帧有效地穿过所有从站（仅有极微小的延迟），然后返回主站。

除了实时处理功能外，EtherCAT 还通过将多个装置的发送与接收数据合并到单一Ethernet frames来提升带宽，而不需要为了每个网络装置分别传送以太帧。对于有许多驱动器、I/O和装置的网络，这种方法大幅降低了传输负担，同时特别适用于像是多轴伺服机械控制的高带宽应用，对 64 个驱动器及多个 I/O 装置的抽样和更新还能在不到250微秒内就可以完成。

EtherCAT：精准同步

多轴运动控制网络高度依赖各个独立装置的同步性，以准确执行多维运动轨迹。要同步网络上所有的装置，就必须计算并补偿装置之间的传输时间和不同装置时钟的漂移。为此，EtherCAT 使用分布式时钟模式（DC），所有分布式时钟之间的相位偏移能小于 0.1 微秒。

低成本 — EtherCAT 利用所有 PC 广泛使用的量产以太网通信装置和缆线来降低成本。从站装置也只需要一个低成本的专用控制器。最重要的是，EtherCAT 之所以能达到低成本的原因在于已有许多从站厂商采用 EtherCAT 标准，因此供货商之间的竞争状况大幅压低了从站装置的成本。

总而言之，设备制造商发现 EtherCAT 带来了极大的价值，因为可以满足所有确定性的需求，提供最佳性能与同步性，同时还能维持最低且突破性的成本。