EtherCAT：驅動智慧工廠、機器人和高吞吐量產業人工智慧的即時骨幹網絡

在智慧工廠和智慧機器人時代，通訊網路必須跟上日益增長的即時性要求。 

EtherCAT（全稱為「乙太網路控制自動化技術」）是一種高效能的工業乙太網路協議，能夠滿足這些需求。 

EtherCAT 最初由倍福自動化 (Beckhoff Automation) 開發，現已由 EtherCAT 技術集團管理，已成為廣泛採用的自動化開放標準。它基於標準的 IEEE 802.3 乙太網路硬體（包括普通的 Cat5/Cat6 線纜和常見的網路卡），從而降低了成本並確保了輕鬆的互通性。 

EtherCAT 網路中的主控制器可以在任何具有乙太網路連接埠的電腦上實現，許多製造商都提供現成的 EtherCAT 從設備。 

使用通用元件意味著即使是非常大的系統（單一網路段上可能有數萬個節點）也可以以低成本得到支援。

EtherCAT 的核心在於確保確定性通信，它只允許主設備發送幀，並讓每個從設備在幀經過時「即時」處理和轉發幀。 

實際上，主設備每個週期都會組裝一個或多個乙太網路幀並將其註入網絡，這些幀依次流經每個設備。每個從設備讀取發給它的數據，並立即將回應寫回同一個幀中，然後才將資料包向下游轉發。 

因為這是以線速進行的——每個設備無需接收和重新發送單獨的訊息——所以通訊開銷非常低。 

與標準乙太網路不同，EtherCAT 不存在衝突或不可預測的等待，因此循環時間非常短，抖動也極小。事實上，即使連接數百台設備，EtherCAT 也能實現亞毫秒級的循環時間，滿足嚴格的即時性要求。

EtherCAT 的即時處理架構不僅提高了傳輸速度，也簡化了網路設計。從設備通常有兩個端口，可以採用直線型、星型或環型連接方式。， 樹 或混合配置，所有這些都不需要專用網路交換器。 

由於每個從設備都雙向轉送幀（利用電纜的全雙工對），因此該網路有效地形成了一個邏輯環，該邏輯環總是返回到主設備。 

這種靈活的拓撲結構意味著安裝人員可以建立複雜的網路——例如，在整個設施內連接數千個感測器、I/O 模組和驅動器——同時仍能保持單週期迴路。值得注意的是，EtherCAT 支援熱插拔（無需停止系統即可添加或更換設備）和冗餘路徑等高級功能，從而進一步減少維護停機時間。

EtherCAT 的另一個關鍵特性是其高精度同步。由於分散式時脈技術，網路中的所有從設備共享一個共同的時間基準。主設備（或指定的參考從設備）發出時鐘訊號，每個設備都將其本地硬體定時器鎖定到該訊號。這些時鐘在硬體層面進行校準，從而將網路時鐘漂移控制在微秒級以內。只需一次觸發，所有裝置即可同時更新其輸出並擷取輸入。對於多軸運動控製或同步感測器採樣等協同任務，這意味著每個執行器或測量點都在同一時刻運行。 EtherCAT 的同步精度通常在亞微秒級，足以控制數十個馬達協同運動而無延遲。

EtherCAT：以確定性性能和可擴展控制驅動高精度、AI就緒的工業自動化

所有這些特性——確定性計時、即時資料處理、靈活的佈線和精確的時脈——使得 EtherCAT 特別適合人工智慧驅動的自動化。

在運動控制和機器人領域，該協議能夠實現亞毫秒的更新周期和高度同步的多軸操作，使其成為機器人關節、CNC工具機和伺服驅動系統的理想選擇。它能夠在單一週期內以奈秒的同步速度更新數十個驅動器，從而確保複雜機械的協調運動。

除了機器人領域，EtherCAT 還廣泛應用於通用機械自動化，連接包裝、印刷、半導體製造和裝配線等行業的伺服驅動器、感測器、執行器和視覺系統。其低延遲通訊和簡單的佈線簡化了包括 I/O 模組、閥門、控制器和攝影機在內的各種設備的整合。高速生產設備也受惠於 EtherCAT，尤其是在對時間和頻寬要求極高的產業，例如半導體製造、汽車噴漆線、包裝系統、印刷機和風力渦輪機控制。在半導體應用中，通常會採用專門的 EtherCAT 設備設定檔來實現運動和測量的精確同步。

分散式測量和資料擷取系統利用 EtherCAT 將來自類比和數位 I/O 模組、應變計和編碼器的同步資料傳輸到中央控制器。此功能支援運動捕捉、結構測試和多感測器監測等應用，這些應用對高吞吐量和精確計時至關重要。 EtherCAT 還整合了功能安全協定——基於 EtherCAT 的故障安全協定 (FSoE)，該協定允許在同一網路上傳輸 SIL3 等級的安全數據，從而無需單獨的安全匯流排即可實現安全等級的磁碟機和 I/O。

該協議的應用範圍已擴展至其他領域，包括樓宇自動化、太陽能和風能等能源系統，以及隧道和鐵路等基礎設施控制。在所有這些應用中，EtherCAT 的確定性通訊、極低的抖動和強大的同步能力，為先進的工業系統和人工智慧驅動系統提供了所需的可靠性能。

此外，EtherCAT 具備許多優勢，使其成為工業自動化領域的首選方案。其確定性的效能可支援低於 100 微秒的週期時間和低於 1 微秒的抖動，即使處理數千個 I/O 點也能保持穩定。即時幀處理結合全雙工乙太網路鏈路，消除了衝突和延遲，從而為複雜的控制迴路實現高精度定時。在實際部署中，通道利用率可達約 90%，顯著優於傳統乙太網路或現場匯流排網路的效率。

該協定相容於標準乙太網路硬件，主設備無需專用通訊卡即可透過常規的 100 Mbit/s 或 1 Gb 乙太網路連接埠運作。從設備需要專用的 EtherCAT 控制器晶片，但這些組件價格低廉，且以 ASIC 或 FPGA 的形式廣泛應用。雙埠架構支援靈活的網路佈局，包括菊花鏈、樹形或環形拓撲結構，無需外部交換器。網路最多可尋址 65,535 個設備，並且可以動態新增或移除節點，內建診斷功能有助於快速識別連結錯誤或故障段。

透過環形配置提供路徑冗餘，即使一條電纜發生故障，也能確保通訊持續進行，從而增強了可靠性。工業級電纜結合嵌入式診斷功能，有助於提高系統正常運作時間。 EtherCAT 還整合了許多高級功能，例如用於奈秒同步的分散式硬體時鐘、熱插拔 I/O 和全面的診斷功能，所有這些功能均無需額外成本。該協定包含通過 SIL3 認證的 EtherCAT 安全功能 (FSoE)，可在同一網路上進行安全等級的通訊。

作為一項符合 IEC 61158 標準的開放協議，並由 EtherCAT 技術小組支持，該協議已在業界得到廣泛應用，數百家供應商提供了數萬種相容產品。如此龐大的生態系統確保了長期的互通性和可用性。 EtherCAT 硬體經濟高效，其協定極低的開銷即使在 100 Mbit/s 的鏈路上也能實現高有效吞吐量。諸如 EtherCAT P 之類的解決方案，將電源和資料整合在單一電纜上，進一步降低了系統複雜性和安裝成本。

專家認可其高性能、可靠性和直觀的自動化功能

EtherCAT 因其高性能和操作簡便而廣受業內專家認可。其高效的協定無需專用主站硬體即可實現即時數據交換，從而顯著提升了頻寬，遠超傳統現場總線。 EtherCAT 核心協議已穩定運作二十餘年，新增功能始終保持向後相容性，確保工業系統的長期可靠性。該技術常被譽為直觀易用，因此對負責高速控制和自動化的工程師極具吸引力。

自動化專家強調了 EtherCAT 的即時功能，包括極低的抖動、硬體同步的分散式時鐘以及對大量節點的支援。其低延遲、精確的通訊尤其適用於運動控制和機器人領域，在這些領域，EtherCAT 取代了傳統的現場匯流排或不確定的以太網，從而實現了更精確的運動曲線、更快的循環時間和更高的系統整體性能。 EtherCAT 也簡化了基於 PC 的集中式控制，因為控制器每個循環都會接收統一的過程映像，因此無需在主機 CPU 上進行手動位元操作。

一些從業者指出，EtherCAT 需要一定的學習時間才能正確部署。有效使用需要理解分散式時脈配置、網路拓撲規劃和協定的資料結構，而診斷和故障排除則需要專業知識。儘管有這些需要考慮的因素，但業界普遍認為，EtherCAT 的效能、可擴展性和精確度使其成為大規模、高效能自動化專案的首選方案。

EtherCAT 2026：擴展頻寬、整合工業 4.0 與全球工業應用

在快速發展的生態系統的支持下，EtherCAT 在工業自動化領域的應用持續擴大。全球已安裝超過 77 萬個 EtherCAT 節點，光是 2023 年就新增超過 18 萬個。 EtherCAT 技術集團目前擁有遍佈 74 個國家的 7,600 多家會員公司，是全球最大的工業現場匯流排社群。分析師預測，到 2030 年，EtherCAT 的部署量將維持約 10% 的年增長率，主要成長動力來自汽車、電子、航太和能源產業。北美目前佔據最大的區域市場份額，而亞太市場則正經歷最快的成長。

近期發展不斷提升 EtherCAT 在高要求應用領域的能力。千兆擴充版本 EtherCAT G 和 G10 將此協定疊加到 1 Gbit/s 和 10 Gbit/s 乙太網路鏈路上，在顯著提升頻寬的同時，仍能與現有裝置完全相容。這些高速版本預計在先進機械設備中廣泛應用，例如多軸機器人、X 射線 CT 掃描儀和高通量生產線。 2019 年推出的 EtherCAT P 透過單一四芯電纜將兩個獨立的 24 V 電源與資料鏈路整合在一起，簡化了安裝並降低了佈線成本。未來版本的 EtherCAT P 預計將擴展對乙太網路供電 (PoE) 配置的支持，並增強設備相容性。

與工業4.0標準的整合也在穩步推進。與OPC UA的合作旨在將EtherCAT設備資料映射到標準化模型，從而實現對更高層網路、雲端系統或MES平台的I/O和診斷資訊的安全存取。 EtherCAT精簡的EAP協定正被適配於即時OPC UA發布/訂閱通信，使控制器無需額外的網關硬體即可暴露I/O。硬體製造商不斷將EtherCAT嵌入到新組件中，包括具有原生從控制器的微控制器以及高性能伺服和步進驅動器，進一步鞏固了EtherCAT在現代工業運動和控制系統中的地位。儘管競爭對手正在探索時間敏感網路（TSN），但EtherCAT的即時處理能力已經能夠提供超低延遲和確定性性能，確保其作為自動化機械中硬實時骨幹網的地位得以延續。