EtherCAT 在 2021 年的最新發展

控制自動化技術乙太網路 (EtherCAT) 的基礎已經建立將近 40 年。如今乙太網路架構的現場匯流排系統由 IEC 61158 進行標準化，且在眾多進階工業自動化應用中更是不可或缺的一部份。

圖 1：此為 EtherCAT 標準的標誌。(圖片來源： EtherCAT Technology Group)

在 1980 年代中期，數家自動化製造商見證乙太網路的崛起，然後思索是否有機會在廠區運用其優勢。有些對 PC 架構控制系統經驗有經驗的廠商瞭解，乙太網路的實體硬體並未針對工業應用進行增強。更有問題的是 TCP/IP 通訊協定與時間的運算能力太慢，不符合最先進的自動化需求。此外乙太網路上的數據也沒有確定性。另一方面，節點的安裝數量大幅增加，且乙太網路連接如此簡便 (若有克服其限制)，以致於乙太網路作法比起既有的現場匯流排，已成為便宜許多的實用架構。

圖 2：此 LAN9252 DIGIO 板 是純硬體的 EtherCAT 次要裝置，無需連接 MCU 即可操作。此板件可在 RJ45 插槽或光纖介面上進行雙重網路連接，即可透過 SFP 模組進行通訊。此板件交貨時已預先配置完成，一通電即可在主機上顯示成 EtherCAT 次要裝置。(圖片來源： Microchip Technology)

EtherCAT 的早期雛形與核心要件

乙太網路早期有一項改善是將 RJ45 的插頭對藍色纜線連接進行加固。為了用於工業場域，此連接器必須夠堅固且防水，並可耐受磨損、衝擊與多次撓曲循環。將乙太網路視為潛力技術的纜線製造商紛紛開始推出這類連接器，一開始是針對以標準 TCP/IP 通訊協定以及已經在使用的開放式系統互連 (OSI) 七層標準為基礎的工業乙太網路 (IE) 控制而推出。

圖 3：工業乙太網路纜線可確保數據傳輸不受阻礙並具有強固的抗磨損結構，以免發生高成本的停機，並可維持安全穩定的機器運轉。(圖片來源： Getty Images)

這種實體連接可輔助新型態的工業控制，即在主機板上搭載資料收集卡，並可處理資料以及提供控制訊號給簡易的流程使用。這是相當合理的第一步，以便在自動化領域中朝著使用更多乙太網路的境界邁進，且對於非時間緊迫的事件 (或流程變數，如變化相當慢的溫度、流量與濕度) 來說，這樣的安排已經夠用。

只是，以 PC 為基礎的自動化控制仍遙不可及：封包碰撞會導致時序不一致，且缺乏更進階操作所需的毫秒計時，因此任務無法同步，例如在高速生產線的瓶罐檢查或包裝機內的飛刀操作。這類自動化需要新作法，也有不少製造商提出多種解決方案。其中最廣為接受的就是 EtherCAT。

EtherCAT 在 2003 年初次推出，在乙太網路架構通訊選項中曾創下一些最快速的週期時間紀錄 (目前仍然是)，因此迅速在工廠自動化領域中成為偏好的連網與控制架構。預警：為了發揮 EtherCAT 的最大效益 (以符合工業自動化對速度與確定性的要求)，匯流排必須有快速控制硬體加以輔助；而在許多情況下，控制元件中必須有特定應用積體電路 (ASIC)，以便處理 EtherCAT 功能。

EtherCAT 達到確定性的基本結構

EtherCAT 採用乙太網路數據的電報結構來建立主要 (主控) 以及與廠區內次要 (節點) 感測器與致動器的關係。這些小型評價的 ASIC 位於各個節點中，可增強此配置的效能。

圖 4：TMC8462 EtherCAT 次要控制器具有 100 Mb 實體層 (PHY)，可進行即時通訊。具有雙開關穩壓器電源供應器以及 24 V I/O，可在工業環境中提供速度輔助。MC8462 次要控制器通常會搭配監控設備、PWM 與 SPI/I²C 主控單元使用，以便在裝置模擬模式中提供進階功能，或是搭配外部 CPU。(圖片來源： TRINAMIC Motion Control)

運作方式：沿著 EtherCAT 環狀拓撲繞行的電報，會從主要控制器開始，然後通過所有節點。在每個節點上，會有準備好要卸載的指令，以及準備好要將資訊加入電報中的資料封包。電報通過節點時並不會減緩速度，能讓每個節點的 ASIC 安排高速的資訊交換，然後電報就會加速前往下一個節點。完整進行一輪後，控制器內的各項都完成更新，另一個資料封包就會送進來處理。此機制內建在 EtherCAT 結構中，可預防封包碰撞，同時確保在每個週期結束時可立即供應資料給控制器使用。只有主要控制器才可發出電報。

此範例採用環狀拓撲，但這是全雙工系統，因此若區段中的最後一個節點開啟，該節點會將封包送回線路再到主控。

為了確保資料確定性，EtherCAT 採用分散式時脈。在此，主要控制器會傳送一個封包到所有節點，節點會將內部時脈閂鎖兩次作為回應；第一次是在收到封包時，封包返回主控時又一次。此例行作業 (實際上可能會重複數次) 可直接測量各節點相關的傳播延遲。計算後的延遲結果會載入到偏移時脈。最後，主控會將序列中的第一個節點設定為參考時脈，套用到匯流排上的其他所有節點。

EtherCAT 可進行配置，以定期甚至每次循環都會更新此延遲。快速的資料週期時間加上分散式時脈，即可讓整個系統在不到 0.1 ms 的抖動以及 100 Mbit/s 的數據傳輸率下操作，足以適用絕大多數的工業任務。

圖 5：達到自動化機器高效能控制的關鍵在於最短的反應時間，以及確定值的擷取與輸出。通訊與計算的確切發生時間並不會造成差異，只要在下一個需要的輸出之前可在輸出元件取得結果即可。EtherCAT 可提供此功能，因此在一些輸入 (值擷取) 進入到一個獨立的 EtherCAT 控制迴路時，該值會傳遞 (通訊) 到控制器，再由控制器計算回應。(圖片來源： EtherCAT Technology Group)

EtherCAT 也具有另一個內建的時間管理功能。特定的感測器、致動器與系統極度依賴即時控制；伺服馬達、安全設備與電梯都是例子。EtherCAT 系統可進行設定，以支援這些元件與系統，方法是對系統的主要控制器進行編程，即可設定偏好的關鍵資料。關鍵性較低的元件就會取得較少資料請求與更新，而關鍵元件則會更頻繁取得資料請求與更新。

EtherCAT 的最新特點歷程

EtherCAT 的核心可追溯至其根本，即 Beckhoff Automation 的 Lightbus (於 1989 年推出) 以及 2003 年推出的 Fast Lightbuds (採用乙太網路纜線)。EtherCAT 的規格於 2005 年公布，然後在 2007 年由 IEC 61158 明訂為現場匯流排標準之一。成為合法的國際標準後，Beckhoff 與其他製造商迅速開發實體硬體與軟體，以發揮 EtherCAT 的能力，同時維持向下相容性。

負責管理 EtherCAT 標準的是 EtherCAT Technology Group (ETG)，此產業團體由 OEM 廠商與使用者所組成，共同分享開發成果並確保 EtherCAT 相容裝置的互通性。除此之外，此團體更開發相容性測試器，稱為合規測試工具 (CTT)，可用來確認新裝置是否符合互通性標準。

在眾多產業對 EtherCAT 的熱烈採納下，鼓勵創新的動力源源不絕。

2008：分散式時脈搭配 XFC - 分散式計時特性是 EtherCAT 通訊作業的核心，已經在本文的上半段說明。但仍要在此補充說明，分散式 EtherCAT 時脈屬於於 Beckhoff 的 eXtreme Fast Control (XFC) 技術一部份，要求所有 EtherCAT 裝置都有其各自的時脈，且持續與 EtherCAT 系統上的其他所有時脈同步處理。EtherCAT 會針對多種元件不同的通訊執行時間進行補償，以將時脈之間的差異保持在 100 ns 以內。時戳資料會用來微調單一電報內指定控制參數的時序。分散式系統時脈可確保所有系統時脈都同步處理，以維持在 100 ns 以內，且控制事件的時序通常會由週期時間進行限制。搭配 XFC 後，時戳資料即可在資料週期之間進行啟動 (與事件)，以達到迅速且高度精密的控制，並以 200 kHz 的資料取樣率達到最少的資料雜訊。

圖 6：此閘道器可讓序列 RS-232/422/485 元件連接到 EtherCAT 控制系統。此閘道器稱為 Anybus Communicator，可執行智慧通訊協定轉換，將序列資料傳送到主要 PLC 或控制器當作簡易的 I/O 資料。(圖片來源： HMS Connecting Devices)

2010 年代：多種 EtherCAT 開發軟體環境 - 在 EtherCAT 首次亮相後激發眾多軟體競相推出以簡化整合作業，更有許多軟體搭配模組一同推出，以簡化應用特有自動化功能的整合。首發模組以機械工具產業為目標市場，以及其所需的 PLC、NC、CNC 與機器人控制。目前，有助於使用 EtherCAT 的軟體都逐漸相容於 IEC 61131-3 規定，並可在 C/C++、Visual Studio、MATLAB 與 Simulink 環境中進行編程。後續開發有利於控制系統的建構、模擬及最佳化，之後再進行實作。

2011：EtherCAT 纜線可簡化電源與資料進入伺服機軸心 - 多年來，運動系統整合商 (在自動化中相當普及) 一直抱怨伺服機軸心需要多條纜線才可達到電動馬達控制、電源與回饋。使用單一纜線承載電源與不同電壓位準的混合訊號類型，會產生訊號雜訊、位準移位及串音。但大約在 10 年前，運動元件供應商 (在詳細觀察纜線護套、屏蔽、電容值降低，以及導線的尺寸與排列後)，開始向市場推出單纜線 (電源與資料) EtherCAT 纜線解決方案。如今，這些產品 (即 EtherCAT P 纜線) 可用於伺服馬達軸心以及其他相容的現場裝置。

2014 至 2017：支援更多種多軸與機器視覺系統 - EtherCAT 軟體這幾年的發展已經能讓硬體堆疊，以擴充多軸裝置並搭配多種內建安全功能 (如 STO、SOS、SS1、SS2)，對於需要靈活且模組化部署的機器人與拾放作業來說最為實用。這些年來，對於 EtherCAT 架構機械視覺的支援也逐漸增多 - 這是相當自然的發展，因為 EtherCAT 本質上採用高速處理方法，因此可輕易支援機械視覺的即時資料要求。有些軟體甚至可直接在機器的 EtherCAT 控制編程中整合機械視覺任務，如此即可簡化檢驗、機器人與品管任務。

2018：更快速且具有向下相容性的 EtherCAT 版本 - EtherCAT G (速度為 1 Gb/s) 與 EtherCAT G10 (速度達 10 Gb/s) 可輔助市面上日益強大的自動化控制器，同時還可採用原始的 EtherCAT 結構。透過這些網路，所有流程都與 EtherCAT 的原始版本相同 (包括分散式時脈系統)，但在此有個但書，就是有些現場裝置面對較快的週期時間時可能會遭遇困難。解決此問題的方案就是使用 EtherCAT 分支控制器 (連接節點) 來因應 1 Gb/s 迴路，以及多種 100 Mb/s 迴路。

自 2018 起：更多 EtherCAT 硬體與軟體選項及 IoT 支援 - 近幾年 EtherCAT 網路式工業元件與整合式系統紛紛加速出爐。也有推出運用 EtherCAT 的機器學習模組，還搭配雲端工程，並可透過 EtherCAT 相容閘道器進行存取。因此擁有或使用 EtherCAT 網路式機器的使用者目前可抽換原始碼、執行系統模擬，甚至運用機器資訊進行 Iot 分析，這對於操作分散在不同製造廠址的機器使用者來說特別實用。截至 2020 年 8 月中，ETG 的企業會員 ID 已經列出超過 3,000 家。

結論

將近 40 年前，工業自動化產業開始尋求方法，想將乙太網路的普及性與能力運用在工業通訊領域上。如今，乙太網路式通訊及控制已不再新奇，且在眾多情境下更視為金科玉律。EtherCAT 兼具眾多特點，因此可在如今市面上眾多乙太網路功能匯流排中，提供最佳的性價比。此外更支援工業 4.0 及 IIoT 設備概念，因此 EtherCAT 仍舊是未來自動化轉型不可或缺的要件之一。