工业以太网之战：EtherCAT是如何杀出重围的？

前言

EtherCAT 是一种开放的实时工业以太网协议，由德国倍福公司开发并在 2003 年 4 月的汉诺威工业博览会上首次亮相，目前由 EtherCAT 技术协会（ETG）进行维护和推广。经过 21 年的不断发展，EtherCAT 显示出极强的生命力并在众多工业通信协议中脱颖而出。

首先，我们从 ETG 的官方数据中看几组数据，截止到 2024 年 7 月：

ETG 会员数量超过 7700 个，分布在六大洲，75 个国家；
EtherCAT 可在 40 多种不同的 RTOS 上实现，官方《EtherCAT 产品指南》中收录了 1300 多种产品
EtherCAT 安装节点数量达到了 7700 万个，仅 2023 年一年就新增了 1800 万个节点。这一增长是基于实际销售的 EtherCAT 芯片数量，不包括总线模块中使用的芯片。

其次，我们从 HMS Networks 2024 年发布的《全球工业网络市场份额预测报告》中可以看到 EtherCAT 的市场份额是 16%，排名第 3，仅次于 PROFINET(23%)和 EtherNet/IP(21%)。

我们查阅和整理了过去十年 HMS 发布的《全球工业网络市场份额预测报告》，发现 EtherCAT 协议在新安装节点的市场份额一直稳步提升，尤其是 2024 年，预计将增加四个百分点。

最后，从应用行业来看 EtherCAT 已经在机器人、半导体、光伏、医疗、机床、自动化装配、舞台控制等多个领域都有广泛的应用。特别是在运动控制领域，其已经成为一种主流的通讯技术方案。

通过以上信息和数据可以看出 EtherCAT 在工业通信协议领域取得了很大的成功，特别是在强手如云的工业以太网领域能够突出重围，一定是有其原因的，下面小编就展开分析一下。

为什么 EtherCAT 能够取得如此成功呢？

时机好：赶上了工业以太网快速崛起的浪潮

1975 年，美国施乐公司(XEROX)提出以太网并申请专利。到 1986 年，出现了第一批现场总线，这其中以 1979 年推出的 Modbus 协议为标志。下图展示了一个早期工业系统的机柜，可以看到机柜中密密麻麻的线缆。现场总线出现后，极大地减少了线缆的数量。到 1995 年，市场上大约有 40 余种现场总线，这也是现场总线最繁荣的时期。

在 2000 年前后，由于对更高通信速率和更多数据量的需求，现场总线种类逐渐减少，取而代之的是一批工业以太网协议的出现。现在我们熟知的工业以太网协议大多都是这个时候出现的。如：

1999 年，Modbus TCP 协议发布
2000 年，EtherNet/IP 协议发布
2001 年，POWERLINK 协议发布
2002 年，PROFINET 协议发布
2003 年， EtherCAT 协议发布

通过 20 年的发展，工业以太网协议逐渐成熟并被广大的设备制造商和最终用户所接受。我们从 2014-2024 年 HMS 发布的《全球工业网络市场份额预测报告》中可以看到工业以太网类协议和现场总线类协议的发展和变化。在这 11 年间，工业以太网与现场总线的角色完成互换，设备制造商和用户在新的项目中大部分会优先选择工业以太网作为通信方式。

这背后的底层逻辑是：随着时间的发展，用户的需求不断增多且更加灵活，导致设备传输的数据量越来越多，而现场总线一般传输速度低且单帧携带的数据量少（已知的现场总线最快传输波特率是 12M bps，单帧单方向携带的数据最多 244 个字节—PROFIBUS DP）。因此，传统的现场总线技术发展到 20 世纪 90 年代后期时遇到了传输速率和数据量的瓶颈，这也为工业以太网技术的诞生和发展提供了良好的机遇。

凭借这个机遇，多个工业以太网协议都迎来了快速的发展并成为当今的主流工业通讯协议，其中也包括 EtherCAT。

策略好：兼容 CANopen 通信机制

在 EtherCAT 出现之前，市面上几乎所有品牌的伺服驱动器都支持 CANopen 协议。EtherCAT 选择了一个非常明智的策略—兼容 CANopen 通信机制。

通过 CoE （CAN application protocol over EtherCAT）功能，EtherCAT 提供了与 CANopen 标准相同的通信机制：对象字典、PDO 映射（过程数据对象）和 SDO（服务数据对象）–甚至连网络管理也类似。这使得在以前安装有 CANopen 的设备上实施 EtherCAT 成为可能，而且 CANopen 固件的大部分甚至都可以重复使用。此外，还可以选择放弃传统的 8 字节 PDO 限制，并利用 EtherCAT 增强的带宽支持整个对象字典的上传。设备配置文件（如驱动器配置文件 CiA 402）也可在 EtherCAT 中重复使用。

通过这种技术策略，原有的 CANopen 伺服驱动器切换到 EtherCAT 非常简单，这使得 EtherCAT 在运动控制领域迅速取得成功。

高性能、高效率

EtherCAT 基本上是速度最快的工业以太网技术，它的最快通讯周期时间可以小于 100µs 且它的同步精度达到了纳秒级。这得益于它独特的通讯机制：

EtherCAT 技术突破了其他以太网解决方案的系统限制：通过该项技术，无需接收以太网数据包，将其解码，之后再将过程数据复制到各个设备。EtherCAT 从站设备在报文经过其节点时读取相应的编址数据，同样，输入数据也是在报文经过时插入至报文中（参见下图）。整个过程中，报文只有几纳秒的时间延迟。

过程数据即时插入到报文中

由于发送和接收的以太网帧压缩了大量的设备数据，所以有效数据率可达 90%以上。100 Mb/s TX 的全双工特性完全得以利用，因此，有效数据率可大于 100 Mb/s（即大于 2 x 100 Mb/s 的 90%）（参见下图）。

带宽利用率的比较

_EtherCAT 主站是网段内唯一允许主动发送 EtherCAT 帧的节点，所有其他节点只是向下游转发帧。这一概念避免了不可预测的延迟，并保证了实时性。 —— 来自 ETG 官网

这种实时性对于通过总线系统控制或测量目标系统的所有应用来说都是一个巨大的优势。快速的反应时间缩短了工艺步骤之间转换的等待时间，从而显著提高了应用效率。

与其他总线系统相比，EtherCAT 系统结构通常可将 CPU 负载降低 25 - 30%（周期时间相同）。

成本低

成本低主要体现在以下三个方面：

BOM 成本：EtherCAT 主站设备，对底层硬件没有特别要求，只需标准的以太网接口即可，无需特定的接口卡或处理器，一般通过 EtherCAT 协议栈实现；EtherCAT 从站设备，也对 MCU 没有高性能要求，主要功能和性能的保障都由 ESC 芯片完成。市面上的 ESC 芯片提供商很多，选择很丰富，价格也不贵。
系统实施成本：EtherCAT 可以支持多种拓扑结构，如：线型、星型、树型以任意组合。且 EtherCAT 不需要交换机或集线器即可适用于各种拓扑结构，这极大地简化了系统的系统实施时间和成本；
后期维护成本：EtherCAT 不仅配置简单，检测和维护也很容易。地址可以自动分配，无需手动设置。具备自动链接检测功能，节点和网段可在运行中断开及重新连接。线型拓扑可以拓展为环形拓扑，实现线缆冗余。主站设备仅需第二个以太网口，而从站设备已具备冗余功能，因此可在机器运转过程中进行设备交换。这些特性都大大简化了后期维护的成本。

优秀完善的生态

这方面 EtherCAT 技术协会（ETG）功不可没。ETG 是目前比较活跃的现场总线用户组织，他们不仅负责更新和维护 EtherCAT 规范，还会向用户和供应商提供 EtherCAT 相关培训。除此之外，他们每年都会在世界各地举行研讨会和参加各种展会，宣传 EtherCAT 的同时也帮助会员推广他们的产品。因此，我们在文章开头就看到其会员数量已达到 7700 个，这一数字在现场总线类用户组织中是非常亮眼的，ETG 已成为世界上最大的工业以太网总线用户组织。

ETG 的会员中大致可以分成三类：方案提供商、设备制造商和最终用户。设备制造商有 3000 多家，其中 245 家主站供应商、224 家伺服驱动器供应商、168 家 I/O 供应商，除此之外还有一些传感器、执行器和安全产品的供应商。这些厂商都对外贡献更多可选择的 EtherCAT 产品及方案，进一步促进了行业生态的繁荣。

用户在 EtherCAT 的使用中遇到的问题和挑战

EtherCAT 凭借其显著的优点，近几年被越来越多的设备制造商作为其设备的标准通讯接口推向市场，这使得 EtherCAT 在工业通讯市场的份额快速增长。

如前文《市场份额预测报告》所示，PROFINET 和 EtherNet/IP 的市场份额也很大，甚至在某些行业和地区多于 EtherCAT。所以，在市场上有众多机器制造商和系统集成商还是习惯于采用西门子，罗克韦尔，施耐德，三菱等主流 PLC 作为其机器和工厂系统的主控制器。但问题也随之而来，这些主流 PLC 大部分不能支持 EtherCAT 主站通信功能，这使得用户在方案设计中，一旦涉及到采用 EtherCAT 接口的设备，就会面临如何连接和转换的问题。

HMS 作为工业通讯领域的领导者和专家，接到了大量来自工厂自动化和半导体行业用户关于 EtherCAT 从站设备和 PLC 互联的网关方案咨询，我们发现大部分用户在选择这种转换时面临的问题和顾虑是一样的，例如：