在过去二十年里，工业系统的通信方式发生了巨大变化。从这一变化中我们可以看出，
许多公司从基于现场总线的系统转向基于以太网的通信系统。基于以太网的工业通信发展势
头迅猛，预计会继续加速，分析机构 MarketsandMarkets 的最新研究发现，工业以太网的总
体市场份额预计将从 2020 年的 92 亿美元增长到 2026 年的 137 亿美元，在研究期间的复合
年增长率为 7.3%。
工业以太网在相对较短的时间内占据了如此大的市场份额，这并不令人意外。尽管基于
现场总线的系统已经过改进，但仍然存在一些不足。此类系统非常适合简单的控制功能，但
随着越来越多的制造商致力于实现工业 4.0 战略，这些不足变得难以克服。最明显的缺点是
速度，尤其是对于需要极其复杂且精确控制的应用，例如机器人。
基于以太网的实现显然是一种不错的选择。以太网可轻松提供足够的带宽来应对绝大多
数工业用例，即使是要求最苛刻的工业 4.0 应用。这是一种业界熟知的标准，具备成本效益
且在世界各地广泛应用。此标准非常灵活，适合许多不同的应用，尤其是能够以低成本的方
式将旧现场总线分支轻松集成到以太网主干。在实现和维护方面，并不缺少使用过并了解以
太网技术的工程师。工业 4.0 要求在工业操作和 IT 之间建立可靠的连接，因此具有基于相同
标准的通信系统非常实用。但是，在 IT 系统中采用的以太网具有不确定性，而这是控制系
统中最重要的要求之一。
为满足这一要求，许多制造商和组织着手开发一种基于以太网且适用于工业应用的标准。
这些新标准中最常用的是以太网 TSN、以太网/IP、PROFINET 和 EtherCAT。从最初开发之时
起，其中的每个协议和其他较小型或专有系统都具有其自身适用的地理或技术场景。
所有协议都有各自的优缺点。通常，它们采用在 IT 中应用的以太网概念，并相应调整
来提供实时操作。其中一种工业以太网 EtherCAT（用于控制自动化技术的以太网）的实现方
式略有不同，它保留了标准以太网物理层并在其基础上构建了全新的确定性协议。此协议使
用主机控制器，它是惟一允许创建 EtherCAT 帧的器件。帧的长度始终相同，并且网络上的
每个器件节点都有专用的帧可寻址区域。当帧在网络中传输时，每个节点选择控制数据并在
其经过时在其分配的空间中丢弃回复信息，帧的延时不超过硬件传输延时，同时提供接近
100 Mbps 线路速度的最大有效数据速率。
在其他工业以太网实现中，执行帧检查、执行 CRC 检查和遍历协议栈可能需要数百微秒。
EtherCAT 的设计仅需 125 µs 即可完成整个过程。更快的速度带来了更强的系统响应能力，
而这又有助于提高整个控制应用的效率和安全性。EtherCAT 器件节点也比其他工业以太网实
现简单得多，只需要在合适的单片机上运行的协议栈代码（SSC），这进一步降低了系统的复
杂性和成本。
但是，EtherCAT 的应用并不是最容易实现的。对于设计人员而言，最困难的障碍是满足周期时间的要求。许多制造商（尤其是使用电机的制造商）希望以每秒 8,000 次循环（即125 µs 的周期时间）实现控制算法。尽管 EtherCAT 系统很容易达到这一数字，但实践证明十分困难，而且通常需要大量的软件编写和优化工作。此外，这种方法的成本也十分高昂，在电机控制器旁边放置现成的 DIN 导轨 EtherCAT 控制器可能要花费数百美元。但是，定制设计的实现只需不超过十倍的费用。
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