现场总线是一组用于工业领域的标准化协议，其网络组织形式有各种拓扑结构例如环形，树形，星形和菊花链。在有现场总线之前，工业控制器系统通过RS232串口进行通信。如您所知，串行通信只允许两个设备进行通信。而今天，现场总线与以太网融合得更加紧密，可以在任意地方连接多个现场设备到一个连接点，然后再连接到控制器。在这个多设备连接过程中，需要一组标准化的统一的通信协议。目前工业领域在使用的有几种协议，例如AB的ControlNet，施耐德的Modbus，西门子的Profibus，贝加莱的EtherCAT，HART，CIP等等。现场总线的主要优点是现场设备的长距离连接。例如，您有几个现场设备如传感器，电机，灯，开关，它们相互之间的距离较远，而您的应用需要将这些设备连接到PLC进行统一控制。这时您就可以使用单电缆将各设备连接到I/O模块，然后再连接到PLC。这种类型的现场设备连接节省了布线，并且保障了信号的可靠（没有电缆电阻和压降的影响）。控制器系统需要一个通信模块来建立现场各设备之间的通信。对于ControlNet协议，您需要一个ControlNet模块；Profibus总线需要一个Profibus模块。每种协议都是使用专用的通信模块。例如，Profibus是一种广泛使用的协议可以连接AllenBradley，Siemens，Modicon等。有些协议能相互兼容，但是某些协议与其他协议不能很好地兼容。ControlNet就是一个无法集成到西门子PLC中的协议。在设计工厂控制系统时应该谨慎选择通信网络，特别是考虑现场总线设备的设备层，要确保现场所有设备都兼容并能通信。
以太网用在工业通信中首要的3项要求：低延时 高响应 高可靠如果通过传统的以太网协议要做实时数据的监控（1ms）， 主站发出的数据会被路由到每一个子站，子站再发数据回给主站，那么无论是子站还是主站都在不停地发数据和接收数据。工业通信有个特点：工业通信本身数据量不大（不是视频或下载），大部分数据都是开关量和模拟量。如果用以太网，则都要根据OSI模型一层一层加协议，就好比每个数据帧都在单独开一辆车，而不是使用公共交通一样。修更宽的路需要花更多的钱（整个网络硬件升级，整个网络速度遵循木桶原则）。那怎么让数据乘坐公共交通呢？
EtherCAT是一个开放架构，是基于以太网的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术（Control Automation Technology）字首的缩写。EtherCAT最早是由德国的Beckhoff（倍福）公司研发的确定性的工业以太网。EtherCAT使用相同的物理和数据链路层。EtherCAT中，主站发送数据，整个网络可能只有一个数据帧依次将通过每个节点（像火车一样）。主站是唯一允许发送帧的节点，子站只能转发帧。数据帧就像火车一样，从主站开出，途经各个子站，把“发给子站的数据”放下、把“子站发出的数据”带上，绕一圈最后回到主站。这种方法有助于确保实时操作并避免延迟。
EtherCAT网络不需要交换机。每个EtherCAT设备通常只有发射端和接收端两个以太网端口。实时性是EtherCAT的主要优势，使得EtherCAT可以成为高性能的分散式I/O系统：包含一千个分散式数位输入/输出的程序资料交换只需30us，相当于在100Mbit/s的以太网传输125个字节的资料。读写一百个伺服轴的系统可以以10 kHz的速率更新，一般的更新速率约为1–30 kHz，但也可以使用较低的更新速率，以避免太频繁地直接内存存取影响主站个人电脑的运作。虽然子站设备添加数据过程到数据帧过程中仍有一点延迟，但EtherCAT的单一数据流大大提高了带宽利用率。这个优点也有可能是一个缺点，因为许多子站设备可能无法适应这种高速，使得EtherCAT网络可能需要放慢速度以适应这些设备。EtherCAT还使用分布式时钟系统。当EtherCAT的数据帧通过每个节点时，节点向其数据添加“已接收消息”时间戳。每个节点在收到消息时添加时间戳，然后在返回主站的路上，当数据帧移回节点时，每个节点再次附加一个时间戳。这个过程中，主节点对每个节点都有准确的计算，因为时间戳数据是在每次数据帧传输时计算的。借助EtherCAT固有环形拓扑，分布式时钟机制确保了每次准确的数据传输，这是EtherCAT的优势之一。另一个优点是网络拓扑的形式。许多不同的网络拓扑可以在EtherCAT网络中使用。因为它使用全双工通信（双向轨道），当检测到端头时，数据帧将自动从子站返主站，这使得EtherCAT的网络拓扑结构很灵活。考虑到EtherCAT所固有“环”技术，在环形拓扑中连接的网络将形成冗余结构，因为它本身就是一个环形。EtherCAT与标准以太网相比具有很大的优势：响应时间快，每台设备的数据要求最低，和低实施成本。通过上面的介绍是不是感觉到EtherCAT设计得很巧妙，因为它真的就像火车一样！
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