Wat is EtherCAT?
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) is een open, realtime Industrial Ethernet-protocol waarbij één Ethernet-frame langs alle apparaten in een segment loopt en elk apparaat zijn eigen data uit dat frame leest en erin schrijft terwijl het passeert. Door die verwerking “on the fly” haalt EtherCAT cyclustijden van 100 µs of minder en synchroniseert het apparaten met een afwijking van ruim onder één microseconde. Daarom is het een veelgebruikt netwerk voor motion control, snelle I/O en machines met veel servo-assen.
Het protocol werd in april 2003 geïntroduceerd door Beckhoff Automation. In november 2003 volgde de oprichting van de EtherCAT Technology Group (ETG), die de technologie sindsdien beheert en zichzelf de grootste Industrial Ethernet- en veldbusorganisatie ter wereld noemt, met duizenden lidbedrijven.
🧠 Wat doet EtherCAT?
EtherCAT verbindt een besturing, de MainDevice (vroeger master), met actuatoren, sensoren, I/O-modules en aandrijvingen, de SubDevices (vroeger slaves). De ETG gebruikt sinds enkele jaren deze nieuwe termen; in handboeken en software ziet u beide.
Het netwerk is ontworpen voor:
- Motion Control - servo-assen, robotica en CNC-machines die exact gelijk moeten lopen
- Real-time I/O - honderden tot duizenden digitale en analoge signalen per cyclus
- Gesynchroniseerde processen - meten, schakelen en bewegen op hetzelfde moment, tot op de microseconde
- Meetsystemen - snelle data-acquisitie met hoge bemonsteringsfrequenties
🧱 Hoe werkt EtherCAT?
Een klassiek Ethernet-netwerk stuurt per apparaat een apart pakket over een switch. EtherCAT doet het anders:
- De MainDevice verstuurt één frame - een standaard IEEE 802.3-frame met EtherType 0x88A4. De MainDevice heeft alleen een gewone Ethernet-poort nodig; een speciale interfacekaart is niet vereist.
- Elk SubDevice verwerkt het frame in hardware - een EtherCAT Slave Controller (ESC, een ASIC of FPGA) leest de voor hem bestemde uitgangsdata en schrijft zijn ingangsdata op de gereserveerde plek, met slechts nanoseconden vertraging.
- Het laatste apparaat stuurt het frame terug - via het retourkanaal van de full-duplex verbinding. Fysiek is het een lijn, logisch een ring.
- De MainDevice controleert de Working Counter - elk apparaat dat zijn deel verwerkt, verhoogt deze teller. Zo ziet de besturing per cyclus of alle data consistent is.
Omdat er nauwelijks protocoloverhead per apparaat is, benut EtherCAT meer dan 90% van de beschikbare bandbreedte. Een segment kan tot 65.535 apparaten bevatten en gebruikt een logische adresruimte van 4 GB. Voor routering over IP-netwerken kan het frame ook in UDP/IP worden verpakt.
Distributed Clocks (DC) zorgen voor tijdsynchronisatie. Het eerste apparaat met DC-ondersteuning is de referentieklok; de MainDevice meet de looptijd naar elk apparaat en corrigeert de lokale klokken. In tests met 300 apparaten en 120 m kabel bleef de jitter ruim onder 1 µs. Het principe lijkt op Precision Time Protocol, maar zit direct in de EtherCAT-hardware.
🔧 Wat zijn de belangrijkste kenmerken van EtherCAT?
| Kenmerk | Beschrijving |
|---|---|
| Snelheid | 100 Mbit/s full duplex, met meer dan 90% effectief gebruik; EtherCAT G en G10 halen 1 en 10 Gbit/s |
| Realtime gedrag | Deterministisch, cyclustijden van 100 µs of minder |
| Topologie | Lijn, boom, ster en daisy-chain, zonder switches; ring als kabelredundantie |
| Fysieke laag | 100BASE-TX tot 100 m tussen apparaten, 100BASE-FX glasvezel, EtherCAT P (data en voeding in één kabel) |
| Distributed Clocks | Synchronisatie met jitter ruim onder 1 µs |
| Configuratie | ESI-bestanden (XML) per apparaat; de tool maakt er een ENI-netwerkbestand van |
| Diagnose | Foutentellers per poort, Working Counter, analyse in Wireshark |
| Redundantie | Kabelredundantie (herstel binnen 15 µs), Hot Connect en MainDevice-redundantie via Hot Standby |
| Norm | IEC 61158 (Type 12), IEC 61784-2 (CPF 12), ISO 15745 en SEMI E54.20 |
Naast de cyclische procesdata kent EtherCAT een mailbox voor acyclische communicatie. Daarover lopen profielen als CoE (CANopen over EtherCAT, met het objectwoordenboek uit CANopen), SoE (het servo-aandrijvingsprofiel uit IEC 61800-7-204, bekend van SERCOS III), EoE (Ethernet-verkeer door het segment tunnelen), FoE (bestandsoverdracht, bijvoorbeeld voor firmware) en AoE (ADS over EtherCAT). Elk apparaat doorloopt bovendien een vaste toestandsmachine: Init, Pre-Operational (mailbox actief), Safe-Operational (ingangen geldig, uitgangen in veilige stand) en Operational, plus optioneel Bootstrap voor firmware-updates. Voor communicatie tussen besturingen onderling bestaat daarnaast het EtherCAT Automation Protocol (EAP), dat ook over UDP/IP of TCP/IP kan lopen.
🔄 Hoe verhoudt EtherCAT zich tot andere protocollen?
| Aspect | EtherCAT | ProfiNET IRT | IP | Modbus TCP |
|---|---|---|---|---|
| Principe | Eén frame langs alle apparaten | Geplande tijdvakken in switches | Producer/consumer via switches | Vraag-antwoord via TCP |
| Typische cyclustijd | 100 µs of minder | Vanaf 31,25 µs, vaak 250 µs tot 1 ms | Meestal 1 ms of meer | Meestal tientallen milliseconden |
| Synchronisatie | Distributed Clocks, < 1 µs | Isochroon, < 1 µs | CIP Sync (IEEE 1588) | Geen |
| Netwerkcomponenten | Geen switches in het segment | Speciale IRT-switches | Standaard managed switches | Standaard switches |
| Typische toepassing | Motion control, machinebouw | Siemens-omgevingen, motion | Rockwell-omgevingen, proces | Eenvoudige data-uitwisseling |
Gemeten naar nieuw geïnstalleerde netwerkknooppunten is EtherCAT na PROFINET en EtherNet/IP het op twee na meest gebruikte Industrial Ethernet-protocol ter wereld. Het wordt vooral gekozen bij machines met veel servo-assen. Verwante realtime-protocollen zijn Powerlink en SERCOS III; voor convergente netwerken wint TSN terrein. Een overzicht van oudere technologieën vindt u bij Veldbussen.
🏭 Waar wordt EtherCAT toegepast?
- Verpakkings- en voedingsmiddelenmachines - veel assen en I/O met korte cycli
- Robotica - gesynchroniseerde servo’s en assen in robotarmen
- CNC-machines - nauwkeurige asbesturing en interpolatie
- Halfgeleiderindustrie - dankzij SEMI E54.20 ook in apparatuur voor waferhandling en -bewerking
- Test- en meetsystemen - snelle data-acquisitie met tijdstempels
- Assemblagelijnen - realtime samenwerking tussen modules
Bekende MainDevice-software is TwinCAT van Beckhoff, dat de standaard Ethernet-poort van een industriële pc als EtherCAT-master gebruikt. Ook CODESYS, diverse soft-PLC’s en open-sourcestacks ondersteunen EtherCAT.
🛡️ Hoe werkt functionele veiligheid met EtherCAT?
Safety over EtherCAT (FSoE) draagt veiligheidsdata over hetzelfde netwerk als de gewone data. FSoE werkt volgens het black channel-principe: de veiligheidscontainer zit in de procesdata en het transport zelf hoeft niet veiligheidsgericht te zijn. FSoE is ontwikkeld volgens IEC 61508, gecertificeerd door TÜV Süd en vastgelegd in IEC 61784-3-12. Het is geschikt voor toepassingen tot en met SIL 3, en TÜV-gecertificeerde apparaten zijn sinds 2005 op de markt.
Het protocol alleen maakt een machine niet veilig. De machinebouwer bepaalt per veiligheidsfunctie het vereiste Performance Level volgens ISO 13849 en toont aan dat de hele keten van sensor tot actuator daaraan voldoet. FSoE is vergelijkbaar met PROFIsafe en CIP Safety in andere netwerken. Meer achtergrond vindt u bij functionele veiligheid.
🔐 Hoe beveiligt u een EtherCAT-netwerk?
EtherCAT is geen IP-protocol en alleen de MainDevice mag frames genereren. Dat beperkt het aanvalsoppervlak van het segment zelf. De ETG stelt dat EtherCAT-systemen zonder protocolwijzigingen Security Level 2 van IEC 62443-3-3 halen en SL 3 met softwarematige uitbreidingen, en verwijst naar het securityprofiel ETG.1800. Toch kent het frame zelf geen authenticatie: wie fysiek toegang krijgt tot het segment, kan verkeer verstoren.
Het echte risico zit meestal bij de MainDevice. Dat is vaak een industriële pc met Windows, engineeringsoftware en een netwerkkoppeling naar het fabrieksnetwerk of de leverancier. Praktische maatregelen:
- Behandel de MainDevice als grens - plaats hem in een eigen zone en filter verkeer naar het bedrijfsnetwerk met netwerksegmentatie.
- Wees zuinig met EoE en EAP - tunnelen van IP-verkeer door het segment of routering via UDP/IP opent extra paden; zet ze alleen aan als het nodig is.
- Beperk fysieke toegang - sluit vrije poorten af en bewaak de besturingskast.
- Regel onderhoud op afstand - laat onderhoud op afstand door de leverancier via een gecontroleerde, gelogde verbinding lopen.
- Monitor de diagnose - onverwachte foutentellers of topologiewijzigingen kunnen op storingen én manipulatie wijzen.
🇳🇱 Wat betekent EtherCAT voor Nederlandse machinebouwers?
In de Nederlandse machinebouw, van verpakkingsmachines tot hightechapparatuur, is EtherCAT met pc-gebaseerde besturing een gangbare keuze. Voor nieuwe machines gelden twee Europese regels. De Machineverordening vervangt per 20 januari 2027 de Machinerichtlijn en vraagt bescherming tegen corruptie van besturingen. De Cyber Resilience Act stelt eisen aan producten met digitale elementen, zoals EtherCAT-apparaten en besturingssoftware. Vraag bij aankoop daarom naar de securityconfiguratie van de MainDevice, het updatebeleid van de leverancier en documentatie van de netwerkopbouw.
❓ Veelgestelde vragen
Waar staat EtherCAT voor?
EtherCAT staat voor Ethernet for Control Automation Technology. Het is een realtime Industrial Ethernet-protocol dat Beckhoff in 2003 introduceerde en dat sindsdien door de EtherCAT Technology Group wordt beheerd. De specificatie is vastgelegd in IEC 61158 en IEC 61784-2.
Heeft EtherCAT speciale hardware nodig?
De EtherCAT MainDevice heeft alleen een standaard Ethernet-poort en software nodig. Elk SubDevice bevat wel een EtherCAT Slave Controller, een ASIC of FPGA die het frame in hardware verwerkt. Binnen een EtherCAT-segment gebruikt u geen gewone switches; vertakkingen maakt u met EtherCAT-junctions.
Hoe snel is EtherCAT?
EtherCAT werkt op 100 Mbit/s full duplex en benut meer dan 90% daarvan. Volgens de ETG ververst EtherCAT 1.000 digitale I/O’s verdeeld over 100 apparaten in circa 30 µs en 100 servo-assen in circa 100 µs. Met EtherCAT G en G10 zijn ook 1 en 10 Gbit/s mogelijk.
Is EtherCAT een open standaard?
EtherCAT is een open technologie: de specificatie is internationaal genormeerd in IEC 61158 en lidmaatschap van de EtherCAT Technology Group staat voor iedereen open. Fabrikanten testen hun apparaten met de officiële conformancetest en op interoperabiliteitsbijeenkomsten (plugfests) van de ETG.
Wat is het verschil tussen EtherCAT en PROFINET?
EtherCAT laat één frame langs alle apparaten lopen en heeft geen switches nodig, terwijl PROFINET apparaten via switches verbindt en voor harde realtime IRT met geplande tijdvakken gebruikt. Beide halen synchronisatie onder één microseconde. De keuze hangt in de praktijk vooral af van het PLC-platform en het aantal assen.
Is EtherCAT veilig tegen cyberaanvallen?
EtherCAT gebruikt geen IP-communicatie en alleen de MainDevice verstuurt frames, wat het aanvalsoppervlak beperkt. Het frame zelf heeft echter geen authenticatie, en de MainDevice is vaak een pc met een koppeling naar andere netwerken. Bescherm daarom vooral die MainDevice met segmentatie, toegangsbeheer en beperkt gebruik van EoE.
📌 Samengevat
EtherCAT is een realtime Industrial Ethernet-protocol waarbij één frame langs alle apparaten loopt en elk apparaat zijn data in hardware verwerkt, met cyclustijden van 100 µs of minder en synchronisatie ruim onder 1 µs. Met Distributed Clocks, Safety over EtherCAT tot SIL 3 en normering in IEC 61158 is het een vaste keuze voor Motion Control, Robotica en industriële automatisering met hoge eisen. Beveilig vooral de MainDevice, want daar komt het EtherCAT-segment in contact met de rest van het netwerk.