EtherCAT : L’infrastructure temps réel au service de l’IA dans les usines intelligentes, la robotique et les industries à haut débit

À l'ère des usines intelligentes et de la robotique intelligente, les réseaux de communication doivent suivre le rythme des exigences de plus en plus strictes en matière de temps réel. 

EtherCAT – abréviation de « Ethernet for Control Automation Technology » – se distingue comme un protocole Ethernet industriel haute performance répondant à ces besoins. 

Développé initialement par Beckhoff Automation et désormais géré par EtherCAT Technology Group, EtherCAT est devenu un standard ouvert largement adopté dans le domaine de l'automatisation. Il repose sur le matériel Ethernet standard IEEE 802.3 (notamment les câbles Cat5/Cat6 et les cartes réseau courantes), ce qui permet de réduire les coûts et de garantir une interopérabilité aisée. 

Dans un réseau EtherCAT, le contrôleur maître peut être installé sur n'importe quel ordinateur doté d'un port Ethernet, et les périphériques esclaves EtherCAT prêts à l'emploi sont disponibles en abondance auprès de nombreux fabricants. 

L'utilisation de composants standardisés permet de prendre en charge à moindre coût même des systèmes de très grande envergure – potentiellement des dizaines de milliers de nœuds sur un seul segment de réseau.

EtherCAT repose essentiellement sur la garantie d'une communication déterministe, en laissant uniquement le maître envoyer des trames et en laissant chaque esclave traiter et transmettre la trame « à la volée » lors de son passage. 

En pratique, le maître assemble une ou plusieurs trames Ethernet par cycle et les injecte sur le réseau. Ces trames transitent successivement par chaque périphérique. Chaque périphérique esclave lit les données qui lui sont destinées et rédige immédiatement sa réponse dans la même trame, avant de transmettre le paquet en aval. 

Comme cela se produit à la vitesse du réseau – sans que chaque appareil ait à recevoir puis à retransmettre des messages séparés – la surcharge de communication est extrêmement faible. 

Contrairement à l'Ethernet standard, EtherCAT ne subit ni collisions ni attentes imprévisibles, ce qui garantit des temps de cycle très courts et une gigue minimale. De fait, EtherCAT peut atteindre des cycles inférieurs à la milliseconde, même avec des centaines de périphériques, répondant ainsi aux exigences strictes du temps réel.

L'architecture de traitement à la volée d'EtherCAT améliore non seulement la vitesse, mais simplifie également la conception du réseau. Les périphériques esclaves possèdent généralement deux ports et peuvent être câblés en ligne, en étoile ou en anneau., arbre ou des configurations mixtes, le tout sans nécessiter de commutateurs réseau dédiés. 

Étant donné que chaque esclave transmet des trames dans les deux sens (en tirant parti des paires duplex intégral du câble), le réseau forme effectivement un anneau logique qui revient toujours au maître. 

Cette topologie flexible permet aux installateurs de déployer des réseaux complexes – par exemple, en reliant des milliers de capteurs, de modules d'E/S et de variateurs à travers une installation entière – tout en conservant une boucle à cycle unique. EtherCAT prend notamment en charge des fonctionnalités avancées telles que le remplacement à chaud (ajout ou remplacement de périphériques sans interruption de service) et les chemins redondants pour une meilleure tolérance aux pannes, réduisant ainsi les temps d'arrêt pour maintenance.

Une autre caractéristique essentielle d'EtherCAT est sa synchronisation de haute précision. Grâce à la technologie d'horloge distribuée, tous les esclaves du réseau partagent une base de temps commune. Le maître (ou un esclave de référence désigné) émet un signal d'horloge auquel chaque appareil synchronise son horloge matérielle locale. Ces horloges sont calibrées matériellement afin de maintenir la dérive d'horloge sur le réseau en dessous de la microseconde. Un simple déclenchement suffit alors pour que tous les appareils mettent à jour leurs sorties et acquièrent simultanément les entrées. Pour des tâches coordonnées telles que le contrôle de mouvement multiaxes ou l'échantillonnage synchronisé de capteurs, cela signifie que chaque actionneur ou point de mesure fonctionne exactement au même instant. La précision de synchronisation d'EtherCAT est souvent mesurée dans la gamme des sub-microsecondes, ce qui est suffisamment précis pour gérer des dizaines de moteurs fonctionnant de concert sans latence.

EtherCAT : Piloter l’automatisation industrielle de haute précision, compatible avec l’IA, grâce à des performances déterministes et un contrôle évolutif

L'ensemble de ces attributs – synchronisation déterministe, traitement des données à la volée, câblage flexible et horloges précises – font d'EtherCAT une solution particulièrement adaptée à l'automatisation pilotée par l'IA.

En matière de commande de mouvement et de robotique, ce protocole permet des cycles de mise à jour inférieurs à la milliseconde et un fonctionnement multiaxes parfaitement synchronisé, ce qui le rend idéal pour les articulations robotiques, les machines CNC et les systèmes servo-motorisés. Sa capacité à mettre à jour des dizaines de moteurs en un seul cycle avec une synchronisation à la nanoseconde garantit un mouvement coordonné au sein de machines complexes.

Au-delà de la robotique, EtherCAT est largement utilisé dans l'automatisation des machines, permettant de connecter servomoteurs, capteurs, actionneurs et systèmes de vision dans des secteurs tels que l'emballage, l'imprimerie, la fabrication de semi-conducteurs et les chaînes d'assemblage. Sa communication à faible latence et son câblage simple facilitent l'intégration de dispositifs comme les modules d'E/S, les vannes, les contrôleurs et les caméras. Les équipements de production à grande vitesse tirent également parti d'EtherCAT, notamment dans les secteurs exigeant une synchronisation et une bande passante précises, tels que la fabrication de semi-conducteurs, les lignes de peinture automobile, les systèmes d'emballage, les presses d'imprimerie et le contrôle des éoliennes. Dans les applications semi-conducteurs, des profils de périphériques EtherCAT spécifiques sont souvent mis en œuvre pour synchroniser étroitement le mouvement et la mesure.

Les systèmes distribués de mesure et d'acquisition de données exploitent EtherCAT pour transmettre des données synchronisées provenant de modules d'E/S analogiques et numériques, de jauges de contrainte et d'encodeurs vers des contrôleurs centraux. Cette capacité prend en charge des applications telles que la capture de mouvement, les essais de structures et la surveillance multisensorielle, où un débit élevé et une synchronisation précise sont essentiels. EtherCAT intègre également un protocole de sécurité fonctionnelle, Fail Safe over EtherCAT (FSoE), qui permet la transmission de données de sécurité de niveau SIL 3 sur le même réseau, autorisant ainsi l'utilisation de variateurs et d'E/S de sécurité sans nécessiter de bus de sécurité dédié.

Le protocole EtherCAT s'étend à d'autres domaines, notamment la domotique, les systèmes énergétiques (solaire et éolien, par exemple) et le contrôle des infrastructures (tunnels et voies ferrées, par exemple). Dans toutes ces applications, sa communication déterministe, sa gigue minimale et sa synchronisation robuste garantissent la fiabilité nécessaire aux systèmes industriels avancés et aux systèmes pilotés par l'intelligence artificielle.

De plus, EtherCAT offre de nombreux avantages qui en font un choix privilégié pour l'automatisation industrielle. Ses performances déterministes garantissent des temps de cycle inférieurs à 100 microsecondes avec une gigue inférieure à une microseconde, même avec des milliers d'E/S. Le traitement des trames à la volée, associé à des liaisons Ethernet bidirectionnelles, élimine les collisions et les délais, permettant une synchronisation très précise pour les boucles de contrôle complexes. En pratique, le taux d'utilisation des canaux peut atteindre environ 90 %, surpassant largement l'efficacité des réseaux Ethernet ou bus de terrain traditionnels.

Le protocole est compatible avec le matériel Ethernet standard, permettant aux nœuds maîtres de fonctionner via des ports Ethernet 100 Mbit/s ou 1 Gb/s classiques sans carte de communication dédiée. Les nœuds esclaves nécessitent des contrôleurs EtherCAT dédiés, mais ces composants sont peu coûteux et largement disponibles sous forme d'ASIC ou de FPGA. L'architecture à double port prend en charge des configurations réseau flexibles, notamment en guirlande, en arbre ou en anneau, sans commutateur externe. Les réseaux peuvent gérer jusqu'à 65 535 périphériques, et l'ajout ou la suppression de nœuds est instantané. Des outils de diagnostic intégrés permettent d'identifier rapidement les erreurs de liaison ou les segments défectueux.

La fiabilité est renforcée par des configurations en anneau assurant la redondance des chemins et garantissant la continuité des communications même en cas de défaillance d'un câble. Le câblage de qualité industrielle, associé à des diagnostics intégrés, contribue à une disponibilité système élevée. EtherCAT intègre également des fonctionnalités avancées telles que des horloges matérielles distribuées pour une synchronisation à la nanoseconde près, des E/S remplaçables à chaud et des diagnostics complets, sans surcoût. Le protocole inclut Safety over EtherCAT (FSoE), certifié SIL3, permettant des communications sécurisées sur le même réseau.

En tant que norme ouverte conforme à la norme CEI 61158 et prise en charge par l'EtherCAT Technology Group, le protocole bénéficie d'une large adoption industrielle, avec des dizaines de milliers de produits compatibles provenant de centaines de fournisseurs. Cet écosystème étendu garantit une interopérabilité et une disponibilité à long terme. Le matériel EtherCAT est économique et la faible surcharge du protocole permet un débit effectif élevé, même sur des liaisons à 100 Mbit/s. Des solutions comme EtherCAT P, qui combinent alimentation et données sur un seul câble, réduisent encore la complexité du système et les coûts d'installation.

Approuvé par des experts pour son automatisation performante, fiable et intuitive

EtherCAT est largement reconnu par les experts du secteur pour ses hautes performances et sa simplicité d'utilisation. Son protocole efficace, qui permet l'échange de données à la volée sans matériel maître spécialisé, offre des niveaux de bande passante nettement supérieurs à ceux des anciens bus de terrain. Le protocole EtherCAT de base est resté stable pendant plus de vingt ans, et de nouvelles fonctionnalités ont été ajoutées tout en préservant la rétrocompatibilité, garantissant ainsi la fiabilité à long terme des systèmes industriels. Cette technologie est souvent décrite comme intuitive et simple, ce qui la rend particulièrement attrayante pour les ingénieurs responsables du contrôle et de l'automatisation à haute vitesse.

Les spécialistes de l'automatisation mettent en avant les capacités temps réel d'EtherCAT, notamment sa faible gigue, ses horloges distribuées synchronisées matériellement et sa capacité à gérer un grand nombre de nœuds. Sa communication précise et à faible latence est particulièrement adaptée au contrôle de mouvement et à la robotique, où le remplacement des bus de terrain traditionnels ou des réseaux Ethernet non déterministes permet des profils de mouvement plus précis, des temps de cycle plus courts et des performances système globales améliorées. EtherCAT facilite également le contrôle centralisé sur PC, car les contrôleurs reçoivent une image de processus unifiée à chaque cycle, éliminant ainsi la nécessité de manipulations manuelles des bits sur le processeur hôte.

Certains experts soulignent qu'EtherCAT nécessite une période d'apprentissage pour un déploiement optimal. Son utilisation efficace requiert la compréhension de la configuration de l'horloge distribuée, de la planification de la topologie réseau et de la structure des données du protocole, tandis que le diagnostic et le dépannage exigent des connaissances spécialisées. Malgré ces considérations, le consensus industriel indique que les performances, l'évolutivité et la précision d'EtherCAT en font un choix privilégié pour les projets d'automatisation à grande échelle et hautes performances.

EtherCAT 2026 : Augmentation de la bande passante, intégration à l’industrie 4.0 et adoption industrielle mondiale

EtherCAT continue de se développer dans le domaine de l'automatisation industrielle, grâce à un écosystème en pleine expansion. Plus de 77 millions de nœuds EtherCAT sont installés dans le monde, dont plus de 18 millions rien qu'en 2023. L'EtherCAT Technology Group compte désormais plus de 7 600 entreprises membres réparties dans 74 pays, ce qui en fait la plus grande communauté de bus de terrain industriels. Les analystes prévoient un taux de croissance annuel d'environ 10 % pour les déploiements EtherCAT jusqu'en 2030, porté notamment par les secteurs de l'automobile, de l'électronique, de l'aérospatiale et de l'énergie. L'Amérique du Nord représente actuellement la plus grande part de marché, tandis que la région Asie-Pacifique connaît la croissance la plus rapide.

Les récents développements renforcent les capacités d'EtherCAT pour les applications exigeantes. Les extensions Gigabit, EtherCAT G et G10, superposent le protocole aux liaisons Ethernet 1 Gbit/s et 10 Gbit/s, offrant une bande passante considérablement accrue tout en conservant une compatibilité totale avec les équipements existants. Ces variantes haut débit devraient se généraliser dans les machines de pointe, notamment la robotique multiaxes, les scanners CT à rayons X et les lignes de production à haut débit. EtherCAT P, introduit en 2019, intègre deux alimentations 24 V indépendantes à la liaison de données via un seul câble à quatre fils, simplifiant l'installation et réduisant les coûts de câblage. Les futures versions d'EtherCAT P devraient étendre la prise en charge des configurations de type PoE (Power over Ethernet) et offrir une compatibilité avec un plus grand nombre d'équipements.

L'intégration aux normes de l'Industrie 4.0 progresse également. Les initiatives liées à OPC UA visent à cartographier les données des périphériques EtherCAT dans des modèles standardisés, permettant un accès sécurisé aux E/S et aux informations de diagnostic sur les réseaux de niveau supérieur, les systèmes cloud ou les plateformes MES. Le protocole EAP allégé d'EtherCAT est adapté à la communication OPC UA Publish/Subscribe en temps réel, permettant aux contrôleurs d'exposer les E/S sans nécessiter de passerelle matérielle supplémentaire. Les fabricants de matériel continuent d'intégrer EtherCAT dans de nouveaux composants, notamment des microcontrôleurs avec contrôleurs esclaves natifs et des servomoteurs et variateurs pas à pas hautes performances, renforçant ainsi le rôle d'EtherCAT dans les systèmes modernes de mouvement et de contrôle industriels. Alors que les réseaux sensibles au temps (TSN) sont explorés par la concurrence, le traitement à la volée d'EtherCAT offre déjà une latence ultra-faible et des performances déterministes, garantissant sa pertinence continue en tant que dorsale temps réel critique au sein des machines automatisées.