EtherCAT: La infraestructura en tiempo real que impulsa la IA en fábricas inteligentes, robótica e industrias de alto rendimiento

En la era de las fábricas inteligentes y la robótica inteligente, las redes de comunicación deben mantenerse al día con las exigencias cada vez mayores en tiempo real. 

EtherCAT – abreviatura de “Ethernet for Control Automation Technology” – se destaca como un protocolo Ethernet industrial de alto rendimiento que satisface estas necesidades. 

Desarrollado originalmente por Beckhoff Automation y ahora gestionado por EtherCAT Technology Group, EtherCAT se ha convertido en un estándar abierto ampliamente adoptado para la automatización. Se basa en hardware Ethernet estándar IEEE 802.3 (incluidos cables Cat5/Cat6 comunes y tarjetas de red habituales), lo que reduce los costes y garantiza una fácil interoperabilidad. 

El controlador maestro en una red EtherCAT se puede implementar en cualquier computadora con un puerto Ethernet, y existen numerosos dispositivos esclavos EtherCAT disponibles comercialmente de muchos fabricantes. 

Este uso de componentes estándar significa que incluso sistemas muy grandes, potencialmente decenas de miles de nodos en un solo segmento de red, pueden ser soportados de forma económica.

En su esencia, EtherCAT garantiza una comunicación determinista al permitir que solo el maestro envíe tramas y que cada esclavo procese y reenvíe la trama "sobre la marcha" a medida que pasa. 

En la práctica, el maestro ensambla uno o más tramas Ethernet por ciclo y las inyecta en la red, y estas tramas fluyen a través de cada dispositivo sucesivamente. Cada esclavo lee los datos que le corresponden e inmediatamente escribe su respuesta en la misma trama, todo ello antes de reenviar el paquete al siguiente nodo. 

Debido a que esto ocurre a la velocidad de la línea eléctrica, sin que cada dispositivo tenga que recibir y luego retransmitir mensajes separados, la sobrecarga de comunicación es extremadamente baja. 

No existen colisiones ni esperas impredecibles como en Ethernet estándar, por lo que los tiempos de ciclo son muy cortos y la fluctuación mínima. De hecho, EtherCAT puede alcanzar ciclos inferiores a un milisegundo incluso con cientos de dispositivos, cumpliendo así con los estrictos requisitos de tiempo real.

La arquitectura de procesamiento en tiempo real de EtherCAT no solo aumenta la velocidad, sino que también simplifica el diseño de la red. Los dispositivos esclavos suelen tener dos puertos y se pueden conectar en línea, estrella o anillo., árbol o configuraciones mixtas, todo ello sin necesidad de conmutadores de red dedicados. 

Debido a que cada esclavo reenvía tramas en ambas direcciones (aprovechando los pares dúplex completos del cable), la red forma efectivamente un anillo lógico que siempre regresa al maestro. 

Esta topología flexible permite a los instaladores diseñar redes complejas —por ejemplo, conectando miles de sensores, módulos de E/S y variadores en toda una instalación— y aun así mantener un bucle de un solo ciclo. Cabe destacar que EtherCAT admite funciones avanzadas como el intercambio en caliente (agregar o reemplazar dispositivos sin detener el sistema) y rutas redundantes para la tolerancia a fallos, lo que reduce aún más el tiempo de inactividad por mantenimiento.

Otra característica clave de EtherCAT es su sincronización de alta precisión. Todos los dispositivos esclavos de la red comparten una base de tiempo común gracias a la tecnología de reloj distribuido. El maestro (o un esclavo de referencia designado) envía una señal de reloj con la que cada dispositivo sincroniza su temporizador de hardware local. Estos relojes se calibran por hardware para que la deriva del reloj en la red se mantenga por debajo de un microsegundo. Con un único disparo, todos los dispositivos actualizan sus salidas y capturan entradas simultáneamente. Para tareas coordinadas como el control de movimiento multieje o el muestreo sincronizado de sensores, esto significa que cada actuador o punto de medición opera exactamente al mismo tiempo. La precisión de sincronización de EtherCAT se mide a menudo en el rango de los submicrosegundos, lo que es lo suficientemente preciso como para controlar docenas de motores moviéndose al unísono sin retardo.

EtherCAT: Impulsando la automatización industrial de alta precisión y preparada para IA con rendimiento determinista y control escalable.

Todos estos atributos (temporización determinista, procesamiento de datos sobre la marcha, cableado flexible y relojes precisos) hacen que EtherCAT sea especialmente adecuado para la automatización impulsada por IA.

En control de movimiento y robótica, el protocolo permite ciclos de actualización inferiores a un milisegundo y un funcionamiento multieje altamente sincronizado, lo que lo hace ideal para articulaciones robóticas, máquinas CNC y sistemas servoaccionados. Su capacidad para actualizar docenas de accionamientos en un solo ciclo con una sincronización a nivel de nanosegundos garantiza un movimiento coordinado en maquinaria compleja.

Más allá de la robótica, EtherCAT se aplica ampliamente en la automatización general de maquinaria, conectando servomotores, sensores, actuadores y sistemas de visión en industrias como el empaquetado, la impresión, la fabricación de semiconductores y las líneas de montaje. Su comunicación de baja latencia y su cableado sencillo simplifican la integración de dispositivos como módulos de E/S, válvulas, controladores y cámaras. Los equipos de producción de alta velocidad también se benefician de EtherCAT, especialmente en sectores que requieren una sincronización y un ancho de banda precisos, como la fabricación de semiconductores, las líneas de pintura para automóviles, los sistemas de empaquetado, las imprentas y el control de turbinas eólicas. En aplicaciones de semiconductores, a menudo se implementan perfiles de dispositivos EtherCAT especializados para sincronizar con precisión el movimiento y la medición.

Los sistemas distribuidos de medición y adquisición de datos utilizan EtherCAT para transmitir datos sincronizados desde módulos de E/S analógicos y digitales, galgas extensométricas y codificadores a controladores centrales. Esta capacidad permite aplicaciones como la captura de movimiento, las pruebas estructurales y la monitorización multisensor, donde el alto rendimiento y la sincronización precisa son esenciales. EtherCAT también incorpora un protocolo de seguridad funcional, Fail Safe over EtherCAT (FSoE), que permite transmitir datos de seguridad con clasificación SIL3 en la misma red, lo que posibilita el uso de variadores y E/S con clasificación de seguridad sin necesidad de un bus de seguridad independiente.

El protocolo se extiende a otros ámbitos, como la automatización de edificios, los sistemas energéticos (solar y eólico) y el control de infraestructuras en túneles y ferrocarriles. En todas estas aplicaciones, la comunicación determinista, la mínima fluctuación y la sólida sincronización de EtherCAT proporcionan el rendimiento fiable necesario para los sistemas industriales avanzados y los sistemas basados ​​en IA.

Además, EtherCAT ofrece una serie de ventajas que lo convierten en la opción preferida para la automatización industrial. Su rendimiento determinista permite tiempos de ciclo inferiores a 100 microsegundos con una fluctuación inferior a un microsegundo, incluso al gestionar miles de puntos de E/S. El procesamiento de tramas en tiempo real, combinado con enlaces Ethernet dúplex completos, elimina colisiones y retardos, lo que permite una temporización de alta precisión para bucles de control complejos. La utilización del canal en implementaciones prácticas puede alcanzar aproximadamente el 90 %, superando significativamente la eficiencia de las redes Ethernet o de bus de campo tradicionales.

El protocolo es compatible con hardware Ethernet estándar, lo que permite que los nodos maestros operen a través de puertos Ethernet convencionales de 100 Mbit/s o 1 Gb sin necesidad de tarjetas de comunicación especializadas. Si bien los dispositivos esclavos requieren chips controladores EtherCAT dedicados, estos componentes son económicos y están ampliamente disponibles como ASIC o FPGA. La arquitectura de doble puerto admite configuraciones de red flexibles, incluidas topologías en cadena, árbol o anillo, sin necesidad de conmutadores externos. Las redes pueden direccionar hasta 65 535 dispositivos, y los nodos se pueden agregar o eliminar dinámicamente; además, las herramientas de diagnóstico integradas ayudan a identificar rápidamente errores de enlace o segmentos defectuosos.

La fiabilidad se optimiza mediante configuraciones en anillo que proporcionan redundancia de ruta, garantizando la continuidad de la comunicación incluso ante fallos de cable. El cableado de grado industrial, junto con los diagnósticos integrados, contribuye a un alto tiempo de actividad del sistema. EtherCAT también integra funciones avanzadas como relojes de hardware distribuidos para una sincronización a nivel de nanosegundos, E/S intercambiables en caliente y diagnósticos completos, todo ello sin coste adicional. El protocolo incluye Seguridad sobre EtherCAT (FSoE), con certificación SIL3, lo que permite una comunicación segura a través de la misma red.

Como estándar abierto bajo la norma IEC 61158 y respaldado por el Grupo Tecnológico EtherCAT, el protocolo goza de una amplia adopción en la industria, con decenas de miles de productos compatibles de cientos de proveedores. Este extenso ecosistema garantiza la interoperabilidad y la disponibilidad a largo plazo. El hardware EtherCAT es rentable y la mínima sobrecarga del protocolo permite un alto rendimiento efectivo incluso en enlaces de 100 Mbit/s. Soluciones como EtherCAT P, que combinan alimentación y datos en un solo cable, reducen aún más la complejidad del sistema y el coste de instalación.

Avalado por expertos para una automatización intuitiva, fiable y de alto rendimiento.

EtherCAT es ampliamente reconocido por los expertos de la industria por su alto rendimiento y simplicidad operativa. Su eficiencia de protocolo, que permite el intercambio de datos en tiempo real sin necesidad de hardware maestro especializado, posibilita niveles de ancho de banda significativamente superiores a los de los buses de campo más antiguos. El protocolo EtherCAT básico se ha mantenido estable durante más de dos décadas, incorporando nuevas funcionalidades que conservan la retrocompatibilidad, lo que garantiza la fiabilidad a largo plazo de los sistemas industriales. Esta tecnología se describe frecuentemente como intuitiva y sencilla, lo que la hace especialmente atractiva para los ingenieros responsables del control y la automatización de alta velocidad.

Los profesionales de la automatización destacan las capacidades en tiempo real de EtherCAT, incluyendo una mínima fluctuación (jitter), relojes distribuidos sincronizados por hardware y soporte para un gran número de nodos. Su comunicación precisa y de baja latencia resulta especialmente adecuada para el control de movimiento y la robótica, donde la sustitución de los buses de campo tradicionales o las redes Ethernet no deterministas permite perfiles de movimiento más precisos, ciclos más rápidos y un mejor rendimiento general del sistema. EtherCAT también facilita el control centralizado basado en PC, ya que los controladores reciben una imagen de proceso unificada en cada ciclo, eliminando la necesidad de manipulación manual de bits en la CPU del host.

Algunos profesionales señalan que EtherCAT requiere un periodo de aprendizaje para su correcta implementación. Su uso eficaz exige comprender la configuración del reloj distribuido, la planificación de la topología de red y la estructura de datos del protocolo, mientras que el diagnóstico y la resolución de problemas requieren conocimientos especializados. A pesar de estas consideraciones, el consenso del sector indica que el rendimiento, la escalabilidad y la precisión de EtherCAT lo convierten en la opción preferida para proyectos de automatización de alto rendimiento a gran escala.

EtherCAT 2026: Ampliación del ancho de banda, integración con la Industria 4.0 y adopción industrial global

EtherCAT continúa expandiendo su presencia en la automatización industrial, respaldado por un ecosistema en rápido crecimiento. Hay más de 77 millones de nodos EtherCAT instalados en todo el mundo, con más de 18 millones añadidos solo en 2023. El Grupo Tecnológico EtherCAT cuenta ahora con más de 7,600 empresas miembro en 74 países, lo que lo convierte en la mayor comunidad de buses de campo industriales. Los analistas proyectan una tasa de crecimiento anual aproximada del 10 % para las implementaciones de EtherCAT hasta 2030, impulsada especialmente por los sectores de automoción, electrónica, aeroespacial y energía. Norteamérica representa actualmente la mayor cuota de mercado regional, mientras que el mercado de Asia-Pacífico experimenta el crecimiento más rápido.

Los recientes avances están mejorando las capacidades de EtherCAT para aplicaciones exigentes. Las extensiones Gigabit, EtherCAT G y G10, superponen el protocolo a enlaces Ethernet de 1 Gbit/s y 10 Gbit/s, proporcionando un ancho de banda considerablemente mayor y manteniendo la compatibilidad total con los dispositivos existentes. Se espera que estas variantes de alta velocidad se generalicen en maquinaria avanzada, incluyendo robótica multieje, escáneres CT de rayos X y líneas de fabricación de alto rendimiento. EtherCAT P, presentado en 2019, integra dos fuentes de alimentación independientes de 24 V con el enlace de datos a través de un único cable de cuatro hilos, lo que simplifica la instalación y reduce los costes de cableado. Se prevé que las futuras versiones de EtherCAT P amplíen la compatibilidad con configuraciones tipo Power-over-Ethernet y una mayor compatibilidad con dispositivos.

La integración con los estándares de la Industria 4.0 también avanza. Las iniciativas con OPC UA buscan mapear los datos de los dispositivos EtherCAT en modelos estandarizados, lo que permite el acceso seguro a la información de E/S y de diagnóstico a través de redes de nivel superior, sistemas en la nube o plataformas MES. El protocolo EAP de EtherCAT, de diseño optimizado, se está adaptando para la comunicación OPC UA de publicación/suscripción en tiempo real, lo que permite a los controladores exponer la E/S sin necesidad de hardware de puerta de enlace adicional. Los fabricantes de hardware siguen integrando EtherCAT en nuevos componentes, incluidos microcontroladores con controladores esclavos nativos y servomotores y controladores de motores paso a paso de alto rendimiento, lo que consolida aún más el papel de EtherCAT en los modernos sistemas de control y movimiento industrial. Si bien la competencia está explorando las redes sensibles al tiempo (TSN), el procesamiento en tiempo real de EtherCAT ya proporciona una latencia ultrabaja y un rendimiento determinista, lo que garantiza su continua relevancia como infraestructura troncal de tiempo real crítico en la maquinaria automatizada.