三格电子EtherCAT转ModbusTCP网关技术详解

1 网关概述：架起高速实时以太网与工业通用协议的桥梁

在工业自动化系统中，EtherCAT因其高速、高实时性的特性，在控制器与高性能驱动器、IO模块间得到广泛应用；而Modbus TCP则以其简单、通用、成本低廉的优势，在连接变频器、流量计、温度采集模块等现场设备方面占据重要地位。三格电子推出的EtherCAT转ModbusTCP网关，型号：SG-ECAT_S-TCP。正是为了解决这两种协议之间的互联互通难题而设计。

这款网关采用数据映射的核心工作方式，在EtherCAT侧作为从站，连接TwinCAT、CodeSYS等主流PLC系统；在Modbus TCP侧则可根据需要灵活配置为主站或从站，从而实现了EtherCAT网络与Modbus TCP网络之间的双向数据透明传输。这使得用户无需深入了解复杂的协议细节，即可快速实现系统集成，显著降低了工程门槛和升级改造成本。

2 产品架构与工作原理

2.1 系统架构

三格电子的EtherCAT转ModbusTCP网关采用经典的双栈协议处理架构。其核心是在硬件平台之上分别实现EtherCAT从站协议栈和Modbus TCP主/从站协议栈，通过内部的数据映射区进行数据交换。

2.2 工作原理与数据流

网关工作的核心是数据映射机制。其具体数据处理流程如下：

EtherCAT数据接收：网关的EtherCAT从站接口接收来自主站的周期性子报文。

协议解析与数据提取：专用芯片解析EtherCAT帧，将过程数据提取到输入映射区。

数据转换与重组：根据预设的映射规则，将数据重新组织成Modbus TCP请求帧格式。

Modbus TCP通信：网关作为主站时，主动向Modbus TCP从站设备发送请求；作为从站时，则等待并响应主站的请求。

反向数据流：Modbus TCP侧接收到的数据，经过类似的反向处理过程，被更新到EtherCAT的输出映射区，供下一个周期EtherCAT主站读取。

这种设计实现了两种协议之间的透明传输，用户只需关注数据的源地址和目标地址的映射关系，无需关心底层的协议转换细节。

3 硬件设计深度解析

3.1 核心硬件配置

EtherCAT从站芯片：网关采用AX58100作为EtherCAT从站专用芯片。该芯片专为工业实时以太网设计，支持FreeRUN模式，能够高效处理EtherCAT协议，确保通信的实时性和确定性。

处理器与内存：为保证数据处理的效率，网关配备了性能充足的处理器和双端口内存，用于实现EtherCAT过程数据与Modbus TCP数据区之间的高速交换。

3.2 接口与电源设计

通信接口：

EtherCAT接口：提供2个RJ45以太网接口，支持100BASE-TX，具备MDI/MDIX自检测功能。需要注意的是，这两个网口严格区分输入和输出，用于组成EtherCAT典型的链式拓扑，不能像普通交换机那样随意连接。

配置接口：提供一个独立的配置口，用于连接电脑进行网关参数设置。

电源设计：网关采用9-36V宽电压直流输入，典型值为12V/70mA。支持双电源冗余供电，并带有过压、过流保护功能，适应工业环境的严苛要求。电源接口支持压线端子和圆头电源两种接法。

3.3 状态指示与诊断

网关设计了六个LED指示灯，提供直观的状态诊断信息：

PWR：电源指示灯，常亮表示供电正常。

SYS：系统状态灯，正常工作时闪烁。

OP：EtherCAT状态指示灯，常亮表示网关已进入EtherCAT的OP状态（操作状态），与主站通信正常。

CAN（或类似通信指示）：用于指示Modbus TCP侧的数据收发状态。

此外，网关还设有恢复出厂设置按键。当配置错误导致工作异常时，可通过按住此按键后重新上电的方式清除当前所有配置，恢复到出厂默认状态。

4 关键技术参数与性能指标

4.1 EtherCAT性能参数

协议支持：支持COE协议。

PDO数量：支持最多64个TPDO和64个RPDO。

数据容量：每个PDO可映射16个字节，故输入和输出数据最大各为1024字节。

工作模式：支持FreeRUN模式。

4.2 Modbus TCP性能参数

角色支持：可作为主站或从站。

连接数：作为主站时最多可连接7个Modbus TCP从站；作为从站时支持7个Modbus TCP主站连接。

支持的功能码：全面支持01H、02H、03H、04H、05H、06H、0FH、10H等常用功能码。

4.3 环境与电气参数

工作温度：-30~75℃。

工作湿度：5%~95%（无冷凝）。

安装方式：支持DIN-35mm导轨安装。

防护等级：典型为IP20。

5 典型应用场景与实战价值

5.1 生产线控制系统集成

在现代化智能工厂中，高层控制系统（如基于EtherCAT的PLC）需要与底层执行设备（如支持Modbus TCP的变频器、传感器、机械手）进行数据交互。该网关能够将Modbus TCP设备无缝集成到高速EtherCAT主干网络中，打通信息流，实现集中监控与精准控制。

5.2 设备升级与改造

对于已拥有大量Modbus TCP设备但又希望引入高性能EtherCAT控制系统的企业，使用此网关是一种经济高效的方案。它保护了现有设备投资，避免了全面更换带来的高昂成本，实现了新旧系统的平稳过渡和协同工作。

5.3 数据采集与监控

在SCADA或MES系统中，网关可以作为Modbus TCP主站，轮询收集多个从站设备（如电表、水表、温度传感器）的数据，然后通过EtherCAT网络高效、实时地传输给上层监控平台或数据中心，满足实时数据采集的需求。

6 配置与使用指南

6.1 配置流程概要

硬件连接：正确连接电源，通过配置口将网关与PC相连。

软件配置：

EtherCAT端：通过三格电子提供的ESI文件，在EtherCAT主站配置工具中导入网关的设备描述，并配置PDO映射。

Modbus TCP端：通过专用的网页或配置软件，设置IP地址、工作模式、数据映射表等参数。

下载配置：将配置好的参数下载到网关中。

系统连接与调试：将网关接入实际网络，观察指示灯状态，进行通信测试。

6.2 配置要点与注意事项

EtherCAT端口顺序：必须确保EtherCAT网络的输入端口连接上游设备，输出端口连接下游设备，以形成正确的菊花链拓扑。

数据映射对齐：务必保证EtherCAT PDO中的数据与Modbus TCP寄存器地址之间的映射关系一一对应且数据类型匹配。

网络参数优化：根据实际网络负载和实时性要求，合理设置Modbus TCP主站的轮询周期和超时时间。

7 总结

三格电子的SG-ECAT_S-TCP网关是一款设计成熟、性能稳定的工业协议转换设备。它通过高效的硬件设计和智能的数据映射机制，成功解决了EtherCAT与Modbus TCP之间的协议壁垒。其易于配置、稳定可靠的特点，使其在工业自动化系统集成、设备改造升级、数据采集监控等众多场景中发挥着不可替代的作用，是构建数字化、智能化工厂的理想通信桥梁。

随着工业互联网的深入发展，此类协议转换网关的价值将愈发凸显，助力企业实现设备层、控制层、信息层的全面互联互通。

审核编辑 黄宇