面向EtherCAT网络的虚拟控制器
借助 acontis 在 EtherCAT 和虚拟机技术领域的丰富经验，可以实现 EtherCAT 控制器的虚拟化。EtherCAT 的虚拟控制器可以通过 EtherCAT Direct 模式直接连接到 EtherCAT 网络，或通过 EtherCAT Open 模式功能包 (EOM) 利用常规交换式以太网 IT 网络控制远程 EtherCAT 网络段。
虚拟 EtherCAT 控制器通过利用高性能、广泛可用的硬件平台，优化了硬件资源的使用。这些平台可以承载多个 EtherCAT主站设备 (MainDevices)，在提高性能和可持续性的同时确保高效利用硬件资源。
图1：虚拟控制器可共享同一硬件平台，独立控制不同网络
通过将acontis EC-Master与实时虚拟机监控程序（如acontis RTOSVisor）或软实时hypervisor（如Proxmox）结合，可构建IT与OT网络深度融合的工厂架构。基于此，EtherCAT设备可直接从IT机房控制，无需专用网关。
直接模式虚拟控制器
虚拟控制器为复杂机械（多 EtherCAT 网络）提供了一种优化的控制方案。典型应用包括多轴运动控制、机器人及测量和数据采集系统——硬件资源的灵活性和控制器系统内部可能的直接数据交换显著提升了整体性能。
图2：两个虚拟主设备通过直接模式控制独立EtherCAT网络
软件架构
EC-Master 运行于多个虚拟机（数量对应受控EtherCAT网段数量）。
为在直接模式下实现最佳性能，操作系统与hypervisor的网络层被旁路：
- Hypervisor通过直通技术为每个虚拟机提供专用以太网硬件的直接访问
- 虚拟机内使用acontis实时以太网驱动直接操作指定硬件
额外以太网硬件以虚拟化/共享模式供所有虚拟机进行标准TCP/IP通信（如远程访问、配置诊断）
EC-Master实例配置与传统EtherCAT控制器完全兼容，采用标准实时操作系统（如RT-Linux、VxWorks）及标准以太网硬件时无需特殊适配。
图3：双虚拟主设备系统软件架构（直接模式实现硬件直通与极速性能）
优势
与多个物理控制器相比，虚拟控制器具有以下几个主要优势：
- 优化硬件利用率： 传统控制器往往为满足特定任务而配置过度，导致空间、能源和维护的浪费。虚拟控制器通过使用优化硬件以满足精确需求，避免了因最坏情况规划或标准化而导致的过度配置。
- 提升系统性能： 在采用多个控制器的系统中，控制器之间（例如通过 EtherCAT 自动化协议）的通信是必要的。虚拟控制器通过控制器内部的虚拟网络简化了这一过程，可提供文件交换、数据流或共享变量等多种控制器间通信方式（取决于使用的操作系统或虚拟机技术），实现更高效、更快速的数据交换。
- 满足特定用例的最佳硬件： 虚拟控制器可以将多个控制器合并为一个单元，节省空间，同时能够使用功能更强大的硬件，例如具有人机界面 (HMI) 的设备。
- 降低成本和简化维护： 运行多个虚拟控制器的单一硬件设备能够降低总体拥有成本 (TCO)。即使性能提高，每台控制器的成本通常也低于传统物理控制器。此外，现代 IT 工具使远程管理更加简单，减少了对现场支持的需求。
支持实时操作系统和虚拟机技术的虚拟控制器采用 EtherCAT Direct 模式，能够在性能上媲美传统 EtherCAT 控制器，同时提供简单的配置、便捷的诊断、极快的周期时间和极低的抖动，实现最大性能。
开放模式虚拟控制器
虚拟控制器提供了一种优化的方法，用于控制具有多个 EtherCAT 网络的复杂机械。
图4：两个虚拟主设备通过开放模式控制独立远程系统
软件架构
与采用EtherCAT直接模式的虚拟控制器架构相同，EC-Master运行于多个虚拟机中。
然而，为实现最大灵活性，此配置为所有EtherCAT主站设备使用共享以太网硬件：
- EtherCAT开放模式层：acontis EtherCAT开放模式层（EOM Layer）通过交换式IT网络传输EtherCAT帧——采用RAW或UDP通信方式.
- 标准化网络栈访问：acontis以太网驱动程序通过标准操作系统及hypervisor网络协议栈访问共享硬件
- 共享硬件通道：hypervisor为所有EtherCAT主设备提供共享以太网硬件的访问权限
在此配置示例中，第二块以太网硬件以共享模式接入所有虚拟机，处理其他TCP/IP通信任务。
EC-Master实例与经典EtherCAT控制器配置存在差异：采用EOM层架构时，acontis以太网驱动不再直接操作硬件，而是通过底层OS/hypervisor网络协议栈进行访问。
该架构实现最大部署灵活性（可随时扩展虚拟机而无需硬件改造），但受限于标准IT网络特性，存在最小EtherCAT周期时间延长的问题。
图5：双虚拟主设备系统软件架构（开放模式实现灵活组网）
优势
将 EtherCAT Open 模式 (EOM) 与虚拟控制器技术结合，带来了更多的优势：
- 增强的可靠性： EOM 允许虚拟控制器在安全的 IT 环境（如 IT 服务器机房）中运行，从而避免因物理环境带来的风险，并延长系统的使用寿命。
- 环境因素的保护： 将控制器放置在安全的 IT 环境中，可避免受到振动、温度波动和电磁干扰（EMI）的影响。控制器还可以利用 IT 基础设施，如备用电源和持续的监控功能。
- 防止未经授权的访问： IT 服务器机房为虚拟控制器提供了受保护的访问权限，消除了传统机械设备柜中可能存在的直接物理操作风险，例如 USB 接口或其他服务接口被滥用的情况。
- 网络安全： 将机器控制器托管在安全的 IT 环境中，可以通过利用成熟的 IT 网络安全实践来增强它们抵御网络攻击的能力。
然而，采用 EtherCAT Open 模式的虚拟控制器与 Direct 模式相比可能会面临一些差异，例如 UDP/RAW 通信可能导致抖动增加，使用标准 IT 网络可能使配置更加复杂。尽管存在这些挑战，EOM 仍然是控制远程 EtherCAT 网络段的强大选项，可在安全性和效率方面提供良好的平衡。
有关 EOM 的更多信息，请参阅我们的博客文章《什么是 EtherCAT Open 模式？》以及了解如何通过 EC-Master 实现 EOM，请访问我们的 EC-Master EOM 功能包网页。
acontis虚拟控制器解决方案
acontis提供构建定制化虚拟EtherCAT控制器所需的全套核心软件组件：
- EtherCAT主站软件: acontis EC-Master是久经现场验证的EtherCAT主站协议栈软件，兼具全面功能集、高性能与低资源占用的特性。其支持单一系统实例控制多网络，并在hypervisor与虚拟机环境中无缝运行。
- EC-Master EtherCAT开放模式功能包: EOM功能包集成实现EtherCAT开放模式（EtherCAT Open Mode）所需的全部功能，允许通过标准IT网络从中央EtherCAT控制器远程操控分布式EtherCAT网段。
- Hypervisor方案: 根据应用需求提供以下选项：
- acontis硬实时Hypervisor：提供最低周期时间与时间抖动，专为采用EtherCAT直接模式的高性能虚拟控制器设计。
- 软实时Hypervisor：acontis提供完整文档与技术支持，指导用户使用Proxmox等IT环境常用软实时hypervisor构建虚拟控制器——尤其适用于基于EtherCAT开放模式的集中式虚拟控制器。