【ZiDongHua 之品牌自定位收錄關(guān)鍵詞：倍福 EtherCAT 現(xiàn)場總線 工業(yè)自動化】

人物訪談 | 兼容、開放的 EtherCAT 技術(shù)已經(jīng)過 20 年的實踐驗證

EtherCAT 技術(shù)的 20 年發(fā)展歷程

EtherCAT 自推出以來已經(jīng)有 20 多年的歷史，時至今日，它的成功一直在持續(xù)。的確，由倍福開發(fā)并在 2003 年漢諾威工業(yè)博覽會上首次亮相的 EtherCAT 通信系統(tǒng)久經(jīng)實踐考驗，是一款高性能實時以太網(wǎng)解決方案，在全球范圍內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用，并憑借其技術(shù)發(fā)展的連續(xù)性確立了市場地位，進一步成為開放的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)。在這篇采訪中，Hans Beckhoff 和 Martin Rostan 主要講述該技術(shù)在公司歷史上激動人心的時刻，而 Johannes Beckhoff 代表倍福下一代管理層則更關(guān)注未來需求。

Hans Beckhoff(中間)和 Martin Rostan(左)回顧 EtherCAT 技術(shù)過去 20 年的發(fā)展歷程并與代表下一代管理層的 Johannes Beckhoff(右)分享了他們多年積累的經(jīng)驗

早在 1989 年，倍福首次推出了 Lightbus 高性能總線系統(tǒng)。那么，后來開發(fā)全新的 EtherCAT通信系統(tǒng)時，你們是出于什么考慮?

倍福一直專注于。這一切都基于 PC 控制技術(shù)理念，基于此我們可以開發(fā)包括高算力在內(nèi)的 PC 的所有優(yōu)勢，從而使機器獲益。在數(shù)據(jù)通信方面，我們在 1989 年推出了出色的 Lightbus 解決方案。到了 21 世紀初，PC 標(biāo)配以太網(wǎng)接口成為當(dāng)時的主流趨勢，第一批集成有以太網(wǎng)接口的處理器也開始進入市場。EtherCAT 的研發(fā)讓我們能夠在設(shè)備上使用這種新的 IT 數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，這與我們的理念是一致的。我們在 Lightbus 以及諸如 CANopen 和 PROFIBUS 等其它所有現(xiàn)場總線方面都擁有豐富的應(yīng)用經(jīng)驗，并將這些經(jīng)驗都整合到我們的研發(fā)理念中。這一切都有助于 EtherCAT 在后來取得巨大成功。

Martin：

我們研發(fā) EtherCAT 的初衷是：Lightbus 和其它一些現(xiàn)場總線以及第一批工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)跟不上 PC 性能提升的速度。當(dāng)時的控制結(jié)構(gòu)都是分布式的，因此復(fù)雜程度非常高。另一方面，基于 PC 的控制技術(shù)主要采用集中式控制方式，需要相應(yīng)的高性能通信技術(shù)。EtherCAT 彌合了這一差距，并打破了以前的數(shù)據(jù)通信瓶頸， 20 年后的今天，一切依然如故。

有了以太網(wǎng)和隨之而來的百兆數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸速率的十倍提升也讓控制技術(shù)獲益匪淺。當(dāng)時，基于 RS485 和 CAN 的網(wǎng)絡(luò)雖然總體不錯，但它們在帶寬和性能方面有限。

——Hans Beckhoff

在以工業(yè)應(yīng)用需求研發(fā)這項技術(shù)時，哪些以太網(wǎng)方面尤為重要?

Hans：

標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議設(shè)計用于傳輸大數(shù)據(jù)量和長數(shù)據(jù)報文，并非機器中常見的小數(shù)據(jù)量信息 — 如 1 位限位開關(guān)值或 16 位模擬量值。因此，我們的任務(wù)是將百兆數(shù)據(jù)傳輸速率和自動化領(lǐng)域中的 1...16 位數(shù)據(jù)量的傳輸應(yīng)用“合二為一”，只有通過 EtherCAT 才能實現(xiàn)這一點。我們不僅完全重塑了所需的技術(shù)原理，而且還將其整合到 EtherCAT 協(xié)議和 EtherCAT 硬件中。

Martin：

我們沿用了 Lightbus 的報文處理基本原理“processing on the fly”，。我們還合理使用了自動化技術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)流行的新以太網(wǎng)技術(shù)，。

成功的主要因素是 EtherCAT 協(xié)議效率較高，即帶寬利用率高達 90% 以上。同樣重要的是，協(xié)議的復(fù)雜性完全映射到硬件中，顯著簡化了設(shè)備制造商的 EtherCAT 實施過程。

——Martin Rostan

總結(jié)來說，EtherCAT 具有哪些基本優(yōu)勢?

Hans：

首先，傳統(tǒng)的基于 RS485 和 CAN 的現(xiàn)場總線是合并總線，其特點是多個設(shè)備使用同一個鏈接，在網(wǎng)絡(luò)診斷和故障排除方面要復(fù)雜得多。而 EtherCAT 采用以太網(wǎng)，這樣就可以正確診斷每條傳輸路徑，這是一個相當(dāng)重要的功能優(yōu)勢。我們也早就決定，我們可以使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)報文，因此，主站設(shè)備無需專用通信卡，這仍然是 EtherCAT 的一個主要優(yōu)勢。不過，最關(guān)鍵的優(yōu)勢是我們剛才已經(jīng)說到過的協(xié)議效率，即能夠以“on the fly”的方式將數(shù)據(jù)提取或?qū)崟r添加到 64 至 1500 字節(jié)的以太網(wǎng)報文中。在一個連接有大量自動化設(shè)備，而每個設(shè)備的數(shù)據(jù)量很小的網(wǎng)絡(luò)中，，一個報文甚至可以攜帶同一個網(wǎng)絡(luò)的超過 65,000 個設(shè)備的數(shù)據(jù)。

Martin：

這個運行原理帶來了另一個優(yōu)勢，即，因為網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點可以隨時插入或刪除它們的數(shù)據(jù)。這就避免了其它系統(tǒng)那種需通過接口卡實現(xiàn)的復(fù)雜的位運算。另一方面，EtherCAT 主站不會對控制器產(chǎn)生任何影響，因為邏輯化的過程映像可以被直接處理。因此，EtherCAT 不僅因其更短的通信周期而速度更快，而且在從站和主站端對數(shù)據(jù)交換方面的效率也極高。

Hans：

確實如此。而這一運行原理基于 IT 領(lǐng)域使用的內(nèi)存管理單元功能，為此我們進一步開發(fā)了現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元(FMMU)。，它允許從分布式內(nèi)存中以“on the fly”的方式讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)存，因此，物理設(shè)備中的數(shù)據(jù)和活動報文中的數(shù)據(jù)之間可以進行任何形式的映射。此外，各個任務(wù)和處理器核也可以通過 FMMU 進行映射，并定義相應(yīng)的時間等級，從而滿足先進的、基于任務(wù)的控制技術(shù)需求。EtherCAT 的另一個核心功能是，它為通信系統(tǒng)引入了一個確定性的、自動同步的系統(tǒng)時間。這一點至關(guān)重要，因為現(xiàn)代控制方案幾乎都是基于時間片，需要數(shù)據(jù)和信號的同步采樣點。而以前的現(xiàn)場總線中根本不存在這種分布時鐘的完整理念。

現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元(FMMU)是 EtherCAT 的基本功能之一，它可以將數(shù)據(jù)從分布式內(nèi)存中提取并以“on the fly”的方式寫入。

—— Hans Beckhoff

市場是否認可 EtherCAT 的這些基本優(yōu)勢?

Hans：

確實如此!所有這些優(yōu)勢加在一起，形成了一種本質(zhì)上合乎邏輯、易被快速理解并深受全球工程師喜愛的技術(shù)。這種相當(dāng)感性的一面當(dāng)然也是 EtherCAT 能夠在全球范圍內(nèi)確立市場地位的原因之一。

Johannes：

對于這一點我非常同意，雖然我自己并沒有親身經(jīng)歷 EtherCAT 技術(shù)的早期研發(fā)。EtherCAT 本質(zhì)上是一個高性能，同時又簡單合理的協(xié)議。在沒有了解其它通信系統(tǒng)時，我就在問自己：EtherCAT 顯然是最佳解決方案，我們還能如何使用工業(yè)以太網(wǎng)?

Martin：

是的，當(dāng)時我們還創(chuàng)造了“”這樣一句話!這句話很好地概括了這一點：相比之下，EtherCAT 以前是，現(xiàn)在也是一項更令人信服的技術(shù)，因此很容易從技術(shù)角度證明其使用的合理性。

2003 年漢諾威工業(yè)博覽會上 EtherCAT 的亮相對當(dāng)時倍福的來說有什么重要意義?市場反響如何?

Hans：

這對于研發(fā)團隊來說絕對是一件具有特殊意義的事件，我們的核心團隊由六名專家組成，每個人都為此感到自豪。我們在展臺上設(shè)置了一面 4 米長的巨型展板，以便讓 EtherCAT 技術(shù)原理的展示效果最大化，我們甚至使用示波器展示其實時性能。從展出開始一直到結(jié)束，一切都非常順利且圓滿結(jié)束，而客戶也如我們所期望的那樣熱情高漲。很顯然，來自其他現(xiàn)場總線組織和控制組件供應(yīng)商的到訪者也被 EtherCAT 深深震撼到了，至少這是我從當(dāng)時那些震驚的沉默和蒼白的臉中感受到的!

Martin：

沒錯，我還記得我們的一個競爭對手連招呼都沒打就張大著嘴，面無血色地離開了我們的展臺。這就是我們要達到的效果。每一個了解了 EtherCAT 技術(shù)的人都立刻表現(xiàn)出極大的熱情，并都認可 EtherCAT 是使用工業(yè)以太網(wǎng)的最佳方式。

EtherCAT 獲得成功的一個主要因素是在 2003年紐倫堡國際工業(yè)自動化展會上發(fā)布了開放 EtherCAT 協(xié)議并宣布成立 EtherCAT 技術(shù)協(xié)會(ETG)。倍福為什么會選擇這個時機向市場公布呢?

Hans：

毫無疑問，ETG 的成立與技術(shù)的先進性一樣，為我們的成功做出了重要貢獻。ETG 由 Martin 一手創(chuàng)建，現(xiàn)在是一個獨立組織，將 EtherCAT 技術(shù)推向全球。如果沒有 ETG，EtherCAT 可能仍然只是一項令人興奮的技術(shù)，會擁有一些追隨者，但永遠不會像現(xiàn)在這樣成為，贏得廣泛贊譽。

Martin：

當(dāng)時，市面上約有 20 種不同的通信技術(shù)和行業(yè)專用變體，倍福在所有這些技術(shù)方面都有相應(yīng)的技術(shù)專家。ETG 吸取了這些技術(shù)經(jīng)驗和各個用戶組織的優(yōu)缺點。再次，在開放性方面，ETG 成員非常欣賞 EtherCAT 技術(shù)發(fā)展的管理方式：，但在開發(fā)技術(shù)的新特性時，始終會考慮到所有合作伙伴的需求。開放式現(xiàn)場總線組織的原則在這里得到了很好的驗證。

ETG 目前已成為全球最大的工業(yè)現(xiàn)場總線用戶組織，擁有來自 72 個國家的 7000 多家會員單位，遍布世界各地，其中亞洲會員占 40% 以上。“僅 14%“的會員來自美洲地區(qū)，便已成為美洲最大的現(xiàn)場總線組織。EtherCAT 的可用性也非常重要，因此設(shè)備制造商和最終用戶從一開始就參與其中。

—— Martin Rostan

EtherCAT 雖然推出至今已經(jīng)有 20 年歷史，但它絕不是落后過時的。為什么即使在今天，它仍然是全球第一大工業(yè)通信系統(tǒng)?

Hans：

在過去的 20 年里，這項技術(shù)已經(jīng)充分證明了其完美的設(shè)計，基本協(xié)議始終保持不變，無需進行任何修改。這是我們成功的關(guān)鍵。此外，我們已經(jīng)將 EtherCAT 技術(shù)原理應(yīng)用于其它應(yīng)用層次，如用于控制器間通信的 EtherCAT Automation Protocol(EAP)。我們甚至推出了傳輸速率高達 1 Gbit/s 和 10 Gbit/s 的 EtherCAT G/G10，這意味著 EtherCAT 協(xié)議也支持更高的傳輸速率。

EtherCAT 的獨特賣點之一是，該技術(shù)本身多年來一直保持未變。芯片中包含的基本協(xié)議始終保持不變，并以完全向后兼容的方式進行了擴展，包括 Safety over EtherCAT。

—— Martin Rostan

Martin：

EtherCAT G 網(wǎng)絡(luò)中甚至可以集成和運行百兆 EtherCAT 設(shè)備。這意味著現(xiàn)在的 EtherCAT 設(shè)備可以直接運行在一個 20 年歷史的系統(tǒng)中。這也意味著控制架構(gòu)中的 EtherCAT 技術(shù)不會出現(xiàn)瓶頸，這一事實本身就足以讓很多用戶選擇這一現(xiàn)場總線。絕大多數(shù)應(yīng)用仍然可以使用百兆速率;而 EtherCAT G 具有足夠的潛力，可以輕松滿足未來 20 年的所有高端需求，不會出現(xiàn)技術(shù)斷層。

Johannes：

我必須同意 Martin 的觀點：。EtherCAT G 支持 XPlanar 或視覺等高數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，可在小于 1 毫秒的周期時間內(nèi)傳輸數(shù)千字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果沒有 EtherCAT G，XPlanar 系統(tǒng)的規(guī)模就會受限于20 個平面模塊，因此我們無法開發(fā)真正的大型 XPlanar 系統(tǒng)。千兆速率已經(jīng)可以實現(xiàn)系統(tǒng)配備 100 多個平面模塊。這也適用于在百兆速率下運行極佳的 XTS 磁驅(qū)柔性輸送系統(tǒng)，但如果沒有高效的 EtherCAT 協(xié)議，它根本不可能實現(xiàn)。這是因為系統(tǒng)必須在 250 μs 的極短周期內(nèi)傳輸數(shù)千字節(jié)的數(shù)據(jù)。其它通信系統(tǒng)無法做到這一點，因此需要配備一個復(fù)雜的分布式控制架構(gòu)才能實現(xiàn)類似的系統(tǒng)。

Hans：

而恰恰是我們的中央控制方案讓我們能夠在同一個 CPU 上計算出整個過程的數(shù)學(xué)物理模型。它的工作方式本質(zhì)上與人相似，人的大腦通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)接收來自身體各個部位的所有數(shù)據(jù)。大腦內(nèi)部的子程序是模塊化結(jié)構(gòu)，并可高效地控制身體各個部位的動作。我們的自動化技術(shù)也基于同樣的原理，因此 EtherCAT 對應(yīng)于機器的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，可以讓盡可能多的外設(shè)數(shù)據(jù)快速輸送到中央控制系統(tǒng)中。倍福作為自動化供應(yīng)商之所以能夠取得成功，很大程度上是由于我們追求的正是這種方法：。

無論是現(xiàn)在還是從中期來看，EtherCAT 發(fā)展的重點是什么?

Hans：

作為基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)，EtherCAT 以及 EtherCAT 產(chǎn)品將繼續(xù)緊跟市場硬件層的發(fā)展。即使在今天，倍福已經(jīng)為 RJ45、M8 以及塑料和光纖電纜設(shè)計多款耦合器，未來還將根據(jù)市場中出現(xiàn)的其它物理傳輸類型進行擴展。另一個重要的發(fā)展步驟是推出針對單電纜解決方案的混合型連接器產(chǎn)品。這也是推動我們開發(fā)了將 EtherCAT 通信與供電整合在一根標(biāo)準(zhǔn)的四芯以太網(wǎng)電纜中的 EtherCAT P 的原因。在這個背景下，另一個特別令人興奮的開發(fā)成果是尺寸分別為 B12、B17、B23 和 B40 的 EtherCAT P 混合型連接器系列，這些連接器將被列入 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，用作未來分布式自動化的標(biāo)準(zhǔn)圓形連接器。

我們最初將 EtherCAT 作為一種通信協(xié)議，并使用完整的以太網(wǎng)硬件物理特性。我們還開發(fā)了自動化所需的機電功能，讓系統(tǒng)更具實用性。在這種情況下，EtherCAT P 以及 EtherCAT P 連接器系列都代表了巨大的技術(shù)進步。

——Hans Beckhoff

Martin：

信息安全在自動化領(lǐng)域變得越來越重要。，因為其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及特性已經(jīng)為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)提供了一切內(nèi)在條件。更值得一提的是，EtherCAT 不需要新的協(xié)議版本、硬件修改或特殊措施即可進行所有安全相關(guān)的通信。