为何说 EtherCAT 是工程师的最佳选择？

显示全部楼层 · 2024-1-26 14:32:48

【导读】兼容和开放的 EtherCAT 技术已经过 20 年的实践验证。为何说 EtherCAT 是工程师的最佳选择？

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EtherCAT 技术的 20 年发展历程

EtherCAT 自推出以来已经有 20 多年的历史，时至今日，它的成功一直在持续。的确，由倍福开发并在 2003 年汉诺威工业博览会上首次亮相的 EtherCAT 通信系统久经实践考验，是一款高性能实时以太网解决方案，在全球范围内获得了广泛应用，并凭借其技术发展的连续性确立了市场地位，进一步成为开放的 IEC 标准。在这篇采访中，Hans Beckhoff 和 Martin Rostan 主要讲述该技术在公司历史上激动人心的时刻，而 Johannes Beckhoff 代表倍福下一代管理层则更关注未来需求。

Hans Beckhoff（中间）和 Martin Rostan（左）回顾 EtherCAT 技术过去 20 年的发展历程并与代表下一代管理层的 Johannes Beckhoff（右）分享了他们多年积累的经验

早在 1989 年，倍福首次推出了 Lightbus 高性能总线系统。那么，后来开发全新的 EtherCAT通信系统时，你们是出于什么考虑？

Hans：倍福一直专注于高性能控制解决方案的研发，并持续突破自动化领域性能极限。这一切都基于 PC 控制技术理念，基于此我们可以开发包括高算力在内的 PC 的所有优势，从而使机器获益。在数据通信方面，我们在 1989 年推出了出色的 Lightbus 解决方案。到了 21 世纪初，PC 标配以太网接口成为当时的主流趋势，第一批集成有以太网接口的处理器也开始进入市场。EtherCAT 的研发让我们能够在设备上使用这种新的 IT 数据传输介质，这与我们将 IT 技术与自动化技术融合于一体的理念是一致的。我们在 Lightbus 以及诸如 CANopen 和 PROFIBUS 等其它所有现场总线方面都拥有丰富的应用经验，并将这些经验都整合到我们的研发理念中。这一切都有助于 EtherCAT 在后来取得巨大成功。

Martin：我们研发 EtherCAT 的初衷是：Lightbus 和其它一些现场总线以及第一批工业以太网技术已经跟不上 PC 性能提升的速度。当时的控制结构都是分布式的，因此复杂程度非常高。另一方面，基于 PC 的控制技术主要采用集中式控制方式，需要相应的高性能通信技术。EtherCAT 弥合了这一差距，并打破了以前的数据通信瓶颈， 20 年后的今天，一切依然如故。

有了以太网和随之而来的百兆数据传输速率，传输速率的十倍提升也让控制技术获益匪浅。当时，基于 RS485 和 CAN 的网络虽然总体不错，但它们在带宽和性能方面有限。

—— Hans Beckhoff

在以工业应用需求研发这项技术时，哪些以太网方面尤为重要？

Hans：标准以太网协议设计用于传输大数据量和长数据报文，并非机器中常见的小数据量信息 — 如 1 位限位开关值或 16 位模拟量值。因此，我们的任务是将百兆数据传输速率和自动化领域中的 1...16 位数据量的传输应用“合二为一”，只有通过 EtherCAT 才能实现这一点。我们不仅完全重塑了所需的技术原理，而且还将其整合到 EtherCAT 协议和 EtherCAT 硬件中。

Martin：我们沿用了 Lightbus 的报文处理基本原理“processing on the fly”，并将数据通信提升到一个全新的高度。我们还合理使用了自动化技术领域中已经流行的新以太网技术，从容地避开了以太网用于实时通信的主要瓶颈。

成功的主要因素是 EtherCAT 协议效率较高，即带宽利用率高达 90% 以上。同样重要的是，协议的复杂性完全映射到硬件中，显著简化了设备制造商的 EtherCAT 实施过程。

—— Martin Rostan

总结来说，EtherCAT 具有哪些基本优势？

Hans：首先，传统的基于 RS485 和 CAN 的现场总线是合并总线，其特点是多个设备使用同一个链接，在网络诊断和故障排除方面要复杂得多。而 EtherCAT 采用以太网点对点链接，这样就可以正确诊断每条传输路径，这是一个相当重要的功能优势。我们也早就决定，我们可以使用标准的以太网报文，因此，主站设备无需专用通信卡，这仍然是 EtherCAT 的一个主要优势。不过，最关键的优势是我们刚才已经说到过的协议效率，即能够以“on the fly”的方式将数据提取或实时添加到 64 至 1500 字节的以太网报文中。在一个连接有大量自动化设备，而每个设备的数据量很小的网络中，这是确保能够持续高效使用高带宽的唯一方法，一个报文甚至可以携带同一个网络的超过 65,000 个设备的数据。

Martin：这个运行原理带来了另一个优势，即控制器已经可以在数据报文中完美地编译过程映像，因为网络中的任意节点可以随时插入或删除它们的数据。这就避免了其它系统那种需通过接口卡实现的复杂的位运算。另一方面，EtherCAT 主站不会对控制器产生任何影响，因为逻辑化的过程映像可以被直接处理。因此，EtherCAT 不仅因其更短的通信周期而速度更快，而且在从站和主站端对数据交换方面的效率也极高。

Hans：确实如此。而这一运行原理基于 IT 领域使用的内存管理单元功能，为此我们进一步开发了现场总线内存管理单元（FMMU）。FMMU 是 EtherCAT 的基本功能之一，它允许从分布式内存中以“on the fly”的方式读取数据并将数据写入到内存，因此，物理设备中的数据和活动报文中的数据之间可以进行任何形式的映射。此外，各个任务和处理器核也可以通过 FMMU 进行映射，并定义相应的时间等级，从而满足先进的、基于任务的控制技术需求。EtherCAT 的另一个核心功能是分布时钟，它为通信系统引入了一个确定性的、自动同步的系统时间。这一点至关重要，因为现代控制方案几乎都是基于时间片，需要数据和信号的同步采样点。而以前的现场总线中根本不存在这种分布时钟的完整理念。

倍福全球总裁兼所有者 Hans Beckhoff

现场总线内存管理单元（FMMU）是 EtherCAT 的基本功能之一，它可以将数据从分布式内存中提取并以“on the fly”的方式写入。

—— Hans Beckhoff

市场是否认可 EtherCAT 的这些基本优势？

Hans：确实如此！所有这些优势加在一起，形成了一种本质上合乎逻辑、易被快速理解并深受全球工程师喜爱的技术。这种相当感性的一面当然也是 EtherCAT 能够在全球范围内确立市场地位的原因之一。

Johannes：对于这一点我非常同意，虽然我自己并没有亲身经历 EtherCAT 技术的早期研发。EtherCAT 本质上是一个高性能，同时又简单合理的协议。在没有了解其它通信系统时，我就在问自己：EtherCAT 显然是最佳解决方案，我们还能如何使用工业以太网？

Martin：是的，当时我们还创造了“EtherCAT 是工程师的最佳选择”这样一句话！这句话很好地概括了这一点：相比之下，EtherCAT 以前是，现在也是一项更令人信服的技术，因此很容易从技术角度证明其使用的合理性。

Johannes Beckhoff 是 Hans 的儿子，于 2019 年加入 Beckhoff Automation。他在大学主攻的也是物理专业（硕士），目前从事基础研发工作，已经在帮助塑造基于 PC 的控制技术的未来。

2003 年汉诺威工业博览会上 EtherCAT 的亮相对当时倍福的来说有什么重要意义？市场反响如何？

Hans：这对于研发团队来说绝对是一件具有特殊意义的事件，我们的核心团队由六名专家组成，每个人都为此感到自豪。我们在展台上设置了一面 4 米长的巨型展板，以便让 EtherCAT 技术原理的展示效果最大化，我们甚至使用示波器展示其实时性能。从展出开始一直到结束，一切都非常顺利且圆满结束，而客户也如我们所期望的那样热情高涨。很显然，来自其他现场总线组织和控制组件供应商的到访者也被 EtherCAT 深深震撼到了，至少这是我从当时那些震惊的沉默和苍白的脸中感受到的！

Martin：没错，我还记得我们的一个竞争对手连招呼都没打就张大着嘴，面无血色地离开了我们的展台。这就是我们要达到的效果。每一个了解了 EtherCAT 技术的人都立刻表现出极大的热情，并都认可 EtherCAT 是使用工业以太网的最佳方式。

2023 年汉诺威工业博览会现场的 EtherCAT 展板区

EtherCAT 获得成功的一个主要因素是在 2003年纽伦堡国际工业自动化展会上发布了开放 EtherCAT 协议并宣布成立 EtherCAT 技术协会（ETG）。倍福为什么会选择这个时机向市场公布呢？

Hans：毫无疑问，ETG 的成立与技术的先进性一样，为我们的成功做出了重要贡献。ETG 由 Martin 一手创建，现在是一个独立组织，将 EtherCAT 技术推向全球。如果没有 ETG，EtherCAT 可能仍然只是一项令人兴奋的技术，会拥有一些追随者，但永远不会像现在这样成为全球公认标准，赢得广泛赞誉。

Martin：倍福一直主张技术开放，并支持所有相关的开放式现场总线技术。当时，市面上约有 20 种不同的通信技术和行业专用变体，倍福在所有这些技术方面都有相应的技术专家。ETG 吸取了这些技术经验和各个用户组织的优缺点。再次，在开放性方面，ETG 成员非常欣赏 EtherCAT 技术发展的管理方式：倍福是技术创新的推动者，但在开发技术的新特性时，始终会考虑到所有合作伙伴的需求。开放式现场总线组织的原则在这里得到了很好的验证。

ETG 目前已成为全球最大的工业现场总线用户组织，拥有来自 72 个国家的 7000 多家会员单位，遍布世界各地，其中亚洲会员占 40% 以上。“仅 14%“的会员来自美洲地区，便已成为美洲最大的现场总线组织。EtherCAT 的可用性也非常重要，因此设备制造商和最终用户从一开始就参与其中。

—— Martin Rostan

EtherCAT 虽然推出至今已经有 20 年历史，但它绝不是落后过时的。为什么即使在今天，它仍然是全球第一大工业通信系统？

Hans：在过去的 20 年里，这项技术已经充分证明了其完美的设计，基本协议始终保持不变，无需进行任何修改。这是我们成功的关键。此外，我们已经将 EtherCAT 技术原理应用于其它应用层次，如用于控制器间通信的 EtherCAT Automation Protocol（EAP）。我们甚至推出了传输速率高达 1 Gbit/s 和 10 Gbit/s 的 EtherCAT G/G10，这意味着 EtherCAT 协议也支持更高的传输速率。

Martin Rostan，ETG 执行董事兼倍福技术市场高级副总裁

EtherCAT 的独特卖点之一是，该技术本身多年来一直保持未变。芯片中包含的基本协议始终保持不变，并以完全向后兼容的方式进行了扩展，包括 Safety over EtherCAT。

—— Martin Rostan

Martin：EtherCAT G 网络中甚至可以集成和运行百兆 EtherCAT 设备。这意味着现在的 EtherCAT 设备可以直接运行在一个 20 年历史的系统中。这也意味着控制架构中的 EtherCAT 技术不会出现瓶颈，这一事实本身就足以让很多用户选择这一现场总线。绝大多数应用仍然可以使用百兆速率；而 EtherCAT G 具有足够的潜力，可以轻松满足未来 20 年的所有高端需求，不会出现技术断层。

ETG 技术委员会已接受 EtherCAT G 作为 EtherCAT 标准的补充

Johannes：我必须同意 Martin 的观点：百兆速率足以满足大多数设备的要求，甚至是小于 1 ms 的周期时间。EtherCAT G 支持 XPlanar 或视觉等高数据密集型应用，可在小于 1 毫秒的周期时间内传输数千字节的数据。如果没有 EtherCAT G，XPlanar 系统的规模就会受限于20 个平面模块，因此我们无法开发真正的大型 XPlanar 系统。千兆速率已经可以实现系统配备 100 多个平面模块。这也适用于在百兆速率下运行极佳的 XTS 磁驱柔性输送系统，但如果没有高效的 EtherCAT 协议，它根本不可能实现。这是因为系统必须在 250 μs 的极短周期内传输数千字节的数据。其它通信系统无法做到这一点，因此需要配备一个复杂的分布式控制架构才能实现类似的系统。

Hans：而恰恰是我们的中央控制方案让我们能够在同一个 CPU 上计算出整个过程的数学物理模型。它的工作方式本质上与人相似，人的大脑通过中枢神经系统接收来自身体各个部位的所有数据。大脑内部的子程序是模块化结构，并可高效地控制身体各个部位的动作。我们的自动化技术也基于同样的原理，因此 EtherCAT 对应于机器的中枢神经系统，可以让尽可能多的外设数据快速输送到中央控制系统中。倍福作为自动化供应商之所以能够取得成功，很大程度上是由于我们追求的正是这种方法：PC 技术、EtherCAT 和集中控制理念的“技术三部曲”。

无论是现在还是从中期来看，EtherCAT 发展的重点是什么？

Hans：作为基于以太网的系统，EtherCAT 以及 EtherCAT 产品将继续紧跟市场硬件层的发展。即使在今天，倍福已经为 RJ45、M8 以及塑料和光纤电缆设计多款耦合器，未来还将根据市场中出现的其它物理传输类型进行扩展。另一个重要的发展步骤是推出针对单电缆解决方案的混合型连接器产品。这也是推动我们开发了将 EtherCAT 通信与供电整合在一根标准的四芯以太网电缆中的 EtherCAT P 的原因。在这个背景下，另一个特别令人兴奋的开发成果是尺寸分别为 B12、B17、B23 和 B40 的 EtherCAT P 混合型连接器系列，这些连接器将被列入 IEC 标准，用作未来分布式自动化的标准圆形连接器。

我们最初将 EtherCAT 作为一种通信协议，并使用完整的以太网硬件物理特性。我们还开发了自动化所需的机电功能，让系统更具实用性。在这种情况下，EtherCAT P 以及 EtherCAT P 连接器系列都代表了巨大的技术进步。

—— Hans Beckhoff

Martin：信息安全在自动化领域变得越来越重要。EtherCAT 在安全方面具有很多优势，因为其系统结构以及特性已经为应对这些挑战提供了一切内在条件。更值得一提的是，EtherCAT 不需要新的协议版本、硬件修改或特殊措施即可进行所有安全相关的通信。

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