如何看待 EtherCAT 技术向 G 时代的演进

继去年纽伦堡 SPS 展上 Beckhoff 推出千兆工业以太网技术 EtherCAT G 后，今年 9 月，ETG（EtherCAT 技术协会）的技术委员会将其作为 EtherCAT 标准的一项重要补充，正式接受了这项技术。



这意味着，这项能够将 EtherCAT 扩展到千兆和万兆级别的 EtherCAT G 技术，未来将会由 ETG 进行支持和推广。

那么，我们应该如何看待 EtherCAT 技术向 G 时代的演进呢？

本期，结合一些公开的信息，和大伙简单聊聊 EtherCAT G 这项技术。



我们知道，EtherCAT 是由 Beckhoff 在 2003 年推出的，此后一直由 ETG 进行支持和推广。它十分独特的运行机制 - the processing-on-the-fly，俗称“数据列车”，使其有着极高的通讯速率，被认为是目前最快的工业以太网总线。因此，EtherCAT 非常适合用于那些系统节点较多，且要求短时间周期响应的自动化应用。



不过，由于现有 EtherCAT 的通讯带宽是百兆级别的，这让它在应对当前制造系统中日趋增多的大批量数据传输与处理任务时，还是表现出了一定的局限性，比如：

在测量测试领域，对采样率要求极高的超采样应用；

系统中设备数量巨大，同时又要求有极短循环时间周期的特大型复杂应用；

需要实时传输和处理视频图像数据流的视觉应用；

复杂的运动控制应用，如：平面传输系统；

…

在这种情况下，我们就需要使用千兆甚至万兆以太网技术 EtherCAT G 或 EtherCAT G10，来扩展 EtherCAT 的应用领域了。



2018 年纽伦堡 SPS 展上，Beckhoff 正式向市场推出 EtherCAT G，并在随后的一段时间向 ETG 提交了这项作为 EtherCAT 的扩展的千兆以太网技术。经过全面审阅，ETG 在今年 9 月 24 日其技术委员会会议上，将 EtherCAT G 作为 EtherCAT 技术的补充与完善，正式接受了该项技术。目前，ETG 正在努力将 EtherCAT G 添加到相应的技术规范中。



从官方发布的资料看，EtherCAT G 和 EtherCAT G10 具备这样一些特点：

仍然是基于 EtherCAT 独特的 processing-on-the-fly 运行机制；

带宽会扩展到 1Gb/s 和 10Gb/s；

与 EtherCAT 完全兼容；

符合以太网标准（IEEE 802.3）；

标准模式下，主站端无需软件适配；

ETG 方面称，EtherCAT G 保持了 EtherCAT 原本独特的功能机理和高速特性，同时能够帮助用户基于现有技术体系，接入新的大批量数据传输与处理任务，并对其进行集成和整合，这将扩展 EtherCAT 技术的应用范围。



值得注意的是，ETG 在其官宣中并未将 EtherCAT G 和 EtherCAT G10 称作是 EtherCAT 的新版本，而是和之前的 Safety over EtherCAT 和 EtherCAT P 一样，将其定义为是 EtherCAT 技术的一项延伸和扩展，并强调 EtherCAT G 与现有百兆级别的 EtherCAT 是完全兼容的。



这不只是说 EtherCAT G 从站设备是可以在百兆 EtherCAT 网络中运行的；反过来，百兆 EtherCAT 设备也可以应用于 EtherCAT G 系统中，只不过此时整个网络将自动切换到 100 Mb/s。

而为了能够在千兆 EtherCAT G 系统中更加有效的融入百兆 EtherCAT 设备和网段，EtherCAT G 是支持分支管理功能的。



一方面，用户可以使用 EtherCAT 分支控制器（ EBC = EtherCAT Branch Controller），将百兆 EtherCAT 与千兆 EtherCAT G 网段分隔开来，对数据传输做并行处理，从而减少和避免百兆级 EtherCAT 设备给千兆 EtherCAT G 系统性能所带来的降速影响；另一方面，借助并行数据处理机制，EBC 还能帮助减少在千兆 EtherCAT G 系统中因设备节点过多而带来的信息传输延迟。



官方资料中的数据显示，以一个 128 轴的大型伺服系统为例，假设每个伺服驱动器包含 8 字节输入 / 8 字节输出，每个周期有 1024 字节的输入/输出数据：

若将它们串联在一个EtherCAT 网段中，其通信时间周期将为 237 μs；

如果网段中所有设备，包括主站和各台伺服驱动器，都采用 EtherCAT G，那么通信时间将降至 150 μs；

但若是使用 EBC 将 128 个伺服轴划分为 16 个网段，即使仅仅是主站采用 EtherCAT G，各从站仍使用 EtherCAT，通信时间也会显著降低至 49 μs；

而如果在此基础上，将所有主站和从站设备都改用 EtherCAT G，通信时间将会进一步缩减至 37 μs。

从中我们不难看出，已经搭载 EtherCAT 技术的设备系统，在不替换现有 EtherCAT 设备的情况下，仅通过引入 EBC 网段控制器对原 EtherCAT 网段进行分隔，并将主站换成 EtherCAT G 设备，便能够让通信时间大幅缩短至原来的 1/5。这就是说，除了能够帮助集成数据处理应用，EtherCAT G 还为提升系统通信速率提供了一种新的解决方案；不仅如此，用户在通过 EtherCAT G 实现应用拓展的同时，还能够兼顾到对现有设备资产的保护。

目前 Beckhoff 已经推出了相应的网段控制器产品。



而有关当下热门的 TSN 技术，ETG 对于其在构建异构网络...等方面的优势是积极认可的；但考虑到 TSN 的标准仍未正式发布，因此认为它目前还存在一定的不确定性（后续再谈）。



与此同时，EtherCAT 会适宜的使用 TSN 技术，例如：推出 EtherCAT - TSN 设备行规（Profile），帮助用户将 EtherCAT 设备和网段融入到 TSN 异构网络中。

但 TSN 不会改变 Ether CAT，没有新的有关 TSN 集成的版本。



总的来说，EtherCAT G 的出现，继续印证了我们之前所谈到的，工业通讯总线向千兆级别演进的趋势，其目的是为了满足工业领域越来越多的数据应用需求。只不过它采取了一种比较独特的解决问题之道，即：基于现有成熟技术进行延伸和扩展，并完全向下兼容，让用户能够以当前系统为基础进行功能拓展，无需担心原来的 EtherCAT 会被替换，更不必为了 EtherCAT G 而等待。

因为，EtherCAT 与 EtherCAT G 的应用领域是不同的，二者之间是并存而非替代的关系。

以上内容纯属作者本人观点，如有雷同，纯属巧合。

相关信息及图片参考自：

beckhoff.com

ethercat.org
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