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人物專(zhuān)訪(fǎng) | EtherCAT 技術(shù)的 20 年發(fā)展歷程
(時(shí)間:2023/9/20 8:33:58)

  由倍福開(kāi)發(fā)并發(fā)布的 EtherCAT 通信系統久經(jīng)實(shí)踐考驗,自推出以來(lái)有 20 年的歷時(shí)。時(shí)至今日,它的成功一直在持續,是一款高性能實(shí)時(shí)以太網(wǎng)解決方案,在全球范圍內獲得了廣泛應用,并憑借其技術(shù)發(fā)展的連續性確立了市場(chǎng)地位,進(jìn)一步成為開(kāi)放的 IEC 標準。
  在這篇采訪(fǎng)中,Hans Beckhoff 和 Martin Rostan 主要講述該技術(shù)在公司歷史上激動(dòng)人心的時(shí)刻,而 Johannes Beckhoff 代表倍福下一代管理層則更關(guān)注未來(lái)需求。

 
  Hans Beckhoff(中間)和 Martin Rostan(左)回顧 EtherCAT 技術(shù)過(guò)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(xiàn)系統。那么,后來(lái)開(kāi)發(fā)全新的 EtherCAT通信系統時(shí),你們是出于什么考慮?
  Hans:倍福一直專(zhuān)注于高性能控制解決方案的研發(fā),并持續突破自動(dòng)化領(lǐng)域性能極限。這一切都基于 PC 控制技術(shù)理念,基于此我們可以開(kāi)發(fā)包括高算力在內的 PC 的所有優(yōu)勢,從而使機器獲益。在數據通信方面,我們在 1989 年推出了出色的 Lightbus 解決方案。到了 21 世紀初,PC 標配以太網(wǎng)接口成為當時(shí)的主流趨勢,第一批集成有以太網(wǎng)接口的處理器也開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。EtherCAT 的研發(fā)讓我們能夠在設備上使用這種新的 IT 數據傳輸介質(zhì),這與我們將 IT 技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)融合于一體的理念是一致的。我們在 Lightbus 以及諸如 CANopen 和 PROFIBUS 等其它所有現場(chǎng)總線(xiàn)方面都擁有豐富的應用經(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(lái)取得巨大成功。
  Martin:我們研發(fā) EtherCAT 的初衷是:Lightbus 和其它一些現場(chǎng)總線(xiàn)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。當時(shí)的控制結構都是分布式的,因此復雜程度非常高。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,并打破了以前的數據通信瓶頸, 20 年后的今天,一切依然如故。
  有了以太網(wǎng)和隨之而來(lái)的百兆數據傳輸速率,傳輸速率的十倍提升也讓控制技術(shù)獲益匪淺。當時(shí),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)應用需求研發(fā)這項技術(shù)時(shí),哪些以太網(wǎng)方面尤為重要?
  Hans:標準以太網(wǎng)協(xié)議設計用于傳輸大數據量和長(cháng)數據報文,并非機器中常見(jiàn)的小數據量信息 — 如 1 位限位開(kāi)關(guān)值或 16 位模擬量值。因此,我們的任務(wù)是將百兆數據傳輸速率和自動(dòng)化領(lǐng)域中的 1...16 位數據量的傳輸應用“合二為一”,只有通過(guò) EtherCAT 才能實(shí)現這一點(diǎn)。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”,并將數據通信提升到一個(gè)全新的高度。我們還合理使用了自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)流行的新以太網(wǎng)技術(shù),從容地避開(kāi)了以太網(wǎng)用于實(shí)時(shí)通信的主要瓶頸。
  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)議的復雜性完全映射到硬件中,顯著(zhù)簡(jiǎn)化了設備制造商的 EtherCAT 實(shí)施過(guò)程。

 —— Martin Rostan

  總結來(lái)說(shuō),EtherCAT 具有哪些基本優(yōu)勢?
  Hans:首先,傳統的基于 RS485 和 CAN 的現場(chǎng)總線(xiàn)是合并總線(xiàn),其特點(diǎn)是多個(gè)設備使用同一個(gè)鏈接,在網(wǎng)絡(luò )診斷和故障排除方面要復雜得多。而 EtherCAT 采用以太網(wǎng)點(diǎn)對點(diǎn)鏈接,這樣就可以正確診斷每條傳輸路徑,這是一個(gè)相當重要的功能優(yōu)勢。我們也早就決定,我們可以使用標準的以太網(wǎng)報文,因此,主站設備無(wú)需專(zhuān)用通信卡,這仍然是 EtherCAT 的一個(gè)主要優(yōu)勢。不過(guò),最關(guān)鍵的優(yōu)勢是我們剛才已經(jīng)說(shuō)到過(guò)的協(xié)議效率,即能夠以“on the fly”的方式將數據提取或實(shí)時(shí)添加到 64 至 1500 字節的以太網(wǎng)報文中。在一個(gè)連接有大量自動(dòng)化設備,而每個(gè)設備的數據量很小的網(wǎng)絡(luò )中,這是確保能夠持續高效使用高帶寬的的唯一方法,一個(gè)報文甚至可以攜帶同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的超過(guò) 65,000 個(gè)設備的數據。
  Martin:這個(gè)運行原理帶來(lái)了另一個(gè)優(yōu)勢,即控制器已經(jīng)可以在數據報文中完美地編譯過(guò)程映像,因為網(wǎng)絡(luò )中的任意節點(diǎn)可以隨時(shí)插入或刪除它們的數據。這就避免了其它系統那種需通過(guò)接口卡實(shí)現的復雜的位運算。另一方面,EtherCAT 主站不會(huì )對控制器產(chǎn)生任何影響,因為邏輯化的過(guò)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據交換方面的效率也極高。
  Hans:確實(shí)如此。而這一運行原理基于 IT 領(lǐng)域使用的內存管理單元功能,為此我們進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了現場(chǎng)總線(xiàn)內存管理單元(FMMU)。FMMU 是 EtherCAT 的基本功能之一,它允許從分布式內存中以“on the fly”的方式讀取數據并將數據寫(xiě)入到內存,因此,物理設備中的數據和活動(dòng)報文中的數據之間可以進(jìn)行任何形式的映射。此外,各個(gè)任務(wù)和處理器核也可以通過(guò) FMMU 進(jìn)行映射,并定義相應的時(shí)間等級,從而滿(mǎn)足先進(jìn)的、基于任務(wù)的控制技術(shù)需求。EtherCAT 的另一個(gè)核心功能是分布時(shí)鐘,它為通信系統引入了一個(gè)確定性的、自動(dòng)同步的系統時(shí)間。這一點(diǎn)至關(guān)重要,因為現代控制方案幾乎都是基于時(shí)間片,需要數據和信號的同步采樣點(diǎn)。而以前的現場(chǎng)總線(xiàn)中根本不存在這種分布時(shí)鐘的完整理念。

  現場(chǎng)總線(xiàn)內存管理單元(FMMU)是 EtherCAT 的基本功能之一,它可以將數據從分布式內存中提取并以“on the fly”的方式寫(xiě)入。

——  Hans Beckhoff

  市場(chǎng)是否認可 EtherCAT 的這些基本優(yōu)勢?
  Hans:確實(shí)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(ài)的技術(shù)。這種相當感性的一面當然也是 EtherCAT 能夠在全球范圍內確立市場(chǎng)地位的原因之一。
  Johannes:對于這一點(diǎn)我非常同意,雖然我自己并沒(méi)有親身經(jīng)歷 EtherCAT 技術(shù)的早期研發(fā)。EtherCAT 本質(zhì)上是一個(gè)高性能,同時(shí)又簡(jiǎn)單合理的協(xié)議。在沒(méi)有了解其它通信系統時(shí),我就在問(wèn)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,當時(shí)我們還創(chuàng )造了“EtherCAT 是工程師的最佳選擇”這樣一句話(huà)!這句話(huà)很好地概括了這一點(diǎn):相比之下,EtherCAT 以前是,現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。

 
  Johannes Beckhoff 是 Hans 的兒子,于 2019 年加入 Beckhoff Automation。他在大學(xué)主攻的也是物理專(zhuān)業(yè)(碩士),目前從事基礎研發(fā)工作,已經(jīng)在幫助塑造基于 PC 的控制技術(shù)的未來(lái)。

  2003 年漢諾威工業(yè)博覽會(huì )上 EtherCAT 的亮相對當時(shí)倍福的來(lái)說(shuō)有什么重要意義?市場(chǎng)反響如何?
  Hans:這對于研發(fā)團隊來(lái)說(shuō)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(zhuān)家組成,每個(gè)人都為此感到自豪。我們在展臺上設置了一面 4 米長(cháng)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(shí)時(shí)性能。從展出開(kāi)始一直到結束,一切都非常順利且圓滿(mǎn)結束,而客戶(hù)也如我們所期望的那樣熱情高漲。很顯然,來(lái)自其他現場(chǎng)總線(xiàn)組織和控制組件供應商的到訪(fǎng)者也被 EtherCAT 深深震撼到了,至少這是我從當時(shí)那些震驚的沉默和蒼白的臉中感受到的!
  Martin:Martin:沒(méi)錯,我還記得我們的一個(gè)競爭對手連招呼都沒(méi)打就張大著(zhù)嘴,面無(wú)血色地離開(kāi)了我們的展臺。這就是我們要達到的效果。每一個(gè)了解了 EtherCAT 技術(shù)的人都立刻表現出極大的熱情,并都認可 EtherCAT 是使用工業(yè)以太網(wǎng)的最佳方式。

 
  2023 年漢諾威工業(yè)博覽會(huì )現場(chǎng)的 EtherCAT 展板區

  EtherCAT 獲得成功的一個(gè)主要因素是在 2003年紐倫堡國際工業(yè)自動(dòng)化展會(huì )上發(fā)布了開(kāi)放 EtherCAT 協(xié)議并宣布成立 EtherCAT 技術(shù)協(xié)會(huì )(ETG)。倍福為什么會(huì )選擇這個(gè)時(shí)機向市場(chǎng)公布呢?
  Hans:毫無(wú)疑問(wèn),ETG 的成立與技術(shù)的先進(jìn)性一樣,為我們的成功做出了重要貢獻。ETG 由 Martin 一手創(chuàng )建,現在是一個(gè)獨立組織,將 EtherCAT 技術(shù)推向全球。如果沒(méi)有 ETG,EtherCAT 可能仍然只是一項令人興奮的技術(shù),會(huì )擁有一些追隨者,但永遠不會(huì )像現在這樣成為全球公認標準,贏(yíng)得廣泛贊譽(yù)。
  Martin:倍福一直主張技術(shù)開(kāi)放,并支持所有相關(guān)的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。當時(shí),市面上約有 20 種不同的通信技術(shù)和行業(yè)專(zhuān)用變體,倍福在所有這些技術(shù)方面都有相應的技術(shù)專(zhuān)家。ETG 吸取了這些技術(shù)經(jīng)驗和各個(gè)用戶(hù)組織的優(yōu)缺點(diǎn)。再次,在開(kāi)放性方面,ETG 成員非常欣賞 EtherCAT 技術(shù)發(fā)展的管理方式:倍福是技術(shù)創(chuàng )新的推動(dòng)者,但在開(kāi)發(fā)技術(shù)的新特性時(shí),始終會(huì )考慮到所有合作伙伴的需求。開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)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)現場(chǎng)總線(xiàn)用戶(hù)組織,擁有來(lái)自 72 個(gè)國家的 7000 多家會(huì )員單位,遍布世界各地,其中亞洲會(huì )員占 40% 以上!皟H 14%“的會(huì )員來(lái)自美洲地區,便已成為美洲最大的現場(chǎng)總線(xiàn)組織。EtherCAT 的可用性也非常重要,因此設備制造商和最終用戶(hù)從一開(kāi)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(guò)時(shí)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?
  Hans:在過(guò)去的 20 年里,這項技術(shù)已經(jīng)充分證明了其完美的設計,基本協(xié)議始終保持不變,無(wú)需進(jìn)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)原理應用于其它應用層次,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(zhù) EtherCAT 協(xié)議也支持更高的傳輸速率。
  EtherCAT 的獨特賣(mài)點(diǎn)之一是,該技術(shù)本身多年來(lái)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(jìn)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 設備。這意味著(zhù)現在的 EtherCAT 設備可以直接運行在一個(gè) 20 年歷史的系統中。這也意味著(zhù)控制架構中的 EtherCAT 技術(shù)不會(huì )出現瓶頸,這一事實(shí)本身就足以讓很多用戶(hù)選擇這一現場(chǎng)總線(xiàn)。絕大多數應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(mǎn)足未來(lái) 20 年的所有高端需求,不會(huì )出現技術(shù)斷層。

 
  ETG 技術(shù)委員會(huì )已接受 EtherCAT G 作為 EtherCAT 標準的補充

  Johannes:我必須同意 Martin 的觀(guān)點(diǎn):百兆速率足以滿(mǎn)足大多數設備的要求,甚至是小于 1 ms 的周期時(shí)間。EtherCAT G 支持 XPlanar 或視覺(jué)等高數據密集型應用,可在小于 1 毫秒的周期時(shí)間內傳輸數千字節的數據。如果沒(méi)有 EtherCAT G,XPlanar 系統的規模就會(huì )受限于20 個(gè)平面模塊,因此我們無(wú)法開(kāi)發(fā)真正的大型 XPlanar 系統。千兆速率已經(jīng)可以實(shí)現系統配備 100 多個(gè)平面模塊。這也適用于在百兆速率下運行極佳的 XTS 磁驅柔性輸送系統,但如果沒(méi)有高效的 EtherCAT 協(xié)議,它根本不可能實(shí)現。這是因為系統必須在 250 μs 的極短周期內傳輸數千字節的數據。其它通信系統無(wú)法做到這一點(diǎn),因此需要配備一個(gè)復雜的分布式控制架構才能實(shí)現類(lèi)似的系統。
  Hans:而恰恰是我們的中央控制方案讓我們能夠在同一個(gè) CPU 上計算出整個(gè)過(guò)程的數學(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(guò)中樞神經(jīng)系統接收來(lái)自身體各個(gè)部位的所有數據。大腦內部的子程序是模塊化結構,并可高效地控制身體各個(gè)部位的動(dòng)作。我們的自動(dòng)化技術(shù)也基于同樣的原理,因此 EtherCAT 對應于機器的中樞神經(jīng)系統,可以讓盡可能多的外設數據快速輸送到中央控制系統中。倍福作為自動(dòng)化供應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:PC 技術(shù)、EtherCAT 和集中控制理念的“技術(shù)三部曲”。
  無(wú)論是現在還是從中期來(lái)看,EtherCAT 發(fā)展的重點(diǎn)是什么?
  Hans:作為基于以太網(wǎng)的系統,EtherCAT 以及 EtherCAT 產(chǎn)品將繼續緊跟市場(chǎng)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計多款耦合器,未來(lái)還將根據市場(chǎng)中出現的其它物理傳輸類(lèi)型進(jìn)行擴展。另一個(gè)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(dòng)我們開(kāi)發(fā)了將 EtherCAT 通信與供電整合在一根標準的四芯以太網(wǎng)電纜中的 EtherCAT P 的原因。在這個(gè)背景下,另一個(gè)特別令人興奮的開(kāi)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 標準,用作未來(lái)分布式自動(dòng)化的標準圓形連接器。
  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(kāi)發(fā)了自動(dòng)化所需的機電功能,讓系統更具實(shí)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(jìn)步。

—— Hans Beckhoff

  Martin:信息安全在自動(dòng)化領(lǐng)域變得越來(lái)越重要。EtherCAT 在安全方面具有很多優(yōu)勢,因為其系統結構以及特性已經(jīng)為應對這些挑戰提供了一切內在條件。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(jìn)行所有安全相關(guān)的通信。

  


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