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？
  Hans：倍福一直專注于高性能控制解決方案的研發(fā)，并持續(xù)突破自動化領(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(jì)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)，這與我們將 IT 技術(shù)與自動化技術(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(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”，并將數(shù)據(jù)通信提升到一個全新的高度。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)，從容地避開了以太網(wǎng)用于實時通信的主要瓶頸。
  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(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)點對點鏈接，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，這是確保能夠持續(xù)高效使用高帶寬的唯一方法，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，即控制器已經(jīng)可以在數(shù)據(jù)報文中完美地編譯過程映像，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）。FMMU 是 EtherCAT 的基本功能之一，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分布時鐘，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。

 
  倍福全球總裁兼所有者 Hans Beckhoff

 
  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“EtherCAT 是工程師的最佳選擇”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。

 
  Johannes Beckhoff 是 Hans 的兒子，于 2019 年加入 Beckhoff Automation。他在大學(xué)主攻的也是物理專業(yè)（碩士），目前從事基礎(chǔ)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。

 
  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。

 
  2023 年漢諾威工業(yè)博覽會現(xiàn)場的 EtherCAT 展板區(qū)

 
  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)在這樣成為全球公認標(biāo)準(zhǔn)，贏得廣泛贊譽。
  Martin：倍福一直主張技術(shù)開放，并支持所有相關(guān)的開放式現(xiàn)場總線技術(shù)。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：倍福是技術(shù)創(chuàng)新的推動者，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。

 
  Martin Rostan，ETG 執(zhí)行董事兼倍福技術(shù)市場高級副總裁

 
  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。

 
  ETG 技術(shù)委員會已接受 EtherCAT G 作為 EtherCAT 標(biāo)準(zhǔn)的補充

 
  Johannes：我必須同意 Martin 的觀點：百兆速率足以滿足大多數(shù)設(shè)備的要求，甚至是小于 1 ms 的周期時間。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：PC 技術(shù)、EtherCAT 和集中控制理念的“技術(shù)三部曲”。
  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。EtherCAT 在安全方面具有很多優(yōu)勢，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。