EtherCAT 技術的 20 年發展歷程

 
  EtherCAT 自推出以來已經有 20 多年的歷史，時至今日，它的成功一直在持續。的確，由倍福開發并在 2003 年漢諾威工業博覽會上首次亮相的 EtherCAT 通信系統久經實踐考驗，是一款高性能實時以太網解決方案，在全球范圍內獲得了廣泛應用，并憑借其技術發展的連續性確立了市場地位，進一步成為開放的 IEC 標準。在這篇采訪中，Hans Beckhoff 和 Martin Rostan 主要講述該技術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注未來需求。

 
  Hans Beckhoff（中間）和 Martin Rostan（左）回顧 EtherCAT 技術過去 20 年的發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驗

 
  早在 1989 年，倍福首次推出了 Lightbus 高性能總線系統。那么，后來開發全新的 EtherCAT通信系統時，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，并持續突破自動化領域性能極限。這一切都基于 PC 控制技術理念，基于此我們可以開發包括高算力在內的 PC 的所有優勢，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 標配以太網接口成為當時的主流趨勢，第一批集成有以太網接口的處理器也開始進入市場。EtherCAT 的研發讓我們能夠在設備上使用這種新的 IT 數據傳輸介質，這與我們將 IT 技術與自動化技術融合于一體的理念是一致的。我們在 Lightbus 以及諸如 CANopen 和 PROFIBUS 等其它所有現場總線方面都擁有豐富的應用經驗，并將這些經驗都整合到我們的研發理念中。這一切都有助于 EtherCAT 在后來取得巨大成功。
  Martin：我們研發 EtherCAT 的初衷是：Lightbus 和其它一些現場總線以及第一批工業以太網技術已經跟不上 PC 性能提升的速度。當時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 的控制技術主要采用集中式控制方式，需要相應的高性能通信技術。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。
  有了以太網和隨之而來的百兆數據傳輸速率，傳輸速率的十倍提升也讓控制技術獲益匪淺。當時，基于 RS485 和 CAN 的網絡雖然總體不錯，但它們在帶寬和性能方面有限。

—— Hans Beckhoff

 
  在以工業應用需求研發這項技術時，哪些以太網方面尤為重要？
  Hans：標準以太網協議設計用于傳輸大數據量和長數據報文，并非機器中常見的小數據量信息 — 如 1 位限位開關值或 16 位模擬量值。因此，我們的任務是將百兆數據傳輸速率和自動化領域中的 1...16 位數據量的傳輸應用“合二為一”，只有通過 EtherCAT 才能實現這一點。我們不僅完全重塑了所需的技術原理，而且還將其整合到 EtherCAT 協議和 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全新的高度。我們還合理使用了自動化技術領域中已經流行的新以太網技術，從容地避開了以太網用于實時通信的主要瓶頸。
  成功的主要因素是 EtherCAT 協議效率較高，即帶寬利用率高達 90% 以上。同樣重要的是，協議的復雜性完全映射到硬件中，顯著簡化了設備制造商的 EtherCAT 實施過程。

—— Martin Rostan

 
  總結來說，EtherCAT 具有哪些基本優勢？
  Hans：首先，傳統的基于 RS485 和 CAN 的現場總線是合并總線，其特點是多個設備使用同一個鏈接，在網絡診斷和故障排除方面要復雜得多。而 EtherCAT 采用以太網點對點鏈接，這樣就可以正確診斷每條傳輸路徑，這是一個相當重要的功能優勢。我們也早就決定，我們可以使用標準的以太網報文，因此，主站設備無需專用通信卡，這仍然是 EtherCAT 的一個主要優勢。不過，最關鍵的優勢是我們剛才已經說到過的協議效率，即能夠以“on the fly”的方式將數據提取或實時添加到 64 至 1500 字節的以太網報文中。在一個連接有大量自動化設備，而每個設備的數據量很小的網絡中，這是確保能夠持續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絡的超過 65,000 個設備的數據。
  Martin：這個運行原理帶來了另一個優勢，即控制器已經可以在數據報文中完美地編譯過程映像，因為網絡中的任意節點可以隨時插入或刪除它們的數據。這就避免了其它系統那種需通過接口卡實現的復雜的位運算。另一方面，EtherCAT 主站不會對控制器產生任何影響，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據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 領域使用的內存管理單元功能，為此我們進一步開發了現場總線內存管理單元（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入到內存，因此，物理設備中的數據和活動報文中的數據之間可以進行任何形式的映射。此外，各個任務和處理器核也可以通過 FMMU 進行映射，并定義相應的時間等級，從而滿足先進的、基于任務的控制技術需求。EtherCAT 的另一個核心功能是分布時鐘，它為通信系統引入了一個確定性的、自動同步的系統時間。這一點至關重要，因為現代控制方案幾乎都是基于時間片，需要數據和信號的同步采樣點。而以前的現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

 
  現場總線內存管理單元（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”的方式寫入。

——  Hans Beckhoff

 
  市場是否認可 EtherCAT 的這些基本優勢？
  Hans：確實如此！所有這些優勢加在一起，形成了一種本質上合乎邏輯、易被快速理解并深受全球工程師喜愛的技術。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歷 EtherCAT 技術的早期研發。EtherCAT 本質上是一個高性能，同時又簡單合理的協議。在沒有了解其它通信系統時，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以太網？
  Martin：是的，當時我們還創造了“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，現在也是一項更令人信服的技術，因此很容易從技術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。他在大學主攻的也是物理專業（碩士），目前從事基礎研發工作，已經在幫助塑造基于 PC 的控制技術的未來。

 
  2003 年漢諾威工業博覽會上 EtherCAT 的亮相對當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。我們在展臺上設置了一面 4 米長的巨型展板，以便讓 EtherCAT 技術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束，一切都非常順利且圓滿結束，而客戶也如我們所期望的那樣熱情高漲。很顯然，來自其他現場總線組織和控制組件供應商的到訪者也被 EtherCAT 深深震撼到了，至少這是我從當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 技術的人都立刻表現出極大的熱情，并都認可 EtherCAT 是使用工業以太網的最佳方式。

 
  2023 年漢諾威工業博覽會現場的 EtherCAT 展板區

 
  EtherCAT 獲得成功的一個主要因素是在 2003年紐倫堡國際工業自動化展會上發布了開放 EtherCAT 協議并宣布成立 EtherCAT 技術協會（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 一手創建，現在是一個獨立組織，將 EtherCAT 技術推向全球。如果沒有 ETG，EtherCAT 可能仍然只是一項令人興奮的技術，會擁有一些追隨者，但永遠不會像現在這樣成為全球公認標準，贏得廣泛贊譽。
  Martin：倍福一直主張技術開放，并支持所有相關的開放式現場總線技術。當時，市面上約有 20 種不同的通信技術和行業專用變體，倍福在所有這些技術方面都有相應的技術專家。ETG 吸取了這些技術經驗和各個用戶組織的優缺點。再次，在開放性方面，ETG 成員非常欣賞 EtherCAT 技術發展的管理方式：倍福是技術創新的推動者，但在開發技術的新特性時，始終會考慮到所有合作伙伴的需求。開放式現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現場總線用戶組織，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�！皟H 14%“的會員來自美洲地區，便已成為美洲最大的現場總線組織。EtherCAT 的可用性也非常重要，因此設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通信系統？
  Hans：在過去的 20 年里，這項技術已經充分證明了其完美的設計，基本協議始終保持不變，無需進行任何修改。這是我們成功的關鍵。此外，我們已經將 EtherCAT 技術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 EtherCAT 協議也支持更高的傳輸速率。

 
  Martin Rostan，ETG 執行董事兼倍福技術市場高級副總裁

 
  EtherCAT 的獨特賣點之一是，該技術本身多年來一直保持未變。芯片中包含的基本協議始終保持不變，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 網絡中甚至可以集成和運行百兆 EtherCAT 設備。這意味著現在的 EtherCAT 設備可以直接運行在一個 20 年歷史的系統中。這也意味著控制架構中的 EtherCAT 技術不會出現瓶頸，這一事實本身就足以讓很多用戶選擇這一現場總線。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，可以輕松滿足未來 20 年的所有高端需求，不會出現技術斷層。

 
  ETG 技術委員會已接受 EtherCAT G 作為 EtherCAT 標準的補充

 
  Johannes：我必須同意 Martin 的觀點：百兆速率足以滿足大多數設備的要求，甚至是小于 1 ms 的周期時間。EtherCAT G 支持 XPlanar 或視覺等高數據密集型應用，可在小于 1 毫秒的周期時間內傳輸數千字節的數據。如果沒有 EtherCAT G，XPlanar 系統的規模就會受限于20 個平面模塊，因此我們無法開發真正的大型 XPlanar 系統。千兆速率已經可以實現系統配備 100 多個平面模塊。這也適用于在百兆速率下運行極佳的 XTS 磁驅柔性輸送系統，但如果沒有高效的 EtherCAT 協議，它根本不可能實現。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。其它通信系統無法做到這一點，因此需要配備一個復雜的分布式控制架構才能實現類似的系統。
  Hans：而恰恰是我們的中央控制方案讓我們能夠在同一個 CPU 上計算出整個過程的數學物理模型。它的工作方式本質上與人相似，人的大腦通過中樞神經系統接收來自身體各個部位的所有數據。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部位的動作。我們的自動化技術也基于同樣的原理，因此 EtherCAT 對應于機器的中樞神經系統，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、EtherCAT 和集中控制理念的“技術三部曲”。
  無論是現在還是從中期來看，EtherCAT 發展的重點是什么？
  Hans：作為基于以太網的系統，EtherCAT 以及 EtherCAT 產品將繼續緊跟市場硬件層的發展。即使在今天，倍福已經為 RJ45、M8 以及塑料和光纖電纜設計多款耦合器，未來還將根據市場中出現的其它物理傳輸類型進行擴展。另一個重要的發展步驟是推出針對單電纜解決方案的混合型連接器產品。這也是推動我們開發了將 EtherCAT 通信與供電整合在一根標準的四芯以太網電纜中的 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，用作未來分布式自動化的標準圓形連接器。
  我們最初將 EtherCAT 作為一種通信協議，并使用完整的以太網硬件物理特性。我們還開發了自動化所需的機電功能，讓系統更具實用性。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進步。

 —— Hans Beckhoff

 
  Martin：信息安全在自動化領域變得越來越重要。EtherCAT 在安全方面具有很多優勢，因為其系統結構以及特性已經為應對這些挑戰提供了一切內在條件。更值得一提的是，EtherCAT 不需要新的協議版本、硬件修改或特殊措施即可進行所有安全相關的通信。