EtherCAT 技術的 20 年發展曆程

 
  EtherCAT 自推出以來已經有 20 多年的曆史，時至今日，它的成功一直在持續。的確
，由倍福開發並在 2003 年漢諾威工業博覽會上首次亮相的 EtherCAT 通(tong)信(xin)係(xi)統(tong)久(jiu)經(jing)實(shi)踐(jian)考(kao)驗(yan)
，是(shi)一(yi)款(kuan)高(gao)性(xing)能(neng)實(shi)時(shi)以(yi)太(tai)網(wang)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，在(zai)全(quan)球(qiu)範(fan)圍(wei)內(nei)獲(huo)得(de)了(le)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)，並(bing)憑(ping)借(jie)其(qi)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)的(de)連(lian)續(xu)性(xing)確(que)立(li)了(le)市(shi)場(chang)地(di)位(wei)，進(jin)一(yi)步(bu)成(cheng)為(wei)開(kai)放(fang)的(de) IEC 標準。在這篇采訪中，Hans Beckhoff 和 Martin Rostan 主要講述該技術在公司曆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 年的發展曆程並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 高性能總線係統。那麼
，後來開發全新的 EtherCAT通信係統時，你們是出於什麼考慮？
  Hans：倍福一直專注於高性能控製解決方案的研發，並持續突破自動化領域性能極限。這一切都基於 PC 控製技術理念，基於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。在數據通信方麵，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於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麵都擁有豐富的應用經驗，並將這些經驗都整合到我們的研發理念中。這一切都有助於 EtherCAT 在後來取得巨大成功。
  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。當時的控製結構都是分布式的，因此複雜程度非常高。另一方麵，基於 PC 的控製技術主要采用集中式控製方式
，需要相應的高性能通信技術。EtherCAT 彌合了這一差距，並打破了以前的數據通信瓶頸， 20 年後的今天，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製技術獲益匪淺。當時
，基於 RS485 和 CAN 的網絡雖然總體不錯，但它們在帶寬和性能方麵有限。

―― Hans Beckhoff

 
  在以工業應用需求研發這項技術時
，哪些以太網方麵尤為重要
？
  Hans：標準以太網協議設計用於傳輸大數據量和長數據報文
，並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”，隻有通過 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”
，並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於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，協議的複雜性完全映射到硬件中，顯著簡化了設備製造商的 EtherCAT 實施過程。

―― Martin Rostan

 
  總結來說，EtherCAT 具有哪些基本優勢？
  Hans：首先

，傳統的基於 RS485 和 CAN 的現場總線是合並總線，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麵要複雜得多。而 EtherCAT 采用以太網點對點鏈接
，zheyangjiukeyizhengquezhenduanmeitiaochuanshulujing
，zheshiyigexiangdangzhongyaodegongnengyoushi。womenyezaojiujueding，womenkeyishiyongbiaozhundeyitaiwangbaowen，yinci，zhuzhanshebeiwuxuzhuanyongtongxinka
，zherengranshi 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，即控製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。這就避免了其它係統那種需通過接口卡實現的複雜的位運算。另一方麵
，EtherCAT 主站不會對控製器產生任何影響
，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麵的效率也極高。
  Hans：確實如此。而這一運行原理基於 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de方fang式shi讀du取qu數shu據ju並bing將jiang數shu據ju寫xie入ru到dao內nei存cun
，因yin此ci，物wu理li設she備bei中zhong的de數shu據ju和he活huo動dong報bao文wen中zhong的de數shu據ju之zhi間jian可ke以yi進jin行xing任ren何he形xing式shi的de映ying射she。此ci外wai，各ge個ge任ren務wu和he處chu理li器qi核he也ye可ke以yi通tong過guo FMMU 進行映射
，並定義相應的時間等級
，從而滿足先進的、基於任務的控製技術需求。EtherCAT 的另一個核心功能是分布時鍾
，它為通信係統引入了一個確定性的

、zidongtongbudexitongshijian。zheyidianzhiguanzhongyao，yinweixiandaikongzhifanganjihudoushijiyushijianpian，xuyaoshujuhexinhaodetongbucaiyangdian。eryiqiandexianchangzongxianzhonggenbenbucunzaizhezhongfenbushizhongdewanzhenglinian。

 
  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並以“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
、易被快速理解並深受全球工程師喜愛的技術。這種相當感性的一麵當然也是 EtherCAT 能夠在全球範圍內確立市場地位的原因之一。
  Johannes：對於這一點我非常同意
，雖然我自己並沒有親身經曆 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係統時
，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，於 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
，已經在幫助塑造基於 PC 的控製技術的未來。

 
  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麼重要意義
？市場反響如何？
  Hans：zheduiyuyanfatuanduilaishuojueduishiyijianjuyouteshuyiyideshijian
，womendehexintuanduiyouliumingzhuanjiazucheng，meigerendouweicigandaozihao。womenzaizhantaishangshezhileyimian 4 米長的巨型展板，以便讓 EtherCAT 技ji術shu原yuan理li的de展zhan示shi效xiao果guo最zui大da化hua，我wo們men甚shen至zhi使shi用yong示shi波bo器qi展zhan示shi其qi實shi時shi性xing能neng。從cong展zhan出chu開kai始shi一yi直zhi到dao結jie束shu，一yi切qie都dou非fei常chang順shun利li且qie圓yuan滿man結jie束shu，而er客ke戶hu也ye如ru我wo們men所suo期qi望wang的de那na樣yang熱re情qing高gao漲zhang。很hen顯xian然ran
，來lai自zi其qi他ta現xian場chang總zong線xian組zu織zhi和he控kong製zhi組zu件jian供gong應ying商shang的de到dao訪fang者zhe也ye被bei 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mei錯cuo，我wo還hai記ji得de我wo們men的de一yi個ge競jing爭zheng對dui手shou連lian招zhao呼hu都dou沒mei打da就jiu張zhang大da著zhe嘴zui
，麵mian無wu血xue色se地di離li開kai了le我wo們men的de展zhan台tai。這zhe就jiu是shi我wo們men要yao達da到dao的de效xiao果guo。每mei一yi個ge了le解jie了le EtherCAT 技術的人都立刻表現出極大的熱情，並都認可 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 協議並宣布成立 EtherCAT 技術協會（ETG）。倍福為什麼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 可能仍然隻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，贏得廣泛讚譽。
  Martin：倍福一直主張技術開放
，並支持所有相關的開放式現場總線技術。當時，市麵上約有 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麵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

，在開放性方麵，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夥伴的需求。開放式現場總線組織的原則在這裏得到了很好的驗證。
  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。“僅 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，因此設備製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 年曆史
，但它絕不是落後過時的。為什麼即使在今天，它仍然是全球第一大工業通信係統？
  Hans：在過去的 20 年裏，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 技術原理應用於其它應用層次，如用於控製器間通信的 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de獨du特te賣mai點dian之zhi一yi是shi
，該gai技ji術shu本ben身shen多duo年nian來lai一yi直zhi保bao持chi未wei變bian。芯xin片pian中zhong包bao含han的de基ji本ben協xie議yi始shi終zhong保bao持chi不bu變bian，並bing以yi完wan全quan向xiang後hou兼jian容rong的de方fang式shi進jin行xing了le擴kuo展zhan，包bao括kuo 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 年曆史的係統中。這也意味著控製架構中的 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，可以輕鬆滿足未來 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，甚至是小於 1 ms 的周期時間。EtherCAT G 支持 XPlanar 或視覺等高數據密集型應用，可在小於 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 係統的規模就會受限於20 個平麵模塊，因此我們無法開發真正的大型 XPlanar 係統。千兆速率已經可以實現係統配備 100 多個平麵模塊。這也適用於在百兆速率下運行極佳的 XTS 磁驅柔性輸送係統
，但如果沒有高效的 EtherCAT 協議，它根本不可能實現。這是因為係統必須在 250 μs 的極短周期內傳輸數千字節的數據。其它通信係統無法做到這一點，因此需要配備一個複雜的分布式控製架構才能實現類似的係統。
  Hans：而恰恰是我們的中央控製方案讓我們能夠在同一個 CPU shangjisuanchuzhenggeguochengdeshuxuewulimoxing。tadegongzuofangshibenzhishangyurenxiangsi，rendedanaotongguozhongshushenjingxitongjieshoulaizishentigegebuweidesuoyoushuju。danaoneibudezichengxushimokuaihuajiegou，bingkegaoxiaodikongzhishentigegebuweidedongzuo。womendezidonghuajishuyejiyutongyangdeyuanli
，yinci EtherCAT 對(dui)應(ying)於(yu)機(ji)器(qi)的(de)中(zhong)樞(shu)神(shen)經(jing)係(xi)統(tong)，可(ke)以(yi)讓(rang)盡(jin)可(ke)能(neng)多(duo)的(de)外(wai)設(she)數(shu)據(ju)快(kuai)速(su)輸(shu)送(song)到(dao)中(zhong)央(yang)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)。倍(bei)福(fu)作(zuo)為(wei)自(zi)動(dong)化(hua)供(gong)應(ying)商(shang)之(zhi)所(suo)以(yi)能(neng)夠(gou)取(qu)得(de)成(cheng)功(gong)，很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)是(shi)由(you)於(yu)我(wo)們(men)追(zhui)求(qiu)的(de)正(zheng)是(shi)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)：PC 技術
、EtherCAT 和集中控製理念的“技術三部曲”。
  無論是現在還是從中期來看，EtherCAT 發展的重點是什麼？
  Hans：作為基於以太網的係統，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yi及ji塑su料liao和he光guang纖xian電dian纜lan設she計ji多duo款kuan耦ou合he器qi

，未wei來lai還hai將jiang根gen據ju市shi場chang中zhong出chu現xian的de其qi它ta物wu理li傳chuan輸shu類lei型xing進jin行xing擴kuo展zhan。另ling一yi個ge重zhong要yao的de發fa展zhan步bu驟zhou是shi推tui出chu針zhen對dui單dan電dian纜lan解jie決jue方fang案an的de混hun合he型xing連lian接jie器qi產chan品pin。這zhe也ye是shi推tui動dong我wo們men開kai發fa了le將jiang 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 混合型連接器係列，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，並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
，讓係統更具實用性。在這種情況下，EtherCAT P 以及 EtherCAT P 連接器係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 在安全方麵具有很多優勢，因為其係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。