实时工业以太网EtherCAT高速发展背后

    2017年11月15日， 由EtherCAT技术协会（ETG )举办的“EtherCAT中国路演北京站”活动落下帷幕，作为今年的最后一场路演，也是压轴路演，会议吸引了来自工业自动化领域的100余名专家、企业代表及专业媒体的参与。同期，还举行了“ETG 中国十周年庆典”。
 

    图1. EtherCAT中国路演北京站大会现场

 

    ETG总部执行董事Martin Rostan先生亲临现场，与来自ETG中国的范斌、程庚、叶儒峥等工业以太网技术专家一起，全方位地阐述了智能制造技术平台EtherCAT的市场、原理、特性、实施和应用，以及ETG 中国十年的发展历程。同时，德国Beckhoff、德国赫优讯、凌华科技、ACS运动控制和清能德创等设备制造商的技术工程师也分别分享了 EtherCAT 在全球各领域的应用实践以及基于EtherCAT的领先自动化解决方案。

 

    通过与EtherCAT技术专家面对面地沟通交流，并参观赞助商的现场demo展示，与会嘉宾近距离地感受到了高速发展的EtherCAT的技术魅力，深入地了解了EtherCAT如何帮助用户提高产品性能、降低成本从而提升市场竞争力，并领略了现场总线、工业以太网的前沿技术和领先应用。
 

图2 .ETG总部执行董事Martin Rostan 

 

    高速发展的EtherCAT

 

    2017年，是实时工业以太网EtherCAT技术诞生的第14年，也是EtherCAT进入中国的十周年。
 

图3. EtherCAT在中国发展历程

 

    EtherCAT技术于2003年由德国倍福在德国汉诺威工业博览会上首次发布，为了给来自全球的自动化人员和产品供应商提供EtherCAT技术支持，以及完善与推广EtherCAT技术，2003年底ETG (EtherCAT Technology Group）组织成立。

 

    历经多年的发展，面对竞争激烈的工业总线协议市场，EtherCAT以其超高速、低成本、灵活易用和开放性等特点，获得了业界的广泛认可与接纳，基于EtherCAT协议的控制系统、伺服驱动、运动控制等解决方案与产品不断被推出。据ETG中国区首席代表范斌女士介绍：“当前全球提供EtherCAT主站产品的供应商官方登记的有201家；提供EtherCAT伺服驱动器的供应商有163家，共500多个种类；提供EtherCAT模块（I/O）的有116家，共1000多个种类。EtherCAT采用率在欧洲、亚洲和美国都超过了其他工业以太网技术。”

 

    与此同时，ETG成为了全球规模最大的现场总线和工业以太网组织，截止本次会议举办的前一天，ETG己拥有来自6大洲，65个多国家的4545家会员公司，包括设备制造商、最终用户和技术提供商。

 

    而在中国市场上， EtherCAT技术发展迅速，ETG的会员数量一致保持着强劲的增长势头，从2007年的 5 家会员发展到目前中国的近 800 家会员。并且，已经获得IEC、ISO和SEMI国际标准的EtherCAT，在2014年10月还正式成为了中国推荐性国家标准GB/T31230。
 

图4. ETG中国区会员发展情况

 

    无疑，无论是在全球还是中国市场，EtherCAT都是成功的。那么EtherCAT取得如此成绩的驱动力是什么呢？ ETG总部执行董事Martin Rostan总结了除了技术本身优势以外的重要两点，也是其它工业以太网技术所无法比拟的两点：开放性和一致性。

 

    Martin Rostan指出：尽管几乎所有的总线和以太网技术都声称自己是开放的。但对EtherCAT而言，开放不仅仅体现在从站层面，而且主站技术也是对外开放的， EtherCAT主站供应商已达到了201家，而并不是依赖少数的1家或几家。同时，ETG还提供免费的实施支持，包括各种互操作性的研发指导文档，适用于多种操作系统和控制器平台的主站和从站的实施，开放的配置工具，应用接口的规范等等。

 

    在一致性方面，EtherCAT技术尽管也会不断地进行细节完善和创新，但始终只有一个版本，而并非每年发布一个新版本；另外，每个制造商产品发布前会要求使用官方EtherCAT一致性测试工具对其EtherCAT设备进行一致性测试，在成功通过了授权测试实验室的测试后，制造商才可以获得ETG颁发的一致性证书，大大保证了EtherCAT设备的稳定性和互操作性。

 

    EtherCAT技术充分的开放性，使得不管是欧美还是中国本土的设备制造商、集成商和最终用户都可以将EtherCAT技术引入到其主站控制器和从站产品中，从而增强产品本身的竞争力和制造能力；完全的一致性，避免了不同版本之间的不兼容性。以上两项优势有效地促进了EtherCAT技术实现更广泛地应用。

 

    另外，Martin Rostan将2014年称为对于ETG中国具有里程碑意义的一年，他指出：“EtherCAT被定义为中国国家标准后，加速了EtherCAT技术在中国的发展与应用。一方面从语言的角度，被翻译成为中文更利于中国工程师理解与学习；另一方面意味着用户提供本地化服务。”

 

    EtherCAT：提升竞争力的利器

 

    作为当前工业总线领域最受瞩目的通讯协议之一，EtherCAT受到了全球设备提供商和最终使用者的广泛关注与重视。然而，除了EtherCAT技术本身的原理、优势及特点外，越来越多的企业开始关心“通过应用EtherCAT可以得到什么”，ETG总部执行董事Martin Rostan在本次研讨会上给出了答案“EtherCAT most a means to achieve comptetitive advantages”。

 

    Martin 先生指出对于通讯系统/电气设备而言，质量、效率（吞吐量）、价格、节能、安全性、可扩展性、易于集成（到工厂环境中）、可获得全球支持、用户友好、供应商可靠等等因素，是区别企业与竞争对手的重要因素。而选择EtherCAT则可以从这些方面获得具有竞争力的优势。诸如：

 

    在质量方面。EhterCAT作为最快的工业以太网技术，其在利用百兆全双工以太网的基础上使用独特的传输机制——“On the fly”，即数据帧在网络传输的同时，每个节点读取帧中寻址到该节点的数据，并将需要交换的数据写入帧。这种方式的带宽利用率很高，通过这种数据处理方式，可以实现高效过程数据传输并使以太网数据有效率接近100%，从而用最佳的带宽利用率获得最高的性能。高性能，意味着高精度、高品质、高效率。因此，采用EtherCAT通信，用户可以获得μs级的扫描周期，从而提高设备的控制精度、质量和运行效率。
 

图5. EhterCAT运行原理（on the fly）

 

    在价格/成本方面。无论是设备制造商还是OEM，EtherCAT主站接口硬件成本仅需要一个以太网端口，从站则采用ASIC芯片、FPGA，或者标准的集成了EtherCAT通讯功能的微处理器芯片都可以实现，集成度高且价格低廉，从而有效降低了设备成本。

 

    另外，EtherCAT简单耐用可以自动配置地址无需手动配置，且不需要任何交换机或其他有源设备，可以采用标准的以太网线缆和接头，同时，由于EtherCAT技术提供了精准的错误定位而减少排错时间，从而大大节省了配置、安装和维护等成本。

 

    此外，EtherCAT的开放性，使得市场上有足够多的可买到的EtherCAT主站和从站软件，以及来自于多个供应渠道的芯片，这也意味着企业具有广泛的产品可选择，因此带来的价格优势也会存在。

 

    当前，EhterCAT是唯一成本等于或小于现场总线成本水平的工业以太网系统。

 

    在安全性方面。EtherCAT功能性安全（Safety over EtherCAT）可以实现在同一个网络上进行安全相关的通讯和一般的控制通讯，ETG会员可以利用这个优势在同一个网络中实现安全通讯，而无需按照传统的理念通过独立与自动化控制网络独立实施，或者采用特定的安全总线系统来在控制架构中集成功能安全。另外，Safety over EtherCAT使用“黑色通道（Black Channel）”的方法，所以也适用于其他总线系统。

 

    在扩展性方面。EtherCAT支持线型、树型、星型拓扑等几乎所有的拓扑结构，并可以自由选择拓扑结构，线型拓扑也可以拓展为环型拓扑从而实现线缆冗余，且主从站设备都支持冗余功能，因此可在机器运转过程中进行设备交换。另外，EtherCAT网络采用总线网关，可以将支持其他总线的现有设备集成到EtherCAT网络中并建立一个到其他从站或更高级系统的接口，大大保护了用户的投资。

 

    也正是基于此，目前EtherCAT已广泛地应用于机器控制、测量设备、医疗设备、汽车和移动设备及无数的嵌入系统中，特别是运动控制领域，据悉全球四大机器人厂商都采用了EtherCAT总线通讯。

 

    EtherCAT P：通信与电源集成于一根线缆中

 

    在本次会议上，ETG中国技术工程师程庚对EtherCAT P进行了全面展示。EtherCAT P于2015年的SPS IPC Drives展会上推出，作为EtherCAT协议物理层标准的补充，其最大的亮点是将系统EtherCAT通讯和外围电压集成在一根以太网电缆中，并支持从站在通讯的同时进行供电传输。

 

    EtherCAT P 技术与EtherCAT 完全兼容，因此EtherCAT 的高性能如直达传感器或执行器的 100 Mbit/s 全双工通讯、实时数据处理、与分布式时钟的高精度同步以及低于 100 μs 的周期时间，EtherCAT P也同样具备。

 

    另外，由于EtherCAT P可以在单根电缆中同时提供数据传输和供电，大大简化了系统布线工作，降低了材料和装配成本以及减少了安装时出错的可能性。同时，也减少了电缆线路、控制柜中以及机器本身的空间要求。因此，特别适合于相对独立且自成体系的机器，是传感器、执行器及测量技术组件等的理想总线。

 

    程工指出“有了 EtherCAT P 后，使用传统的4芯工业以太网电缆即可实现每台设备获得 2组独立的24 V 电，每组最大提供3 A的电流，这样可以实现全新的以太网现场总线布线方式，以往只能在特别慢的系统中才会采用。”如今倍福已经推出了基于EtherCAT P的产品线，未来将有更多ETG会员公司推出支持EtherCAT P的新产品。

 

    后记

 

    近年来，打通各个独立系统和设备之间的互联互通，实现IT与OT的融合成为了工业企业推进工业4.0、智能制造的主旋律，工业现场总线作为生产过程现场与控制设备之间的通信网络，取得了蓬勃发展与广泛应用。

 

    面对着工业4.0热潮所带来的发展机遇，以及市场上百家争鸣的工业现场总线协议， 对于EtherCAT未来的发展策略，Martin表示：在技术层面，ETG 将发布TSN设备行规，利用 TSN 技术实现 EtherCAT 网络与外部网络、EtherCAT 主站与 EtherCAT 从站网段的时间确定性通讯，为面向未来的基于工业物联网的实时应用提供更多的可能；在战略层面，将在加大EtherCAT技术推广和市场宣传的同时，更加注重技术细节的完善与创新，加强不同行业的应用需求的研发并不断完善协议的应用层接口，从而使EtherCAT技术在更多的行业和国家得到应用。