耐冲击性能好1756-EN2TR 低速高转矩输出

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　　EtherCAT 技术的 20 年发展历程

　　EtherCAT 自推出以来已经有 20 多年的历史，时至，它的成功一直在持续。的确，由倍福开发并在 2003 年汉诺威工业博览会上亮相的 EtherCAT 通信系统久经实践考验，是一款高性能实时以太网解决方案，在全球范围内获得了广泛应用，并凭借其技术发展的连续性确立了市场地位，进一步成为开放的 IEC 标准。在这篇采访中，Hans Beckhoff 和 Martin Rostan 主要讲述该技术在公司历史上激动人心的时刻，而 Johannes Beckhoff 代表倍福下一代管理层则更关注未来需求。

　　Hans Beckhoff（中间）和 Martin Rostan（左）回顾 EtherCAT 技术过去 20 年的发展历程并与代表下一代管理层的 Johannes Beckhoff（右）分享了他们多年积累的经验

　　早在 1989 年，倍福推出了 Lightbus 高性能总线系统。那么，后来开发全新的 EtherCAT通信系统时，你们是出于什么考虑？

　　Hans：倍福一直专注于高性能控制解决方案的研发，并持续突破自动化领域性能极限。这一切都基于 PC 控制技术理念，基于此我们可以开发包括高算力在内的 PC 的所有优势，从而使机器获益。在数据通信方面，我们在 1989 年推出了出色的 Lightbus 解决方案。到了 21 世纪初，PC 标配以太网接口成为当时的主流趋势，批集成有以太网接口的处理器也开始进入市场。EtherCAT 的研发让我们能够在设备上使用这种新的 IT 数据传输介质，这与我们将 IT 技术与自动化技术融合于一体的理念是一致的。我们在 Lightbus 以及诸如 CANopen 和 PROFIBUS 等其它所有现场总线方面都拥有丰富的应用经验，并将这些经验都整合到我们的研发理念中。这一切都有助于 EtherCAT 在后来取得巨大成功。

　　Martin：我们研发 EtherCAT 的初衷是：Lightbus 和其它一些现场总线以及批工业以太网技术已经跟不上 PC 性能提升的速度。当时的控制结构都是分布式的，因此复杂程度非常高。另一方面，基于 PC 的控制技术主要采用集中式控制方式，需要相应的高性能通信技术。EtherCAT 弥合了这一差距，并打破了以前的数据通信瓶颈， 20 年后的，一切依然如故。

　　有了以太网和随之而来的百兆数据传输速率，传输速率的十倍提升也让控制技术获益匪浅。当时，基于 RS485 和 CAN 的网络虽然总体不错，但它们在带宽和性能方面有限。

　　—— Hans Beckhoff

　　在以工业应用需求研发这项技术时，哪些以太网方面尤为重要？

　　Hans：标准以太网协议设计用于传输大数据量和长数据报文，并非机器中常见的小数据量信息 — 如 1 位限位开关值或 16 位模拟量值。因此，我们的任务是将百兆数据传输速率和自动化领域中的 1...16 位数据量的传输应用“合二为一”，只有通过 EtherCAT 才能实现这一点。我们不仅完全重塑了所需的技术原理，而且还将其整合到 EtherCAT 协议和 EtherCAT 硬件中。

　　Martin：我们沿用了 Lightbus 的报文处理基本原理“processing on the fly”，并将数据通信提升到一个全新的高度。我们还合理使用了自动化技术领域中已经流行的新以太网技术，从容地避开了以太网用于实时通信的主要瓶颈。

　　成功的主要因素是 EtherCAT 协议效率较高，即带宽利用率高达 90% 以上。同样重要的是，协议的复杂性完全映射到硬件中，显著简化了设备制造商的 EtherCAT 实施过程。

　　—— Martin Rostan

　　总结来说，EtherCAT 具有哪些基本优势？

　　Hans：首先，传统的基于 RS485 和 CAN 的现场总线是合并总线，其特点是多个设备使用同一个链接，在网络诊断和故障排除方面要复杂得多。而 EtherCAT 采用以太网点对点链接，这样就可以正确诊断每条传输路径，这是一个相当重要的功能优势。我们也早就决定，我们可以使用标准的以太网报文，因此，主站设备无需专用通信卡，这仍然是 EtherCAT 的一个主要优势。不过，关键的优势是我们刚才已经说到过的协议效率，即能够以“on the fly”的方式将数据提取或实时添加到 64 至 1500 字节的以太网报文中。在一个连接有大量自动化设备，而每个设备的数据量很小的网络中，这是确保能够持续高效使用高带宽的唯一方法，一个报文甚至可以携带同一个网络的超过 65,000 个设备的数据。

　　Martin：这个运行原理带来了另一个优势，即控制器已经可以在数据报文中完美地编译过程映像，因为网络中的任意节点可以随时插入或删除它们的数据。这就避免了其它系统那种需通过接口卡实现的复杂的位运算。另一方面，EtherCAT 主站不会对控制器产生任何影响，因为逻辑化的过程映像可以被直接处理。因此，EtherCAT 不仅因其更短的通信周期而速度更快，而且在从站和主站端对数据交换方面的效率也极高。

　　Hans：确实如此。而这一运行原理基于 IT 领域使用的内存管理单元功能，为此我们进一步开发了现场总线内存管理单元（FMMU）。FMMU 是 EtherCAT 的基本功能之一，它允许从分布式内存中以“on the fly”的方式读取数据并将数据写入到内存，因此，物理设备中的数据和活动报文中的数据之间可以进行任何形式的映射。此外，各个任务和处理器核也可以通过 FMMU 进行映射，并定义相应的时间等级，从而满足**的、基于任务的控制技术需求。EtherCAT 的另一个核心功能是分布时钟，它为通信系统引入了一个确定性的、自动同步的系统时间。这一点至关重要，因为现代控制方案几乎都是基于时间片，需要数据和信号的同步采样点。而以前的现场总线中根本不存在这种分布时钟的完整理念。

　　倍福全球总裁兼所有者 Hans Beckhoff

　　现场总线内存管理单元（FMMU）是 EtherCAT 的基本功能之一，它可以将数据从分布式内存中提取并以“on the fly”的方式写入。

　　——  Hans Beckhoff

　　市场是否认可 EtherCAT 的这些基本优势？

　　Hans：确实如此！所有这些优势加在一起，形成了一种本质上合乎逻辑、易被快速理解并深受全球工程师喜爱的技术。这种相当感性的一面当然也是 EtherCAT 能够在全球范围内确立市场地位的原因之一。

　　Johannes：对于这一点我非常同意，虽然我自己并没有亲身经历 EtherCAT 技术的早期研发。EtherCAT 本质上是一个高性能，同时又简单合理的协议。在没有了解其它通信系统时，我就在问自己：EtherCAT 显然是佳解决方案，我们还能如何使用工业以太网？

　　Martin：是的，当时我们还创造了“EtherCAT 是工程师的佳选择”这样一句话！这句话很好地概括了这一点：相比之下，EtherCAT 以前是，现在也是一项更令人信服的技术，因此很容易从技术角度证明其使用的合理性。

　　Johannes Beckhoff 是 Hans 的儿子，于 2019 年加入 Beckhoff Automation。他在大学主攻的也是物理（硕士），目前从事基础研发工作，已经在帮助塑造基于 PC 的控制技术的未来。

　　2003 年汉诺威工业博览会上 EtherCAT 的亮相对当时倍福的来说有什么重要意义？市场反响如何？

　　Hans：这对于研发团队来说是一件具有特殊意义的事件，我们的核心团队由六名专家组成，每个人都为此感到自豪。我们在展台上设置了一面 4 米长的巨型展板，以便让 EtherCAT 技术原理的展示效果大化，我们甚至使用示波器展示其实时性能。从展出开始一直到结束，一切都非常顺利且圆满结束，而客户也如我们所期望的那样热情高涨。很显然，来自其他现场总线组织和控制组件供应商的到访者也被 EtherCAT 深深震撼到了，至少这是我从当时那些震惊的沉默和苍白的脸中感受到的！

　　Martin：没错，我还记得我们的一个竞争对手连招呼都没打就张大着嘴，面无血色地离开了我们的展台。这就是我们要达到的效果。每一个了解了 EtherCAT 技术的人都立刻表现出极大的热情，并都认可 EtherCAT 是使用工业以太网的佳方式。

　　2023 年汉诺威工业博览会现场的 EtherCAT 展板区

　　EtherCAT 获得成功的一个主要因素是在 2003年纽伦堡国际工业自动化展会上发布了开放 EtherCAT 协议并宣布成立 EtherCAT 技术协会（ETG）。倍福为什么会选择这个时机向市场公布呢？

　　Hans：毫无疑问，ETG 的成立与技术的**性一样，为我们的成功做出了重要贡献。ETG 由 Martin 一手创建，现在是一个独立组织，将 EtherCAT 技术推向全球。如果没有 ETG，EtherCAT 可能仍然只是一项令人兴奋的技术，会拥有一些追随者，但永远不会像现在这样成为全球公认标准，赢得广泛赞誉。

　　Martin：倍福一直主张技术开放，并支持所有相关的开放式现场总线技术。当时，市面上约有 20 种不同的通信技术和行业专用变体，倍福在所有这些技术方面都有相应的技术专家。ETG 吸取了这些技术经验和各个用户组织的优缺点。再次，在开放性方面，ETG 成员非常欣赏 EtherCAT 技术发展的管理方式：倍福是技术创新的推动者，但在开发技术的新特性时，始终会考虑到所有合作伙伴的需求。开放式现场总线组织的原则在这里得到了很好的验证。

　　ETG 目前已成为全球大的工业现场总线用户组织，拥有来自 72 个国家的 7000 多家会员单位，遍布世界各地，其中亚洲会员占 40% 以上。“仅 14%“的会员来自美洲地区，便已成为美洲大的现场总线组织。EtherCAT 的可用性也非常重要，因此设备制造商和终用户从一开始就参与其中。

　　—— Martin Rostan

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