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 tongxinxitongjiujingshijiankaoyan
，shiyikuangaoxingnengshishiyitaiwangjiejuefangan，zaiquanqiufanweineihuodeleguangfanyingyong，bingpingjieqijishufazhandelianxuxingquelileshichangdiwei，jinyibuchengweikaifangde 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(bing)將(jiang)數(shu)據(ju)通(tong)信(xin)提(ti)升(sheng)到(dao)一(yi)個(ge)全(quan)新(xin)的(de)高(gao)度(du)。我(wo)們(men)還(hai)合(he)理(li)使(shi)用(yong)了(le)自(zi)動(dong)化(hua)技(ji)術(shu)領(ling)域(yu)中(zhong)已(yi)經(jing)流(liu)行(xing)的(de)新(xin)以(yi)太(tai)網(wang)技(ji)術(shu)，從(cong)容(rong)地(di)避(bi)開(kai)了(le)以(yi)太(tai)網(wang)用(yong)於(yu)實(shi)時(shi)通(tong)信(xin)的(de)主(zhu)要(yao)瓶(ping)頸(jing)。

　　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cai用yong以yi太tai網wang點dian對dui點dian鏈lian接jie，這zhe樣yang就jiu可ke以yi正zheng確que診zhen斷duan每mei條tiao傳chuan輸shu路lu徑jing，這zhe是shi一yi個ge相xiang當dang重zhong要yao的de功gong能neng優you勢shi。我wo們men也ye早zao就jiu決jue定ding
，我wo們men可ke以yi使shi用yong標biao準zhun的de以yi太tai網wang報bao文wen

，因yin此ci

，主zhu站zhan設she備bei無wu需xu專zhuan用yong通tong信xin卡ka，這zhe仍reng然ran是shi 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(zi)節(jie)的(de)以(yi)太(tai)網(wang)報(bao)文(wen)中(zhong)。在(zai)一(yi)個(ge)連(lian)接(jie)有(you)大(da)量(liang)自(zi)動(dong)化(hua)設(she)備(bei)，而(er)每(mei)個(ge)設(she)備(bei)的(de)數(shu)據(ju)量(liang)很(hen)小(xiao)的(de)網(wang)絡(luo)中(zhong)
，這(zhe)是(shi)確(que)保(bao)能(neng)夠(gou)持(chi)續(xu)高(gao)效(xiao)使(shi)用(yong)高(gao)帶(dai)寬(kuan)的(de)唯(wei)一(yi)方(fang)法(fa)，一(yi)個(ge)報(bao)文(wen)甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)攜(xie)帶(dai)同(tong)一(yi)個(ge)網(wang)絡(luo)的(de)超(chao)過(guo) 65,000 個設備的數據。

　　Martin：zhegeyunxingyuanlidailailelingyigeyoushi，jikongzhiqiyijingkeyizaishujubaowenzhongwanmeidibianyiguochengyingxiang，yinweiwangluozhongderenyijiediankeyisuishicharuhuoshanchutamendeshuju。zhejiubimianleqitaxitongnazhongxutongguojiekoukashixiandefuzadeweiyunsuan。lingyifangmian，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、自(zi)動(dong)同(tong)步(bu)的(de)係(xi)統(tong)時(shi)間(jian)。這(zhe)一(yi)點(dian)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)，因(yin)為(wei)現(xian)代(dai)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)幾(ji)乎(hu)都(dou)是(shi)基(ji)於(yu)時(shi)間(jian)片(pian)
，需(xu)要(yao)數(shu)據(ju)和(he)信(xin)號(hao)的(de)同(tong)步(bu)采(cai)樣(yang)點(dian)。而(er)以(yi)前(qian)的(de)現(xian)場(chang)總(zong)線(xian)中(zhong)根(gen)本(ben)不(bu)存(cun)在(zai)這(zhe)種(zhong)分(fen)布(bu)時(shi)鍾(zhong)的(de)完(wan)整(zheng)理(li)念(nian)。

　　

　　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：這(zhe)對(dui)於(yu)研(yan)發(fa)團(tuan)隊(dui)來(lai)說(shuo)絕(jue)對(dui)是(shi)一(yi)件(jian)具(ju)有(you)特(te)殊(shu)意(yi)義(yi)的(de)事(shi)件(jian)，我(wo)們(men)的(de)核(he)心(xin)團(tuan)隊(dui)由(you)六(liu)名(ming)專(zhuan)家(jia)組(zu)成(cheng)
，每(mei)個(ge)人(ren)都(dou)為(wei)此(ci)感(gan)到(dao)自(zi)豪(hao)。我(wo)們(men)在(zai)展(zhan)台(tai)上(shang)設(she)置(zhi)了(le)一(yi)麵(mian) 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bei福fu是shi技ji術shu創chuang新xin的de推tui動dong者zhe，但dan在zai開kai發fa技ji術shu的de新xin特te性xing時shi
，始shi終zhong會hui考kao慮lv到dao所suo有you合he作zuo夥huo伴ban的de需xu求qiu。開kai放fang式shi現xian場chang總zong線xian組zu織zhi的de原yuan則ze在zai這zhe裏li得de到dao了le很hen好hao的de驗yan證zheng。

　　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 dedutemaidianzhiyishi，gaijishubenshenduonianlaiyizhibaochiweibian。xinpianzhongbaohandejibenxieyishizhongbaochibubian，bingyiwanquanxianghoujianrongdefangshijinxinglekuozhan，baokuo 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 duiyingyujiqidezhongshushenjingxitong，keyirangjinkenengduodewaisheshujukuaisushusongdaozhongyangkongzhixitongzhong。beifuzuoweizidonghuagongyingshangzhisuoyinenggouqudechenggong，hendachengdushangshiyouyuwomenzhuiqiudezhengshizhezhongfangfa：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 yijisuliaoheguangxiandianlanshejiduokuanouheqi
，weilaihaijianggenjushichangzhongchuxiandeqitawulichuanshuleixingjinxingkuozhan。lingyigezhongyaodefazhanbuzhoushituichuzhenduidandianlanjiejuefangandehunhexinglianjieqichanpin。zheyeshituidongwomenkaifalejiang 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。

　　關於德國倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家專注於自動化新技術的德資企業，創立於 1980 年nian，總zong部bu位wei於yu德de國guo威wei爾er市shi。作zuo為wei全quan球qiu自zi動dong化hua技ji術shu的de驅qu動dong者zhe，倍bei福fu定ding義yi了le自zi動dong化hua領ling域yu的de許xu多duo標biao準zhun，是shi國guo際ji標biao準zhun的de製zhi定ding者zhe和he推tui動dong者zhe。公gong司si所suo生sheng產chan的de工gong業ye PC、現場總線模塊
、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控製係統，可為各個工控領域提供開放式自動化係統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構

，加上全球的合作夥伴
，業務遍及 70 多個國家和地區。

　　倍福於 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶於上海市北高新產業園區，現有員工 300 人
，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用於風力發電、半導體、光伏太陽能、電子製造
、金屬加工、包裝機械、印刷機械
、塑料加工

、輪胎加工

、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。

　　公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網於 2014 年成為中國國家推薦性標準，並已入編工信部的《國家智能製造標準體係建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基於 PC 的控製技術具有良好的開放性
，它支持所有主流的工業通信協議
，將 IT 技術
、互聯網和自動化技術完美融合在一起

，為實現工業 4.0 和智能製造奠定了堅實的技術基礎。

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