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实时工业以太网EtherCAT高速发展背后

—— 领略工业以太网前沿技术 EtherCAT北京路演暨十周年庆典圆满落幕

2017年12月6日     来源:e-works        作者:e-works黄菊锋       
关键字:工业以太网  EtherCAT  
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,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”。与会嘉宾近距离地感受到了高速发展的EtherCAT的技术魅力,并领略了现场总线、工业以太网的前沿技术和领先应用。
    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”。
 
 EtherCAT中国路演北京站大会现场
    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。
 
ETG总部执行董事Martin Rostan
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。
 
 EtherCAT在中国发展历程
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。
 
ETG中国区会员发展情况
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。
 
 EhterCAT运行原理(on the fly)
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是唯一宣称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 技术,并利用 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。
 
责任编辑:李欢
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