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EtherCAT:面向工业4.0和物联网的工业以太网现场总线

作者:CEC主编 金蕾2015.07.01阅读 10364

  从2003年德国汉诺威展会上的正式发布 ,到2015年成为拥有来自58个国家3220个会员的全球最大现场总线用户组织,是什么让EtherCAT这个年轻的现场总线技术获得如此快速的发展?面对市场上各种协议的激烈竞争,EtherCAT怎样脱颖而出?在全球新一轮自动化与信息化融合的浪潮下,EtherCAT又将为我们带来怎样的惊喜?近日,CEC记者独家采访了EtherCAT技术协会(ETG)执行董事Martin Rostan先生,这位严肃而又不失幽默的EtherCAT技术掌门人为我们解答了心中的谜题。
  工业4.0需要怎样的现场总线?
  无论是工业4.0还是物联网,要实现智能生产和万物相连的美好愿景,都需要设备和服务端之间具有高度联网和强大的通信能力,而高速、高效、安全的现场总线是智慧工厂的基本保障。“传统的以太网在硬实时通讯方面往往存在着三个主要问题,带宽利用率不高、堆栈和交换机延迟。”Martin Rostan先生说,“而EtherCAT因为采用了独特的数据处理方式 ‘On the fly’,突破了传统以太网技术的性能局限。”

  “On the fly”的运行机制能保证数据的高效率传输。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,且无需采用交换机或集线器。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。
  此外,“高速和安全性也是工业4.0现场总线需要具备的特性。”Martin Rostan先生说。作为最快的工业以太网技术,EtherCAT可以达到1000个I/O的更新时间只需30 μs,单个以太网帧最多可进行1486字节的过程数据交换,与100 个伺服轴的通讯每100 μs 执行一次,同时它还提供纳秒级精确的同步。
  安全性,一直是工业用户采用以太网技术的顾虑之一。根据CONTROL ENGINEERING的一项关于工业以太网的最新调查显示,45%的工业用户认为安全性是应用以太网技术最担心的问题。“其实不光是以太网,所有的网络包括传统的现场总线也要加强网络安全防范,因为互联的时代已经到来,所有的产品在未来都将在某种程度上与IT世界相连。”Martin Rostan先生认为。
  随着越来越多的设备接入网络,包括便携式智能设备走进工厂等,工业控制系统也越来越容易成为黑客的攻击目标,比如针对微软和西门子工业系统漏洞的Stuxnet病毒,就是通过USB将病毒传给PLC,导致伊朗核电站失控。“目前,还没有发现EtherCAT的安全攻击事件,因为病毒是通过IP协议传输的,而EtherCAT并不基于IP协议,因此相比于其他工业以太网协议,它不会那么脆弱,通过智能手机或其他便携式设备也不会轻易攻击到EtherCAT。”Martin Rostan先生谈道,“不过没有网络是完全安全的,所有连接都应该受到保护,而企业需要的是制定适合自身工厂的安全解决方案。
  实现工业4.0的无缝衔接
  如果用一句话来概括时下最热门的关键词工业4.0的话,Martin Rostan先生认为其核心就是自动化与信息化的融合,这与我国的“两化融合”有许多相通之处。实现整个企业信息的无缝衔接,需要打通从设备层、控制层到MES和ERP层的数据传输。未来的现场总线将与企业级网络控制工程网版权所有,甚至云端紧密相连。
  正式基于这样的愿景,ETG和OPC组织在2015年4月的德国汉诺威展上签署了一份谅解备忘录,宣布双方将建立公共接口,以更好服务于工业4.0和物联网时代下的用户需求。Martin Rostan先生坦言,EtherCAT就是具有出色的实时特性的以太网现场总线,而OPC UA适用于语义互操作性数据传输,其集成的安全设计比其他的协议更好,因此双方此次合作是两种技术优势互补的理想途径。将EtherCAT协议用于设备层的控制器到从站的实时通讯,自动化协议(EAP)用于EtherCAT领域的横向控制器与控制器间的通讯,而OPC-UA用于纵向通讯www.cechina.cn,以连接非EtherCAT系统,从而实现了工业 4.0 所要求的纵向和横向整合所需的所有通讯要求,为工业总线接入云端提供了有力的支持。
  工程师的选择就是最好的支持
  统一的标准一直是用户所期盼的,但从第一代现场总线,到现在的实时工业以太网和无线,多达20多种的国际标准,而且很多互不兼容,给企业在实际应用中带来了很多不便。随着工业4.0和物联网的推动,统一的标准会在未来实现吗?Martin Rostan坦言,他本人也很希望这样一天的到来,不过就目前来说,还有很长的路要走。
  一般来说,企业在选择工业以太网协议的时候有两种方式,一种是从上至下选择,另一种从下至上选择。第一种情况是,企业先选择一个品牌,选择一个主站、控制器、PLC等,然后在这个框架下再往下选。在这种情况下并没有询问工程师的意见,管理层不了解他们认为哪种才是适合的协议就做了决定。这种情况有可能导致用户被绑定于某个供应商。
  另外一种,从下往上选择,就是一些工程师希望采用先进的技术或者平台,他们考虑的是选择什么协议才是最适合应用。“如果企业能够与使用者来讨论这个问题,你会发现,EtherCAT总能会胜出,工程师们会选择EtherCAT作为未来以太网协议,因为它在技术上有很多独特的优势。” Martin Rostan自信地说,“未来可能只有3-4家主要的工业以太网协议,包括我们熟悉的Profinet、EtherNet/IP和CC-Link IE,当然还有必不可少的EtherCAT。其他的以太网协议都是基于某个大洲甚至某个国家的,只有EtherCAT是广泛受到全球的认可的技术。凭我们的感觉www.cechina.cn,EtherCAT列于前三名或更靠前的位置。”
  “很多总线都声称其真正开放,但需要关注的是:有多少主站/控制器提供商支持该技术?” Martin Rostan先生打了一个有趣的比喻,“绝大多数现场总线技术都由大猩猩族群中最强壮的那一个提供主站系统,有时候主导的大猩猩相对个头较小——但它也是唯一的主站提供商,幸运的是EtherCAT不是依赖于唯一的那个,它的主站(控制器)供应商已经多达185家。”因此,EtherCAT是一个真正开放的工业以太网技术。

  开启ETG中国的里程碑
  2014年对于ETG中国来说是具有里程碑意义的一年。已经获得IEC、ISO和SEMI国际标准的EtherCAT,在去年10月正式成为了中国推荐性国家标准GB/T 31230。“得益于中国自动化市场的蓬勃发展,EtherCAT以其超高速、低成本、易使用和开放性等特点在中国市场获得了很高的采纳率。” Martin Rostan先生欣慰地谈道,“成为中国国家标准后,意味着EtherCAT将获得来自政府层面的更广泛的认可和支持,从而更好地为中国最终用户提供本地化服务。”
  截至5月11日,ETG中国的会员总数已达到475个,比上一年增长26%,占到整个ETG亚洲会员数量的40%以上。是什么让中国用户对EtherCAT情有独钟?Martin Rostan先生认为,“首先,中国用户更乐于采纳先进的技术,而不是过多纠结于这项技术来自哪个国家。其次,低成本是中国用户更为关心的问题,很多转型期的中国制造企业都面临着巨大的成本压力。第三,在制定购买决策时,中国的工程师可以为企业提供更多的参考建议。”
  此外,高素质的工程人才也是中国市场的独特优势。“中国的工程师非常聪明,他们拥有良好的教育背景并且乐于钻研,能够为企业开发自己的产品。这一点和日韩等其他亚洲国家有所不同,日韩的工程师更倾向于购买打包服务或已经开发好的半成品。”Martin Rostan先生为中国工程师的研发能力点了个赞。
  独立开发意味着需要了解更多协议底层的细节,更完整的文档,以及更多的技术培训和研发工具支持等,ETG中国在这些方面也为中国工程师提供了更多的支持,比如在ETG官网上免费共享的诸多中英文协议文档,技术帮助文档,免费的ETG实施服务,每年多场次的EtherCAT中国路演,通过面对面地与EtherCAT专家进行交流,帮助工程师答疑解惑。
  助力中国制造业转型升级
  随着被誉为“中国版工业4.0”——《中国制造2025战略》政策的正式发布,中国的制造业企业也进入了向智能制造转型升级的10年倒计时。“工业4.0的推进也要根据每个国家的情况区别对待,对于很多连自动化还没有实施好的中国企业来说,直接跳跃到智能化是不现实的。”Martin Rostan先生并不赞成对工业4.0过于狂热CONTROL ENGINEERING China版权所有,“前三次工业革命,都是经过了长达50年的发展,工业4.0也不是3~5年能一蹴而就的,目前中国最重要的事情是如何让自动化正确实施,然后才是将自动化接入云端,一步一步来才能打好坚实的基础。”
  而由于受到经济的下行压力,很多想转型的制造企业也饱受资金成本的困扰。Martin Rostan先生建议,在选择部署工业以太网现场总线时,企业可以从易用性、诊断维护和硬件配置三个方面进行成本分析。以EtherCAT为例,它使用起来非常简单,完全不需要那些复杂的IT知识,没有工业以太网经验的用户也可以轻松掌握;EtherCAT具有很强的诊断能力,可以准确地定位、检测和排查故障;另外EtherCAT从站也不需要交换机等硬件设备也是一个成本优势。“EtherCAT是基于以太网技术性价比最好的总线,通常来讲,基于以太网的总线成本要高于传统的现场总线,而EtherCAT的成本可以跟传统的现场总线相差无几。” Martin Rostan先生坦言。
  最大现场总线组织的未来蓝图
  作为一个非盈利性组织,ETG不仅对会员不收取会费CONTROL ENGINEERING China版权所有,而且ETG会员获取协议堆栈、样本代码、评估套件、实施支持和其他的服务都是免费或者仅需很低的费用。这也是EtherCAT在全世界快速落地生根的原因之一。仅从2014年2月到2015年同期的一年时间里,ETG全球会员就增加了412个。
  同时,ETG以其先进的技术和开放性,也获得了越来越多合作厂商的支持。近日英飞凌宣布推出搭载EtherCAT XMC4800微控制器,成为第一家在带有片上闪存和模拟/混合信号处理功能的ARM Cortex-M微控制器上集成EtherCAT节点的半导体公司。而早前Microchip也宣布推出集成PHY的新型EtherCAT从属控制器,有效降低EtherCAT开发的系统复杂性和成本。2015春季欧洲EtherCAT一致性测试大会,更是在厂商和产品数量上刷新了纪录,这次大会共吸引到了来自70个厂商的12款主站和42款从站的参与。
  作为一个全球最大的现场总线组织的掌门人,Martin Rostan先生可能在10年前也没有想到EtherCAT技术今天会如此地受欢迎。面对下一个10年,他有怎样的期许呢?“我一般不会做超过5年以上的规划,” 这位务实的德国专家脸上露出笃定的笑容,“EtherCAT是一项稳定的技术,但是我们将根据新的应用领域的需求不断完善上层协议。我希望EtherCAT未来能在更多国家和行业领域得到更广泛的应用。虽然我们在传统的机器控制领域应用特别强势,但却不局限于此,就像我们在嵌入式、半导体等行业取得的巨大进步一样,未来也希望EtherCAT在过程控制领域取得更大的突破。” (CEC主编 金蕾 采写)

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