Guido Beckmann 博士人物专访：EtherCAT 20 周年 — EtherCAT 在运动控制领域中的应用
EtherCAT 在过去的 20 年里成功地巩固了其作为超高速通信系统的地位，在自动化相关的各个领域都取得了长足进步。尤其是在对传输速度、同步性能和诊断功能等要求极高的运动控制领域中，EtherCAT 的发展更加快速、全面。倍福控制系统架构高级经理兼 ETG 技术委员会主席 Guido Beckmann 博士将在以下的访谈中与大家分享他的见解与观点。
Guido，您在倍福从事 EtherCAT 开发工作多久了？这些年里您的主要任务是哪些？
Guido Beckmann 博士： 我于 2006 年加入倍福，当时主要负责 EtherCAT 技术管理工作。在此之前，我一直专注于工业通信和现场总线领域，因此当倍福于 2003 年推出 EtherCAT 技术时，从一开始我就对它的功能充满了热情。2007 年至今，我一直担任 EtherCAT 技术协会 (ETG) 技术委员会主席，同时还负责多个工作组，尤其是 Safety over EtherCAT 技术和驱动设备行规工作组。另外，我还在倍福公司负责评估应用于其控制架构的新技术，包括研究 5G 移动通信标准的特性和可能的应用、时间敏感网络（TSN）领域的新兴通信标准以及使用 OPC UA 进行独立于制造商的控制通信。
运动控制这一主题给您在 EtherCAT 技术方面开展的工作带来了哪些特殊挑战？
Guido Beckmann 博士：卓越的性能、灵活的拓扑结构和简单的配置使 EtherCAT 具有适用于运动控制的以太网现场总线特性。短周期时间和精确同步是该系统适用于高动态运动控制应用的基础。这意味着，借助 EtherCAT，多个伺服轴的协同运动在应用中与传感器数据评估，数字或模拟量输出信号精确同步匹配。
EtherCAT 如今已成为最重要的运动控制现场总线之一。哪些技术特点对此起了决定性作用？
Guido Beckmann 博士：没错。据我们所知，目前有 200 多家驱动设备制造商支持 EtherCAT 接口。这些制造商可提供 1000 多种不同的 EtherCAT 驱动设备供用户在其应用中使用。现场总线系统要应对驱动技术方面非常苛刻的要求，其中最主要的是周期时间、同步性和同时性。所需周期时间的典型值范围在 1 ms 和 500 µs 之间，在某些不苛刻的应用中为 2 ms（参照驱动器中位置控制的循环位置规范）。但在某些极端情况下甚至要求 62.5 μs 的周期时间（用于通过总线控制的电流环）。同步性（synchronicity）规定了参与设备（驱动器和控制器）执行功能时的时间抖动，而同时性（simultaneity）则定义了这些功能的时间偏移量。EtherCAT 使用一种基于“分布式时钟”的同步控制方法：所有设备都有一个独立的时钟，本地存储的周期和事件都以该时钟为基础运行。但所有时钟的运行速度和基准时间必须相同。EtherCAT 从站控制器（ESC）中集成的专用控制装置可确保所有时钟都以参考时钟为基准，并且不受温度和生产公差的影响同步运行。所有时钟所需的同时性通过运行时测量从参考时钟到每个同步设备的信号来实现，该功能由ESC从硬件层面支持。大量测量结果表明，即使在大型网络中，同步性和同时性的偏差也远低于 100 ns。
高性能技术也应尽可能易用，而 EtherCAT 很好地做到了这一点。在工程设计和诊断等方面，哪些功能可为运动控制应用带来独特优势？
Guido Beckmann 博士：决定现场总线系统是否支持驱动技术的关键因素是所使用的通信协议和设备行规，它们负责实现控制器和驱动器之间的兼容和高效数据交换。驱动技术中最常用的设备行规是由 CiA（CAN in Automation）开发的 CiA402。它很早就被映射到 EtherCAT 中（IEC 61800-7-3），几乎所有的 EtherCAT 伺服驱动器都支持它，这意味着它们能够自动被识别并集成到运动控制应用中。这也意味着可以保留整个工具链和现有的相应驱动器参数设置经验。与传统的现场总线不同，EtherCAT 可以实现极短的周期时间。因此 ETG 在规范中引入了新的运行模式，支持循环同步传输位置、速度或扭矩过程数据。这样就可以将以前集成在复杂驱动控制器中的设定值发生器功能转移到中央运动控制器中。这样不仅简化了驱动放大器的功能，而且还能在中央运动控制器上协调设备中多个（耦合）驱动器的运动控制。
OCT（单电缆技术）和 EtherCAT P 单电缆解决方案在运动控制领域的重要性有哪些？针对特定的应用，尤其针对 EtherCAT 来说，它们有哪些优势？
Guido Beckmann 博士：这里必须区分两种不同的技术。倍福的 OCT 是一款创新的伺服电机与伺服驱动器连接解决方案。OCT 是一种改进型电机电缆，使用两根感温线进行编码器通信，因此无需额外使用反馈线。其它使用附加编码器信号的解决方案或附加芯线的混合型电缆解决方案组装难度更大，而且购买和安装成本也高得多。EtherCAT P 是一项由 EtherCAT 技术协会（ETG）维护和推广的开放式技术，在一根标准的四芯以太网电缆中整合了 EtherCAT 通信和供电功能。集成了 EtherCAT P 从站及其所连接的传感器和执行器的 24 V DC 电源：US（系统和传感器电源）和 Up（执行器外围电压）相互电气隔离，并可分别为所连接的组件提供最大 3 A 的电流。EtherCAT P 保留了 EtherCAT 技术的所有优点，包括网络拓扑结构的自由选择、高速度、高带宽利用率、即时处理报文、高精度同步和范围广泛的诊断功能，等等。倍福还可为大功率驱动应用提供带卡口式连接器的标准化多功能混合电缆。这些电缆集成了 EtherCAT P 内核和其它内核，可为从 24 V 传感器到 600 V 驱动器等各种设备供电。OCT 和 EtherCAT P 这两种技术都具有简化设备内部布线的优点，尤其是可以减少电缆数量。
EtherCAT 通信对于分布式运动控制解决方案 AMP8000 和 AMI8000 有多重要？
Guido Beckmann 博士：这正是 EtherCAT P 多功能混合电缆的优势所在。有了这些分散式系统，就能始终如一地贯彻无控制柜驱动解决方案。分布式驱控一体伺服电机可连接到带一个供电端口和五个电机回路的分布式供电模块。驱动器通过 EtherCAT P 多功能混合电缆进行通信和供电。从而大大节约材料消耗，减小所占空间，降低系统成本，减少安装工作量。
倍福运动控制产品种类繁多，包括紧凑型 I/O 驱动端子模块系列，今年正值该产品系列推出十周年。是否是 EtherCAT 的一些特定功能为这种设计样式提供了显著的优势？
Guido Beckmann 博士：在倍福紧凑型驱动技术中，端到端的 EtherCAT 通信功能尤其引人注目。倍福用于伺服电机、直流电机、无刷电机和步进电机的驱动器被设计为 EtherCAT E-bus 端子模块，即通过该 I/O 总线连接 EtherCAT 耦合器。EtherCAT 技术的特殊之处在于，EtherCAT 框架无需在总线耦合器中进行转换即可转发至内置的背板总线。而每个 E-bus 端子模块都是一个 EtherCAT 从站控制器，因此是独立的 EtherCAT 设备。这意味着，EtherCAT 在性能、同步性和同时性方面的所有优势也都可以用于紧凑型驱动技术。
EtherCAT 可为 XTS 和 XPlanar 智能输送系统带来哪些益处？
Guido Beckmann 博士：这里的关键词是性能。根据其功能原理，EtherCAT 可提供足够的带宽和短周期时间。此外，由于可以在一个帧中实时交换数据并对多个（或所有）设备进行逻辑寻址，因此在 EtherCAT 网段中，100 Mbit/s 的带宽利用率几乎可以达到 100%，而不会影响实时性。此外，只需一个 EtherCAT 帧即可设置输出数据，并可同时在帧中的相同位置再次读取输入数据，这实际上使带宽增加了一倍。倍福的 XTS 磁驱柔性输送系统是一款具有高可靠性和高性能的驱动解决方案，系统中的磁力驱动动子沿着全集成式电机模块构成的路径移动。智能输送系统将传统的直线电机与功率输出部件以及位置检测系统整合到电机模组中，结构紧凑，灵活性高。由于每个电机模组都包含大量独立的线圈和反馈传感器，因此必须在每个控制周期（250 µs）内将大量数据从控制器传输到每个模块，然后再传输回来，而这项任务只有 EtherCAT 才能胜任。XPlanar 是一款与旋转电机类似的平面电机，由多个定子、通电线圈（传输平面模块中）和可以移动的永久磁铁（动子中）构成。但与旋转电机不同的是，线圈和永磁体都排列在同一个二维平面上。XPlanar 传输平面模块是系统中的电动部件，对线圈通电产生磁场使得动子能够悬浮在传输平面上。XPlanar 系统所需的带宽比 XTS 系统还要高，超过 100 Mbit/s，因此使用了 2018 年推出的 EtherCAT G。EtherCAT G 基于成功的 EtherCAT 技术运行原理，能够以 1 Gbit/s 的速度即时处理报文。
模块化工业机器人系统ATRO（Automation Technology for Robotics）也基于 EtherCAT 通信。这在运动学设置和机器人操作方面有什么优势？
Guido Beckmann 博士：ATRO 模块化机器人是倍福驱动技术系列中推出的最新产品。此款模块化的工业机器人系统可以根据不同的应用需求灵活组合，组装成造型最匹配应用的机器人：集成驱动功能的标准电机模块，加上各种形状设计和长度的连接模块，可以实现近乎无限的机械组合。活动模块采用的是 EtherCAT 分布式伺服驱动器。若要实现机器人高动态、高精度的运动和定位，控制器必须在短控制周期内为所有电机模块提供新的设定点。所有模块的同步运动精度对保持路径的精确性起着决定性作用。ATRO 模块化机器人解决方案可以无缝集成到倍福系统架构中，能够与 XPlanar 和 XTS 等智能输送解决方案直接结合。用户现在能够基于紧凑的机器设计配置性能强大的机器人成套系统，大幅减少系统占地面积。得益于 EtherCAT，所有组件都完全同步，所有轴都能够执行任何高动态运动，因此也能够轻松实现拾放应用。
经过 20 年的发展，EtherCAT 仍然是一种创新的、面向未来的技术。从运动控制应用的角度来看，它还有多大的潜力？EtherCAT G 和 G10 等技术扩展中长期来说会带来哪些影响？
Guido Beckmann 博士：首先，我必须强调，即使 20 年过去了，EtherCAT 仍然是市场上速度最快的工业以太网技术。这也是与其它已经基于千兆位以太网的技术相比较而得出的结果。自 2003 年推出以来，EtherCAT 的出色性能几乎满足了无数行业和应用领域的所有用户需求。机器视觉、状态监测领域的一些特殊应用，甚至是创新的 XTS 和 XPlanar 输送系统，都依赖于可靠地传输每个节点每个循环产生的几百字节的过程数据。有了 EtherCAT G，这些应用现在仅需一台 EtherCAT G 主站控制，并同时与其它自动化设备和驱动器进行协同。说到这里，就不得不提到我们的分支概念，即分支模型可以将百兆 Ethernet 网段集成到 EtherCAT G 网络中。这样，即使在使用 EtherCAT G 的情况下，EtherCAT 系统独特的设备多样性仍然可用，并且不会有任何百兆设备因为 EtherCAT G 而过时甚至无法使用。相反，稳健且成熟的百兆数据传输仍将是未来几乎所有 EtherCAT 设备的首选物理层。分支概念还具有另一个重要的效率优势，即每个分支都被认为是一个单独的 EtherCAT 网段。因此报文并不需要顺序通过所有网段，而是并行处理分支端口上的网段，显著加快了大型网络的硬件传输速度。
说到创新，您能否透露一下 EtherCAT 团队目前正在开发哪些新的运动控制功能吗？
Guido Beckmann 博士：我们最近在 EtherCAT 规范中添加了动态过程数据通道（DPC）。这样就能够在运行期间临时读取或写入设备的周期同步过程数据。在驱动功能方面，这可用于在调试期间记录 Bode 图，以优化控制器参数。
