Több mint két évtizede bizonyít a kompatibilis és nyílt EtherCAT kommunikáció

Interjú Hans Beckhoffal és Martin Rostannal az EtherCAT több mint két évtizedes múltjáról

Az EtherCAT története több mint 20 éve kezdődött, és azóta is töretlenül sikeres. A Beckhoff által kifejlesztett és először a 2003-as Hannoveri Szakkiállításon bemutatott kommunikációs rendszert számos különféle szakterületen vezették be, mint nagy adatátviteli képességű, valós idejű, Ethernet-alapú megoldást. Folyamatosság és műszaki fejlesztések révén szilárdan megalapozta helyét a piacon, sőt, nyílt IEC-szabvánnyá vált. Hans Beckhoff és Martin Rostan a vállalat ezen korai szakaszának kiemelkedő eseményeiről nyilatkozott, míg a vezetőség új generációját képviselő Johannes Beckhoff a jövőre való felkészüléshez kapcsolódó elvárásokról beszélt.

A Beckhoff 1989-ben mutatta be első ízben az általa kifejlesztett, Lightbus néven ismert nagy sebességű buszrendszert. Miért volt szükség egy EtherCAT-alapú új kommunikációs rendszer kifejlesztésére?

Hans Beckhoff: A Beckhoff mindig is a kifinomult vezérléstechnikájáról és az automatizálás határainak feszegetéséről volt híres. Mindennek hátterét a PC-alapú vezérléstechnika adja, amelynek révén közvetlenül a gépeken használhatjuk ki a személyi számítógépek erősségeit, elsősorban nagy számítási teljesítményüket. Az adatátvitelt illetően 1989-ben kiemelkedő megoldással álltunk elő a Lightbus kifejlesztésével. A 2000-es évek elejére már minden PC alapkiépítésben tartalmazott Ethernet interfészt, sőt, az első beépített Ethernet-egységgel rendelkező processzorok is kezdtek megjelenni a piacon. Az EtherCAT-et ekkor fejlesztettük ki, így ezt az új informatikai adatátviteli technikát a gépekre is át tudtuk vinni, összhangban az informatikai világ és az automatizálás összekapcsolását megcélzó filozófiánkkal. A Lightbus mellett további terepibusz-rendszerekkel (például CANopen és PROFIBUS) kapcsolatosan megszerzett széles körű tapasztalatainkat is felhasználtuk az alapelképzelés kidolgozásakor, ami jelentősen hozzájárult az EtherCAT egyedülálló sikeréhez.
Martin Rostan: Abból indultunk ki, hogy a Lightbus – és általában a többi terepi busz, valamint az ipari Ethernet-alapú technológiák első generációja – nem tudott lépést tartani a PC-k egyre nagyobb számítási teljesítményével. Akkoriban emiatt rendkívül bonyolulttá váltak a vezérlési architektúrák, és mindegyik decentralizált volt. Ezzel szemben a PC-alapú vezérlés fő jellemzője, hogy központosított, ennek megfelelően nagy teljesítőképességű adatátvitelt igényel. A kétféle megközelítés között az EtherCAT képezett hidat, megszüntetve az adatátviteli sebességgel kapcsolatos szűk keresztmetszetet – ma, több mint 20 év elteltével is hasonló szerepet töltve be.
Hans Beckhoff: Így van, az Ethernet és az általa biztosított 100 Mbit/s-os adatátviteli sebesség révén a vezérléstechnikában alkalmazott kommunikációs sebesség a tízszeresére növekedhetett. A maguk idejében jól működtek az RS485 és CAN-alapú hálózatok, de sebességük és teljesítőképességük tekintetében korlátozottak voltak.

A Beckhoff által kifejlesztett ultragyors EtherCAT rendszert már több mint 20 éve sikeresen használják, hosszú idők óta, mint a valós idejű Ethernet-kommunikáció nyílt, globális szabványát (Fotó: © Beckhoff)

Az Ethernet mely képességei voltak különösen fontosak, amikor ipari szinten kellett megvalósítani ezt a technológiát?

Hans Beckhoff: Az Ethernet-protokollt nagy mennyiségű adatok és hosszú adattáviratok továbbítására tervezték, nem pedig a gépek világában megszokott kis információcsomagok, például 1 bites határértékek vagy 16 bites analóg értékek átvitelére. Ezt szem előtt tartva át kellett hidalnunk a 100 Mbit/s-os adatsebesség és az automatizálásban alkalmazott rövid, 1–16 bit hosszúságú adatok közötti szakadékot – pontosan ezt sikerült szinte ideálisan teljesíteni az EtherCAT segítségével. Nem csupán az ehhez szükséges műszaki alapelveket kellett teljesen újragondolnunk, hanem meg is kellett azokat valósítanunk mind az EtherCAT-protokoll, mind a hozzá kapcsolódó hardverek szintjén.
Martin Rostan: A Lightbus-ból átvettük a táviratok menet közben történő feldolgozásának alapelvét, és teljesen új szintre emeltük az adatátvitelt. Az új, azóta az automatizálásban is meghonosodott Ethernet-technológia konstruktív használatával elegánsan megkerültük a valós idejű Ethernet-kommunikáció jelentette fő szűk keresztmetszetet. Ehhez nagyban hozzájárult a protokoll komoly mértékű hatékonysága, azaz a rendelkezésre álló adatsebesség több mint 90%-ának kihasználása. Szintén fontos tényező volt, hogy a teljes protokollt leképezték áramköri szinten, aminek köszönhetően a készülékgyártók lényegesen könnyebben valósíthatták meg EtherCAT-rendszereiket.

Hogyan foglalná össze az EtherCAT alapvető előnyeit?

Hans Beckhoff: Először is, a hagyományos, RS485 és CAN-alapú terepi buszokra „mindenki közös legelőjeként” tekintünk, ezeknél ugyanis egyetlen adatkapcsolati vonalon számos eszköz kommunikálhat, jelentősen megnehezítve mind a hálózati diagnosztikát, mind a hibaelhárítást. Az EtherCAT-be ezért ültettük át az Ethernet pont-pont jellegű adatátvitelét, aminek köszönhetően minden átviteli út megfelelően diagnosztizálható – ez a rendszerünk egy meghatározó tulajdonsága. Szintén rögtön a kezdetekkor eldöntöttük, hogy egyetlen általános Ethernet-távirattal oldunk meg mindent, így nincs szükség a vezérlő (master) gépben semmiféle speciális adatkapcsolati kártyára, ami az EtherCAT további erőssége. A rendszerünk legfőbb erénye azonban a korábban már említett hatékony protokoll, vagyis az, hogy a 64 és 1500 bájt közötti terjedelemmel rendelkező táviratokba átvitel közben illeszthetők be adatok, illetve olvashatók ki onnan. A gyors adatátviteli sebesség előnyei így gazdaságosan kiaknázhatók a sok kis mennyiségű információt használó, számos automatizálási eszközzel, amelyekből akár több mint 65 000 is kezelhető egyazon hálózaton belül, egyetlen távirattal.
Martin Rostan: Az elv további előnye, hogy a vezérlő már az adattáviratban tökéletesen összeállíthatja a folyamatképet, mivel a hálózati csomópontok bármely ponton beilleszthetik vagy kivehetik adataikat, így nincs szükség a más rendszerekben elvégzendő bitszintű műveletekre, amelyeket interfészeken keresztül bonyolult megvalósítani. Másrészt, az EtherCAT master-egység semmilyen módon nem terheli a vezérlőt, mivel egy közvetlenül feldolgozható, előre rendezett folyamatkép áll elő a rendszerben. Az EtherCAT ezért nemcsak a tényleges adatátvitel tekintetében rendelkezik nagy sebességgel – miközben nagyon rövid ciklusidőket biztosít –, hanem az összes fel- és lemenő folyamatlépésnél is.
Hans Beckhoff: Ez valóban így van. Az egész rendszer működése a memóriakezelő egység (MMU) informatikai funkcióin alapul, amit ezen célból továbbfejlesztettünk úgynevezett terepi­busz-memóriakezelő egységgé (FMMU). Részben ez utóbbi képezi az EtherCAT lényegi részét, lehetővé téve adatok menet közben történő kiolvasását és beírását egy decentralizált memóriába úgy, hogy a fizikai eszköz és az aktív távirat között bármilyen leképezés elvégezhető. Mindezeken túlmenően egyedi feladatok és processzormagok is kiválóan leképezhetők, illetve beállíthatók megfelelő időzítésekkel az FMMU segítségével, tökéltesen illeszkedve a korszerű, feladatorientált vezérléstechnika elvárásaihoz. Az EtherCAT másik meghatározó tulajdonsága az elosztott órajelek kezelése, amely révén jól meghatározott, automatikusan szinkronizált rendszeridő biztosítható a kommunikációs rendszeren belül. Ez azért kritikus jelentőségű, mert a komolyabb vezérléstechnikai megoldások szinte mindig időszelet-alapúak és mind az adatok, mind a jelek vonatkozásában szinkronizált mintavételi pontokkal működnek. Az elosztott órajelek egyszerűen teljesen hiányoztak a korábbi terepibusz-rendszerekből.

Hans Beckhoff (középen) és Martin Rostan (balra) visszatekint az EtherCAT több mint 20 éves múltjára, és megosztja sokéves tapasztalatait a Johannes Beckhoff (jobbra) által képviselt, új generációval (Fotó: © Beckhoff)

A piac is így látja az EtherCAT alapvető előnyeit?

Hans Beckhoff: Teljes mértékben. Az említett képességek olyan technológiát eredményeznek, amely rendkívül logikus, és a mérnökök világszerte mindenhol gyorsan megértik a működését, sőt, meg is kedvelik. A rendszer ezen – meglehetősen érzelmi – vetülete jelenti azt az egyik tényezőt, amelynek köszönhetően az EtherCAT a világon mindenhol ennyire befutott.
Johannes Beckhoff: Teljes mértékben egyetértek az elmondottakkal, noha a kezdeti fejlesztésekben nem vettem részt. Természetéből fakadóan az EtherCAT egy kiváló képességekkel rendelkező, ugyanakkor egyszerű és logikus protokoll. Egyéb rendszerek ismerete nélkül is rögtön a kezdetektől azt kérdeztem magamtól, hogy mi mást használhatnánk még ipari Ethernet-alapú kommunikációra, amikor egyértelműen az EtherCAT az optimális megoldás?
Martin Rostan: Igen, sőt, akkoriban született az a jelmondatunk, hogy „A mérnök az EtherCAT-et választja”. Ez jól megfogalmazza a lényeget: a többi technológiához képest az EtherCAT az előnyösebb, ezért alkalmazása műszakilag könnyen megindokolható.

Martin Rostan, az EtherCAT Technology Group (ETG) ügyvezető igazgatója és a Beckhoff technológiai marketingért felelős vezető alelnöke, a következőket nyilatkozta: „Az EtherCAT alapprotokollja mindig ugyanaz maradt, és mindig 100%-ban visszafelé kompatibilis módon bővítettük” (Fotó: © Beckhoff)

Mekkora jelentősége volt a Beckhoff számára a 2003-as Hannoveri Szakkiállításon tartott EtherCAT-bemutatónak, és hogyan reagált erre a piac?

Hans Beckhoff: A fejlesztői csapat számára ez valóban különleges esemény volt, hat szakértő képviselte a szakmát, és mindenkit büszkeséggel töltött el a rendezvény. Volt egy hatalmas, 4 méter átmérőjű vetítőfalunk, amelyen keresztül a lehető leghatásosabban tudtuk a rendszerünk alapelveit szemléltetni, sőt, még oszcilloszkópokat is használtunk a valós idejű képességek bemutatására. Tökéletesen sikerült mindent szemléltetni az elejétől a végéig, az ügyfeleink pedig a várakozásainknak megfelelően lelkesedtek a látottakért, sőt, még más terepibusz-szervezetek és automatizálási cégek képviselőire is jól láthatóan mély benyomást tettünk – legalábbis ezt a következtetést vontam le a döbbent csend és néhány sápadt arc alapján!
Martin Rostan: Máig emlékszem, hogy egy versenytárs úgy fordult ki a standunkról tátott szájjal és elsápadva, hogy el sem köszönt. Ez éppen elég visszaigazolás volt. Aki megértette a működési elvet, azonnal fellelkesedett, és megerősítette, hogy az EtherCAT az ipari Ethernet használatának legjobb módja.

Az EtherCAT sikerének egyik fontos tényezője az volt, hogy az SPS 2003 Szakkiállításon nyitottá tették a protokollt, és megalapították az EtherCAT Technology Group (ETG) szakmai közösséget. Miért éppen ekkor döntött úgy a Beckhoff, hogy nyit a piac felé?

Hans Beckhoff: Kétségtelen, az ETG megalapítása ugyanolyan mértékben járult hozzá sikereinkhez, mint maga a kifinomult technológia. Az ETG-t Martin építette fel, amely mára független szervezetté nőtte ki magát. Az EtherCAT világméretű elterjedését ennek a csoportnak köszönheti, enélkül feltehetőleg néhány követőt maga mögött tudható, izgalmas technológia maradt volna csupán, de soha nem vált volna széles körben elismert, világszerte elfogadott normává.
Martin Rostan: A Beckhoff mindig is a nyitottság mellett állt ki, és támogatta az összes szóba jövő nyílt terepibusz-technológiát. Abban az időben körülbelül 20 különféle kommunikációs rendszer létezett számos iparági változattal, és a Beckhoff mindegyikhez rendelkezett megfelelő szakértőkkel. Ez a szaktudás épült be az ETG-be, és nemcsak műszaki téren, hanem az egyes felhasználói szervezetek előnyei és hátrányai tekintetében is. Ide tartozik ismételten a nyitottság is, amely vonatkozásában az ETG tagjai nagyon nagyra értékelik az EtherCAT technológia fejlesztésének módját: a Beckhoff viszi előre a technológiát, de eközben az összes partner igényeit következetesen figyelembe veszi. A nyílt terepi­busz-szervezet elve egyértelműen bizonyított. Nem ok nélkül vált az ETG a legnagyobb terepibusz-szervezetté: 72 országban több mint 7000 tagja van, és tagjainak több mint 40%-a ázsiai országból kerül ki. Akkorára nőttünk, hogy bár tagjainknak „csak 14%-a” működik az amerikai kontinensen, mégis mi vagyunk a legnagyobb amerikai terepibusz-szervezet. Az EtherCAT használhatósága szempontjából fontos az is, hogy kezdettől fogva be lettek vonva mind az eszközgyártók, mind a végfelhasználók.

Hans Beckhoff, a Beckhoff Automation ügyvezető igazgatója és tulajdonosa kifejtette, hogy: „A terepibusz-memóriakezelő egység (Fieldbus Memory Management Unit) az EtherCAT egyik alapvető eleme, amellyel az adatok menet közben egy decentralizált memóriából kiolvashatók, illetve visszaírhatók” (Fotó: © Beckhoff)

Az EtherCAT tavaly ünnepelte a 20. évfordulóját, de ez messze nem jelenti azt, hogy megöregedett volna. Miért van az, hogy mindmáig ez a legnépszerűbb ipari kommunikációs rendszer?

Hans Beckhoff: Az elmúlt több mint 20 évben a technológia annyira meggyőzőnek bizonyult, hogy nem kellett az alapprotokollon semmit sem változtatnunk. Ez a sikerünk egyik kulcsa. Ezenfelül az EtherCAT-ben megvalósított elveket más alkalmazási szintekre is átültettük, például a vezérlőrendszerek közötti kommunikációra kifejlesztett EtherCAT automatizálási protokollba (EAP) is. 1 Gbit/s-os és 10 Gbit/s-os változatban egyaránt bevezettük az EtherCAT G elnevezésű rendszert, ami azt jelenti, hogy az igen gyors ütemben növekvő adatsebességek mellett is működik az EtherCAT protokoll.
Martin Rostan: Az EtherCAT egyik egyedülálló előnye éppen az, hogy magát a technológiát soha nem kellett megváltoztatni. A chipben megvalósított alapprotokoll mindig ugyanaz maradt, és mindig teljes mértékben visszafelé kompatibilis módon lett bővítve. Ugyanez vonatkozik az EtherCAT-en keresztül megvalósított biztonsági („Safety over EtherCAT”) protokollra is, ahol szintén biztosított a visszafelé kompatibilitás. Még 100 Mbit/s sebességű eszközök is integrálhatók és üzemeltethetők EtherCAT G hálózatokban. Mindez azt jelenti, hogy egy jelenlegi EtherCAT eszköz még egy 20 éves üzemben is működni fog, ami már önmagában elég ok arra, hogy sok felhasználó ezt a terepibusz-rendszert válassza. Egyúttal mindez azt is jelenti, hogy technológiánk a jövőben sem fog szűk keresztmetszetet képezni egy vezérlési architektúrában. A legtöbb alkalmazásnál ez 100 Mbit/s sebesség esetén továbbra is így lesz, az EtherCAT G azonban elegendő potenciállal rendelkezik ahhoz, hogy segítségével problémamentesen és technológiai törés nélkül lehessen megfelelni a következő 20 év összes élvonalbeli követelményének.
Johannes Beckhoff: Egyetértek Martinnal ezen a ponton: 100 Mbit/s elegendő a legtöbb gépkövetelmény megvalósításához, még 1 ms-nál rövidebb ciklusidők esetén is. Az EtherCAT G ezen túlmenően rendkívül nagy adatmennyiségek kezelésére épülő alkalmazások megvalósítását teszi lehetővé, mint amilyen például az XPlanar vagy a Vision rendszer, amelyekben ms-nál rövidebb ciklusidők alatt kell több kilobájtnyi adatot kezelni. Az EtherCAT G nélkül legfeljebb 20 panelt lennénk képesek kezelni, így nem tudnánk valóban nagy XPlanar szállítórendszereket felépíteni, Gbit/s-os adatsebességek mellett azonban több mint 100 panelt tartalmazó elrendezést is összeállítunk. Az elmondottak általánosan érvényesek az XTS lineáris szállítórendszerre is, amely 100 Mbit/s-os átvitel mellett is tökéletesen működik ugyan, de a hatékony EtherCAT protokoll nélkül életképtelen lenne. Mindennek oka abban rejlik, hogy az XTS esetében is több kilobájtnyi adatot kell igen rövid, 250 µs nagyságrendjébe eső ciklusidők alatt továbbítani, amire más kommunikációs rendszerek nem képesek, illetve csak bonyolult, decentralizált vezérlési architektúrával tudnak hasonló eredményeket elérni.
Hans Beckhoff: Pontosan a központosított vezérlési filozófiánknak köszönhetően lehet egyetlen processzoron kiszámítani egy teljes folyamat matematikai-fizikai modelljét. Lényegében ugyanúgy működik a rendszerünk, mint az emberi test, ahol a központi agyba futnak be a test legkülönfélébb részeiből az adatok a központi idegrendszeren keresztül. Az agy a szubrutinjainak megfelelően modulárisan strukturált, és hatékonyan megállapítja a szükséges mozdulatokat vagy bármilyen végrehajtandó reakciót. A mi automatizálási technológiánk ugyanezeken az elveken alapul, így az EtherCAT a gép központi idegrendszerének a megfelelője, amely a lehető legtöbb perifériás adatot juttatja el gyorsan a központi vezérlési modellhez. A Beckhoff mint automatizálási vállalat nagymértékben annak köszönheti sikerét, hogy pontosan az előbb taglaltakat követi – a PC-alapú technológia, az EtherCAT és a központosított vezérlési filózófia „műszaki hármasát”.

Johannes Beckhoff, a Beckhoff kutatás-fejlesztési részlegének munkatársa szerint: „Az EtherCAT segítségével az XTS és XPlanar intelligens szállítórendszerek központilag kezelhetők és programozhatók, lényegesen könnyebb és kényelmesebb kezelhetőséget biztosítva a felhasználóknak” (Fotó: © Beckhoff)

Milyen témák állnak az EtherCAT-fejlesztés középpontjában jelenleg és középtávon?

Hans Beckhoff: Ethernet-alapú rendszerként az EtherCAT és a hozzá kapcsolódó termékek továbbra is követni fogják a piacon megjelenő hardverrétegeket. Már napjainkban is számos Beckhoff-specifikus csatoló rendelkezik RJ45-ös, M8-as, továbbá műanyag és üvegszálas optikai csatlakozási lehetőséggel, a jövőben pedig további, a piacon meghatározó szerepet betöltő fizikai átvitel­technikai illesztőkkel fog bővülni a paletta. Másik komolyabb fejlesztésünk az egykábeles architektúra hátterét képező hibrid technológiánk megjelentetése volt, ez ösztönözte az EtherCAT P rendszer kifejlesztését, amelynek lényege, hogy az adat- és tápvezetékek egy szabványos, négyeres Ethernet-kábelen belül futnak. Ezzel összefüggésben kiemelendő, szintén különösen érdekes fejlesztésünk a B12-es, B17-es, B23-as és B40‑es méretben kínált, hibrid EtherCAT P csatlakozócsaládunk, amely be fog kerülni az egyik IEC-szabványba mint decentralizált automatizálási rendszerekbe ajánlott, kerek kivitelű csatlakozó. Kezdetben kommunikációs protokollként indítottuk útjára az EtherCAT-et, amihez az Ethernet által kínált teljes fizikai hátteret használtuk fel. Kifejlesztettük az automatizáláshoz szükséges elektromechanikai kiegészítő elemeket, azzal a célzattal, hogy a lehető legpraktikusabbá tegyük a rendszerünket. Ebben az összefüggésben az EtherCAT P egy újabb óriási előrelépést jelent, akárcsak a hozzá tartozó EtherCAT P-sorozatú csatlakozók.
Martin Rostan: Az automatizálásban egyre fontosabb új szempont a kiberbiztonság kérdése. Ezen a téren az EtherCAT számos előnnyel rendelkezik, mivel architektúrája és sajátos tulajdonságai eleve mindent biztosítanak egy rendszerben az ilyen jellegű kihívások kezeléséhez. Sőt, az EtherCAT mindezt új protokollverzió, hardvermódosítások vagy különleges intézkedések nélkül képes kezelni.

www.beckhoff.com/ethercat; www.ethercat.org

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Táblás utca 36-38. G épület 2. emelet
Tel.: + 36 1 501 99 40
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.beckhoff.com