Door: Redactie - 16 juni 2023 |
Het is nu meer dan 20 jaar geleden dat het EtherCAT-verhaal begon, en het is nog steeds even succesvol. Het door Beckhoff ontwikkelde en op de Hannover Messe 2003 voor het eerst gepresenteerde communicatiesysteem heeft zich zeker bewezen als een high-performance real-time Ethernet-oplossing in een groot aantal toepassingen, en heeft dankzij continuïteit en technische ontwikkeling zijn plaats op de markt stevig veroverd en is zelfs een open IEC-norm geworden. Hier beschrijven Hans Beckhoff en Martin Rostan de opvallende aspecten van deze opwindende periode in de geschiedenis van het bedrijf, waarbij Johannes Beckhoff de volgende generatie management vertegenwoordigt door zich te richten op de vereisten voor de toekomst.
Hans: Beckhoff is altijd bekend geweest om zijn krachtige besturing en de manier waarop we voortdurend de prestatiegrenzen verleggen in de wereld van automatisering. Dit alles is gebaseerd op het principe van PC-based besturingstechnologie, waardoor we alle voordelen van een pc kunnen benutten, met name de grote rekenkracht, direct op de machine. In 1989 hebben we een uitstekende oplossing gevonden voor datacommunicatie in de vorm van de Lightbus. In het begin van de jaren 2000 hadden pc’s standaard Ethernet-interfaces en werden de eerste processoren met geïntegreerde Ethernet-interfaces op de markt gebracht. EtherCAT werd ontwikkeld om dit nieuwe medium voor informatietechnologie op de machine te kunnen gebruiken, in lijn met onze filosofie om de IT-wereld te verbinden met automatisering. Onze uitgebreide ervaring met niet alleen de Lightbus, maar ook met andere veldbussen zoals CANopen en PROFIBUS, is meegenomen in dit concept. Dit heeft zeker bijgedragen aan het overweldigende succes van EtherCAT.
Martin: Ons uitgangspunt was het feit dat Lightbus, evenals andere veldbussen en de eerste Industrial Ethernet-technologieën, de steeds toenemende prestaties van pc’s niet konden bijhouden. Dit resulteerde destijds in zeer complexe besturingsarchitecturen omdat ze allemaal gedecentraliseerd waren. PC-based control daarentegen is voornamelijk gebaseerd op een gecentraliseerde besturingsaanpak en vereist krachtige communicatietechnologie. EtherCAT overbrugde deze kloof en heeft het voormalige knelpunt in de datacommunicatie, dat destijds bestond, geëlimineerd. En het doet dit nog steeds, zelfs zo’n 20 jaar later.
Hans: Dat klopt. Met Ethernet en de bijbehorende datasnelheid van 100 Mbit/s zou de besturingstechnologie kunnen profiteren van een vertienvoudiging van de transmissiesnelheid. De toenmalige netwerken op basis van RS485 en CAN werkten goed, maar hadden beperkte bandbreedte en prestaties.
Hans: Het Ethernet-protocol is ontworpen voor de overdracht van grote hoeveelheden gegevens en lange datatelegrammen, niet voor de kleine informatie-eenheden die in de machineomgeving gebruikelijk zijn, zoals een 1-bit eindschakelaarwaarde of een 16-bit analoge waarde. Met dat in gedachten was het onze taak om een synthese te vinden tussen de 100 Mbit/s datasnelheid en het kleine bereik van 1 tot 16 bits dat in de automatiseringsomgeving wordt aangetroffen – en dat is precies de ideale oplossing die we met EtherCAT hebben bereikt. We hebben niet alleen de technische principes die hiervoor nodig zijn volledig opnieuw uitgevonden, maar ze ook geïntegreerd in zowel het EtherCAT-protocol als de EtherCAT-hardware.
Martin: We hebben het basisprincipe van telegramverwerking on the fly van de Lightbus overgenomen en de datacommunicatie naar een geheel nieuw niveau getild. We maakten ook op constructieve wijze gebruik van de nieuwe Ethernet-technologie, die inmiddels haar intrede had gedaan in de automatiseringstechnologie, om het grote knelpunt met Ethernet voor real-time communicatie op elegante wijze te omzeilen. Een belangrijke factor hierbij was de hoge mate van protocolefficiëntie, waarbij meer dan 90% van de beschikbare bandbreedte werd benut. Het was ook belangrijk dat de complexiteit van het protocol volledig in de hardware werd geïntegreerd, omdat dit het hele implementatieproces van EtherCAT aanzienlijk vereenvoudigde voor de apparaatfabrikanten.
Hans: Allereerst zijn de traditionele veldbussen op basis van RS485 en CAN zogenaamde party-line bussen, waarbij meerdere apparaten op één aansluiting zijn aangesloten. Hierdoor is netwerkdiagnose en probleemoplossing aanzienlijk ingewikkelder. EtherCAT heeft de point-to-point-verbinding van Ethernet overgenomen, waardoor elk transmissiepad goed kan worden gediagnosticeerd, wat een essentiële eigenschap is. We hebben ook al vrij vroeg besloten dat we met een standaard Ethernet-telegram konden werken, zonder een speciale communicatiekaart in de master, wat nog steeds een groot voordeel van EtherCAT is. Het belangrijkste voordeel is echter de eerder besproken protocolefficiëntie, waarbij gegevens uit het Ethernet-telegram van 64 tot 1500 bytes kunnen worden gehaald of eraan kunnen worden toegevoegd. Dit is de enige manier om ervoor te zorgen dat de hoge bandbreedte consequent en voor de vele kleine informatie-eenheden van de talrijke automatiseringsapparaten, waarvan er meer dan 65.000 in hetzelfde netwerk mogelijk zijn, in één telegram kan worden gebruikt.
Martin: Dit principe levert nog een ander voordeel op, namelijk dat de controller het procesbeeld al perfect kan samenstellen in het datatelegram, aangezien de netwerkknooppunten op elk moment hun gegevens kunnen invoegen of verwijderen. Hierdoor zijn de bitbewerkingen die in andere systemen via een interfacekaart complex zijn, niet meer nodig. De EtherCAT-master heeft geen invloed op de besturing, aangezien er een volledig gesorteerd procesbeeld beschikbaar is dat direct kan worden verwerkt. EtherCAT is daarom niet alleen zeer snel in termen van feitelijke communicatie met zeer korte cyclustijden, maar ook in alle upstream- en downstream-processtappen.
Hans: Dat klopt. En dit principe is gebaseerd op de IT-functie van de Memory Management Unit, die we speciaal voor dit doel hebben ontwikkeld tot de Fieldbus Memory Management Unit (FMMU). De FMMU is een van de essentiële kenmerken van EtherCAT en maakt het mogelijk gegevens uit een gedecentraliseerd geheugen te halen en er weer naar terug te schrijven, zodat elke soort mapping kan plaatsvinden tussen de gegevens in het fysieke apparaat en de gegevens in het actieve telegram. Bovendien kunnen afzonderlijke taken en processorkernen via de FMMU ook zeer goed worden toegewezen en met overeenkomstige tijdniveaus worden gedefinieerd, wat ideaal is voor moderne en taakgerichte besturingstechnologie. Een ander belangrijk kenmerk van EtherCAT zijn de distributed clocks, waarmee een gedefinieerde en automatisch gesynchroniseerde systeemtijd voor het communicatiesysteem werd geïntroduceerd. Dit is van cruciaal belang omdat geavanceerde besturingsconcepten bijna altijd gebaseerd zijn op timeslicing en gesynchroniseerde sampling points vereisen voor gegevens en signalen. Dit hele concept van distributed clocks bestond eenvoudigweg niet in eerdere veldbussen.
Hans: Absoluut. Al deze voordelen maken het tot een technologie die logisch en snel begrepen wordt en wereldwijd geliefd is bij ingenieurs. Dit emotionele aspect is zeker ook een van de redenen waarom EtherCAT wereldwijd zo sterk gevestigd is.
Johannes: Daar ben ik het volledig mee eens, ook al was ik zelf niet betrokken bij de vroege ontwikkeling. EtherCAT is van nature een krachtig en tegelijkertijd eenvoudig en logisch protocol. Zelfs zonder naar andere systemen te kijken, vroeg ik me vanaf het begin af: Waarom zouden we iets anders gebruiken voor Industrial Ethernet als EtherCAT overduidelijk de optimale oplossing is?
Martin: Ja, destijds hebben we zelfs de uitdrukking “EtherCAT is the choice of the engineer” bedacht! En dat vat het goed samen: EtherCAT was en is nog steeds de meest overtuigende technologie, dus het gebruik ervan is gemakkelijk te rechtvaardigen op technologisch gebied.
Hans: Dit was zeker een bijzonder moment voor het ontwikkelingsteam, bestaande uit een kerngroep van zes experts, en iedereen was er trots op. We hadden een grote presentatiemuur van 4 meter breed opgezet tijdens het evenement om het principe optimaal te kunnen demonstreren, en we gebruikten zelfs oscilloscopen om de real-time mogelijkheden te laten zien. Alles werd van begin tot eind op een ongelooflijk goede manier gepresenteerd, en de klanten waren net zo enthousiast als we hadden gehoopt. Zelfs vertegenwoordigers van andere veldbusorganisaties en besturingsleveranciers leken onder de indruk, althans dat leidde ik af uit de verbijsterde stilte en enkele verbleekte gezichten op dat moment!
Martin: Dat klopt, ik herinner me nog dat een concurrent onze stand verliet zonder zelfs maar gedag te zeggen, met open mond en een bleek gezicht. Dat was het bewijs dat we nodig hadden. Iedereen die begreep hoe het allemaal werkte, was direct enthousiast en bevestigde dat EtherCAT de beste manier is om Industrial Ethernet te gebruiken.
Hans: Zonder twijfel heeft de oprichting van de ETG net zoveel bijgedragen aan ons succes als de geavanceerde technologie zelf. Martin heeft de ETG opgebouwd en het is nu een onafhankelijke organisatie die wereldwijd de EtherCAT-technologie op de kaart heeft gezet. Zonder de ETG zou EtherCAT waarschijnlijk een opwindende technologie zijn gebleven met slechts een paar volgers, maar het zou nooit de huidige wereldwijde bekendheid en acceptatie als standaard hebben bereikt.
Martin: Beckhoff heeft altijd gestreefd naar openheid en heeft alle relevante open veldbustechnologieën ondersteund. Op dat moment waren er ongeveer 20 verschillende communicatiesystemen en branchespecifieke varianten waarvoor Beckhoff experts had. Deze ervaring is in de ETG opgenomen, niet alleen op technologisch vlak, maar ook wat betreft de voor- en nadelen van de respectievelijke gebruikersorganisaties. Hier speelt het aspect van openheid een rol: de ETG-leden waarderen hoe de ontwikkeling van de EtherCAT-technologie wordt gestuurd – Beckhoff fungeert als technologische drijvende kracht, maar er wordt consequent rekening gehouden met de eisen van alle partners. Het principe van de open veldbusorganisatie heeft hier duidelijk zijn waarde bewezen. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de ETG nu veruit de grootste veldbusorganisatie is geworden, met meer dan 7000 leden uit 72 landen, wereldwijde verspreiding en meer dan 40% van de leden uit Azië. We zijn zo gegroeid dat de “slechts 14%” van onze leden uit Amerika ons de grootste Amerikaanse veldbusvereniging maakt. Met het oog op de bruikbaarheid van EtherCAT is het ook belangrijk dat zowel de fabrikanten van apparaten als de eindgebruikers vanaf het begin betrokken waren.
Hans: In de afgelopen 20 jaar hebben we gezien dat de EtherCAT-technologie zo solide is dat we het basisprotocol niet hoefden te wijzigen. Dit is een fundamenteel aspect van ons succes. Bovendien hebben we de EtherCAT-principes toegepast op andere toepassingsniveaus, zoals het EtherCAT Automation Protocol (EAP) voor control-to-control communicatie. We hebben zelfs de EtherCAT G-uitbreiding geïntroduceerd als een variant met 1 Gbit/s en 10 Gbit/s, wat betekent dat het EtherCAT-protocol ook werkt op deze snel toenemende snelheden.
Martin: Het is eigenlijk een van de unique selling points van EtherCAT dat de technologie zelf nooit hoeft te worden veranderd. Het basisprotocol in de chip is altijd hetzelfde gebleven en is alleen volledig achterwaarts compatibel uitgebreid. Hetzelfde geldt voor Safety over EtherCAT, waar ook achterwaartse compatibiliteit altijd gewaarborgd is. Zelfs apparaten met een snelheid van 100 Mbit/s kunnen nog steeds worden geïntegreerd en gebruikt in EtherCAT G-netwerken. Dit betekent dat een huidig EtherCAT-apparaat nog steeds kan functioneren in een installatie van 20 jaar oud, wat op zichzelf al reden genoeg is voor veel gebruikers om voor deze veldbusoptie te kiezen. Dit betekent ook dat onze technologie in de toekomst geen belemmering zal vormen voor besturingsarchitecturen. Voor de meeste toepassingen zal 100 Mbit/s voldoende zijn, maar EtherCAT G biedt voldoende potentieel om zonder problemen en zonder technologiebreuk te voldoen aan alle high-end eisen van de komende 20 jaar.
Johannes: Ik ben het eens met Martin. Voor de meeste machinevereisten is 100 Mbit/s voldoende, zelfs voor cyclustijden kleiner dan 1 ms. EtherCAT G kan worden gebruikt voor extreem datageïntensiveerde toepassingen, zoals XPlanar- of Vision-toepassingen, waarbij meerdere kilobytes aan gegevens worden uitgewisseld in een sub-ms-cyclus. Zonder EtherCAT G zouden we beperkt zijn tot misschien 20 tegels voor een groot XPlanar-systeem. Met een datasnelheid van Gbit/s kunnen we nu meer dan 100 tegels ondersteunen. Dit geldt ook voor het lineaire transportsysteem XTS, dat uitstekend functioneert met een overdrachtssnelheid van 100 Mbit/s, maar zonder het efficiënte EtherCAT-protocol zou het systeem niet mogelijk zijn. Hier moeten meerdere kilobytes aan gegevens worden uitgewisseld met zeer korte cyclustijden van 250 µs. Andere communicatiesystemen kunnen dit niet en vereisen een uitgebreide gedecentraliseerde besturingsarchitectuur voor vergelijkbare systemen.
Hans: En juist onze centrale besturingsfilosofie maakt het mogelijk om een mathematisch-fysisch model van het hele proces op één CPU te berekenen. Het werkt in wezen op dezelfde manier als de mens, waarvan de centrale hersenen alle gegevens van het lichaam ontvangen via het centrale zenuwstelsel. De hersenen zijn modulair opgebouwd wat betreft hun subroutines, en werken effectief de gewenste bewegingen of welke actie dan ook uit. Onze automatiseringstechnologie is gebaseerd op hetzelfde principe, en dus komt EtherCAT overeen met het centrale zenuwstelsel van een machine dat ervoor zorgt dat zoveel mogelijk perifere gegevens snel in het centrale besturingsmodel terechtkomen. Het succes van Beckhoff als automatiseringsleverancier is grotendeels te danken aan het feit dat wij precies deze aanpak volgen – de “technologische trifecta” van PC-technologie, EtherCAT en centrale besturingsfilosofie.
Hans: Als op Ethernet gebaseerd systeem zal EtherCAT, samen met de EtherCAT-producten, de beschikbare hardwarelagen op de markt blijven volgen. Op dit moment zijn er al diverse Beckhoff-specifieke aansluitontwerpen beschikbaar, zoals RJ45, M8 en kunststof- en glasvezelkabels. In de toekomst zullen we ons assortiment uitbreiden met andere fysieke transmissietypen die relevant zijn voor de markt. Een andere belangrijke ontwikkelingsstap is de introductie van onze hybride technologie voor de één-kabel-oplossing. Daarom hebben we EtherCAT P ontwikkeld, waarmee data en stroom worden geïntegreerd in een standaard 4-aderige ethernetkabel. Een bijzonder spannende ontwikkeling in dit opzicht is onze serie EtherCAT P hybride connectoren, beschikbaar in de maten B12, B17, B23 en B40. Deze connectoren zullen in de toekomst worden opgenomen als standaard ronde connectoren voor decentrale automatisering volgens de IEC-norm. In eerste instantie zijn we begonnen met EtherCAT als communicatieprotocol en hebben we de elektromechanische toevoegingen ontwikkeld die nodig zijn om het systeem zo praktisch mogelijk te maken. In dit verband vormt EtherCAT P een enorme stap, samen met de serie EtherCAT P-connectoren.
Martin: Een ander aspect dat steeds belangrijker wordt in de automatisering is cyberveiligheid. EtherCAT biedt hier een aantal voordelen, aangezien de architectuur en specifieke eigenschappen van EtherCAT al inherent zijn aan het systeem om deze uitdagingen aan te gaan. Bovendien kan EtherCAT dit alles aan zonder dat er een nieuwe protocolversie, hardwarewijzigingen of speciale maatregelen nodig zijn.
Hans Beckhoff is afgestudeerd in natuurkunde en directeur en eigenaar van Beckhoff Automation. Hij richtte het bedrijf in 1980 op in Verl, Oost-Westfalen, en ontwikkelde een filosofie van PC-based besturingstechnologie die de basis heeft gelegd voor het economische en technologische succes dat sindsdien is bereikt.
Johannes Beckhoff is de zoon van Hans en kwam in 2019 bij Beckhoff Automation werken. De afgestudeerde fysicus (MSc) houdt zich bezig met fundamenteel onderzoek en ontwikkelingsprocessen en geeft nu al mede vorm aan de technologische toekomst van PC-based control.
Martin Rostan is afgestudeerd ingenieur en Senior VP of Technology Marketing bij Beckhoff en tevens Executive Director van de EtherCAT Technology Group (ETG) in Neurenberg. Hij werkt al 25 jaar bij Beckhoff Automation en begon in 1998 als de eerste productmanager van het bedrijf voor veldbusproducten.
EtherCAT dankt zijn wereldwijde succes als Industrial Ethernet-systeem aan twee belangrijke factoren: de eersteklas, uitstekende technologie en het openbaar maken binnen het kader van de EtherCAT Technology Group. Met betrekking tot de hoge acceptatie van EtherCAT onder zowel chipleveranciers, apparatuurfabrikanten als gebruikers spreken de volgende cijfers van ETG voor zich:
Dit interview is uitgevoerd door Stefan Ziegler, redactie PR, Beckhoff Automatisering
IndustrieVandaag is een onafhankelijk platform met het laatste nieuws van vandaag over de procesindustrie, industrial processing, productie industrie, maakindustrie en elektronica industrie.
Neem contact met ons op:
Tel +31 (0)23 737 07 63
Email via contactpagina
