Han pasado más de 20 años desde que comenzó la historia de EtherCAT, y sigue teniendo tanto éxito como siempre. De hecho, el sistema de comunicación desarrollado por Beckhoff y presentado por primera vez en la Hannover Messe de 2003 se ha consolidado sin duda como solución Ethernet en tiempo real de alto rendimiento en una amplia gama de aplicaciones, consolidando su posición en el mercado gracias a la continuidad y al desarrollo técnico, e incluso convirtiéndose en una norma IEC abierta. Aquí, Hans Beckhoff y Martin Rostan describen los aspectos más destacados de este apasionante periodo de la historia de la empresa, mientras que Johannes Beckhoff representa a la próxima generación de directivos centrándose en los requisitos para el futuro.
Fue en 1989 cuando Beckhoff presentó por primera vez su sistema de bus de alto rendimiento, conocido como Lightbus.
¿Cuáles fueron las razones para desarrollar el nuevo sistema de comunicación EtherCAT?
Hans Beckhoff: Beckhoff siempre ha sido conocida por sus sistemas de control de alto rendimiento y por la forma en que superamos continuamente los límites de rendimiento en el mundo de la automatización. Todo ello se basa en el principio de la tecnología de control basada en PC, que nos permite aprovechar todas las ventajas de un PC, especialmente su gran capacidad de cálculo, directamente en la máquina. En cuanto a la comunicación de datos, en 1989 presentamos una solución excelente: el Lightbus. A principios de la década de 2000, los PC ya disponían de interfaces Ethernet de serie, y los primeros procesadores con interfaces Ethernet integradas llegaban al mercado. Desarrollamos EtherCAT para poder utilizar este nuevo medio de tecnología de la información en máquinas, de acuerdo con nuestra filosofía de conectar el mundo de la informática con la automatización. En el proyecto aplicamos nuestra amplia experiencia, no solo con Lightbus, sino también con el resto de los buses de campo, como CANopen y PROFIBUS. Sin duda, eso contribuyó al éxito arrollador de EtherCAT.
Martin Rostan: Nuestro punto de partida fue el hecho de que Lightbus -y, de hecho, los demás buses de campo y las primeras tecnologías de Industrial Ethernet- ya no podían seguir el ritmo del aumento de rendimiento de los PC. En su momento, esto dio lugar a arquitecturas de control muy complicadas, ya que todas estaban descentralizadas. Por otro lado, la tecnología de control basada en PC parte principalmente de un enfoque de control centralizado y requiere sistemas de comunicación de alto rendimiento. EtherCAT salvó esta distancia y, al hacerlo, eliminó el antiguo cuello de botella
en la comunicación de datos, y sigue haciéndolo hoy, unos 20 años después.
Hans Beckhoff: En efecto: con Ethernet y la velocidad de transmisión de datos de 100 Mbit/s que conlleva, la tecnología de control consiguió multiplicar por diez la velocidad de transmisión. Las redes RS485 y CAN de la época funcionaban bien, pero eran limitadas en cuanto a ancho de banda y rendimiento.
¿Qué aspectos de Ethernet fueron especialmente importantes a la hora de implantar esta tecnología a escala industrial?
Hans Beckhoff: El protocolo Ethernet está diseñado para la transmisión de grandes volúmenes de datos y telegramas de datos largos, no para las pequeñas unidades de información habituales en el entorno de las máquinas, como valores de final de carrera de 1 bit o valores analógicos de 16 bits. Teniendo en cuenta esto, la tarea consistía en encontrar una síntesis entre la velocidad de transmisión de datos de 100 Mbit/s y el rango reducido de 1 a 16 bits habitual en el entorno de automatización, y esa fue precisamente la solución ideal que logramos con EtherCAT. No solo hemos reinventado por completo los principios técnicos necesarios para ello, sino que además los hemos integrado tanto en el protocolo EtherCAT como en el hardware EtherCAT.
Martin Rostan: Tomamos el principio básico del procesamiento de telegramas sobre la marcha del Lightbus y elevamos la comunicación de datos a un nivel completamente nuevo. También hicimos un uso constructivo de la nueva tecnología Ethernet, que desde entonces había llegado al ámbito de la tecnología de automatización, para sortear con elegancia el principal cuello de botella de Ethernet para la comunicación en tiempo real. A ello contribuyó en gran medida el alto nivel de eficacia del protocolo, es decir, la utilización de más del 90 % del ancho de banda disponible. También fue significativo que la complejidad del protocolo quedara completamente plasmada en el hardware, ya que esto simplificó considerablemente todo el proceso de implantación de EtherCAT para los fabricantes de dispositivos.
¿Cómo resumiría las ventajas fundamentales de EtherCAT?
Hans Beckhoff: En primer lugar, los buses de campo tradicionales basados en RS485 y CAN son lo que se conoce como buses party-line, que incluyen varios dispositivos en una única conexión. En consecuencia, el diagnóstico y la resolución de problemas de la red son mucho más complicados. Por este motivo, EtherCAT adoptó la conexión punto a punto de Ethernet para poder diagnosticar correctamente cada ruta de transmisión, lo cual resulta esencial. También decidimos muy pronto que nos bastaría con un telegrama Ethernet estándar y así podríamos prescindir de una tarjeta de comunicación especial en el maestro, lo que sigue siendo una gran ventaja de EtherCAT. Sin embargo, la ventaja clave es la eficacia del protocolo que ya hemos comentado, es decir, el hecho de que se puedan extraer o añadir datos al telegrama Ethernet de 64 a 1500
bytes sobre la marcha. Solo así se garantiza que el gran ancho de banda disponible pueda utilizarse en un solo telegrama de forma coherente y para las muchas pequeñas unidades de información de los numerosos dispositivos de automatización (más de 65 000 de ellos posibles en la misma red).
Martin Rostan: Este principio se traduce en otra ventaja: el sistema de control puede compilar perfectamente la imagen del proceso en el propio telegrama de datos, puesto que los nodos de la red pueden insertar o eliminar sus datos en cualquier punto. Esto permite prescindir de las operaciones con bits que requieren otros sistemas y que son difíciles de implementar a través de una tarjeta de interfaz. El maestro EtherCAT, por su parte, no afecta en absoluto al sistema de control, ya que se dispone de una imagen de proceso completamente preclasificada que puede procesarse directamente. Por lo tanto, EtherCAT no solo es muy rápido en términos de comunicación real, con tiempos de ciclo muy cortos, sino también en todos los pasos anteriores y posteriores del proceso.
Hans Beckhoff: Así es. Y este principio se basa en la función informática de la unidad de gestión de memoria, que hemos perfeccionado para convertirla en la unidad de gestión de memoria del bus de campo (FMMU) para este fin. La FMMU es una de las características esenciales de EtherCAT y permite tomar datos de una memoria descentralizada y escribirlos de nuevo en ella sobre la marcha, de modo que puede realizarse cualquier tipo de asignación entre los datos del dispositivo físico y los datos del telegrama activo. Además, también resulta muy fácil asignar las tareas individuales y los núcleos del procesador a través de la FMMU y definirlos con los niveles de tiempo correspondientes, como exige la tecnología de control moderna y basada en tareas. Otra característica central de EtherCAT se encuentra en los relojes distribuidos, que introducen una hora del sistema definida y sincronizada automáticamente para el sistema de comunicación. Esto es crucial, ya que los sistemas de control avanzados casi siempre se basan en franjas de tiempo y requieren puntos de muestreo sincronizados para los datos y las señales. En los buses de campo anteriores, todo este concepto de relojes distribuidos no existía.
¿Estas ventajas fundamentales de EtherCAT también se perciben así en el mercado?
Hans Beckhoff: Por supuesto. Todas estas ventajas se suman a una tecnología intrínsecamente lógica que los ingenieros de todo el mundo comprenden y aprecian rápidamente. Sin duda, este aspecto más bien emocional es también una de las razones por las que
Johannes Beckhoff: Aunque yo no participé en la primera etapa del desarrollo, no puedo estar más de acuerdo con todo lo que se ha dicho. Por su propia naturaleza, EtherCAT es un protocolo de alto rendimiento y, al mismo tiempo, sencillo y lógico. Sin siquiera entrar a analizar los otros sistemas, me pregunté desde el principio: ¿por qué vamos a utilizar otra cosa para Industrial Ethernet si EtherCAT es claramente la solución perfecta?
Martin Rostan: Sí, por aquel entonces incluso acuñamos la frase «EtherCAT es la elección de los ingenieros». Y eso lo resume bien: EtherCAT era -y sigue siendo- la tecnología más convincente en comparación con el resto, por lo que es fácil justificar su uso en términos tecnológicos.
¿Qué importancia tuvo para Beckhoff la presentación de EtherCAT en Hannover Messe en 2003 y cómo reaccionó el mercado?
Hans Beckhoff: Fue sin duda un acontecimiento singular para el equipo de desarrollo, con un núcleo de seis expertos, y todo el mundo estaba orgulloso de ello. Teníamos una enorme presentación mural de 4 metros de ancho para mostrar el principio con el máximo efecto, e incluso utilizamos osciloscopios para demostrar la capacidad en tiempo real. Todo estuvo increíblemente bien presentado de principio a fin, y los clientes se mostraron tan entusiastas como esperábamos. Incluso los representantes de las otras organizaciones de bus de campo y proveedores de sistemas de control quedaron impresionados, o al menos eso es lo que deduje de su silencio y sus caras de desconcierto.
Martin Rostan: Así es, aún recuerdo a un competidor que se marchó de nuestro estand sin siquiera saludarnos, con la boca abierta y la cara desencajada. Esa era la mejor confirmación. Todos los que entendieron cómo funcionaba se entusiasmaron de inmediato y confirmaron que EtherCAT es la mejor forma de utilizar Industrial Ethernet. Uno de los principales factores que contribuyeron al éxito de EtherCAT fue la divulgación del protocolo y la fundación del EtherCAT Technology Group (ETG) en la feria SPS de 2003.
¿Qué llevó a Beckhoff a elegir este momento para abrirse al mercado?
Hans Beckhoff: Sin duda, la fundación de ETG ha contribuido tanto a nuestro éxito como la tecnología sofisticada. El ETG fue creado por Martin y ahora es una organización independiente que ha puesto la tecnología EtherCAT en el mapa mundial. Sin ETG, EtherCAT probablemente habría seguido siendo una tecnología interesante con unos pocos seguidores, pero nunca habría alcanzado su actual aceptación generalizada como norma adoptada en todo el mundo.
Martin Rostan: Beckhoff siempre ha defendido la apertura y ha apoyado todas las tecnologías de bus de campo abiertas relevantes. En aquel momento, existían unos 20 sistemas de comunicación diferentes y variantes específicas de sectores, para los que Beckhoff contaba con todos los expertos necesarios. Esta experiencia se ha canalizado en ETG no solo tecnológicamente, sino también en lo que respecta a las ventajas e inconvenientes de las respectivas organizaciones usuarias. Una vez más, esto incluye el aspecto de la apertura, en el sentido de que los miembros del ETG valoran mucho el modo en que se gestiona el desarrollo de la tecnología EtherCAT: Beckhoff es el impulsor de la tecnología, pero siempre se tienen en cuenta los requisitos de todos los socios. Desde ese punto de vista, el principio de la organización abierta del bus de campo ha demostrado su eficacia. No en vano, el ETG se ha convertido en la mayor organización de bus de campo con diferencia, con más de 7000 miembros en 72 países, distribución en todo el mundo y más del 40 % de miembros en Asia. Hemos crecido hasta el punto de convertirnos en la mayor asociación americana de buses de campo, a pesar de que «solo» el 14 % de nuestros miembros procede de las Américas. El hecho de que tanto los fabricantes de dispositivos como los usuarios finales hayan participado desde el principio también ha favorecido la facilidad de uso de EtherCAT.
EtherCAT celebra ahora su 20 aniversario, pero no es en absoluto cosa del pasado. ¿Por qué sigue siendo el primer sistema de comunicación industrial?
Hans Beckhoff: En los últimos 20 años, la tecnología ha demostrado estar tan bien concebida que no hemos tenido que hacer ningún cambio en el protocolo básico. Esta es una de las claves de nuestro éxito. Además, hemos aplicado los principios de EtherCAT a otros niveles de aplicación, como el EtherCAT Automation Protocol (EAP) para la comunicación entre sistemas de control. Incluso hemos introducido la extensión EtherCAT G como variante de 1 Gbit/s y 10 Gbit/s, lo que significa que el protocolo EtherCAT también funciona a estas velocidades de rápido crecimiento.
Martin Rostan: De hecho, uno de los puntos fuertes de EtherCAT es que la tecnología en sí nunca ha tenido que modificarse. El protocolo básico contenido en el chip siempre ha sido el mismo y lo único que hemos hecho ha sido ampliarlo de forma totalmente compatible conversiones anteriores. Lo mismo se aplica a la Safety over EtherCAT, donde la compatibilidad con versiones anteriores también está garantizada a lo largo de todo el sistema. Incluso los dispositivos de 100 Mbit/s pueden integrarse y funcionar en redes EtherCAT G. Todo esto significa que un dispositivo EtherCAT actual seguirá funcionando en un sistema de 20 años de antigüedad, lo que en sí mismo es razón suficiente para que muchos usuarios elijan esta opción de bus de campo, y significa que nuestra tecnología no creará un cuello de botella en la arquitectura de control en el futuro. Para la mayoría de las aplicaciones esto seguirá siendo así con 100 Mbit/s; sin embargo, EtherCAT G ofrece potencial suficiente para satisfacer todos los requisitos de gama alta de los próximos 20 años sin ningún problema y sin ruptura tecnológica.
Johannes Beckhoff: Estoy de acuerdo con Martin: 100 Mbit/s son suficientes para satisfacer la mayoría de los requisitos de las máquinas, incluso para tiempos de ciclo inferiores a 1 ms. En ese caso, EtherCAT G puede utilizarse para implementar aplicaciones extremadamente intensivas en datos, como las aplicaciones XPlanar o Vision, con varios kbytes de datos en ciclos inferiores a 1 ms. Sin EtherCAT G, estaríamos limitados a un máximo de 20 baldosas, por lo que no podríamos desarrollar un sistema XPlanar realmente grande. Una velocidad de datos al nivel de Gbit/s ya permite más de 100 baldosas. En general, esto también se aplica al sistema de transporte lineal XTS, que funciona de forma excelente con una velocidad de transferencia de 100 Mbit/s, pero no sería imaginable sin el eficaz protocolo EtherCAT. La razón es que también exige transferir varios kbytes de datos con tiempos de ciclo muy cortos, de 250 µs. Otros sistemas de comunicación no pueden hacer esto y requieren una elaborada arquitectura de control descentralizada para sistemas comparables.
Hans Beckhoff: Y es precisamente nuestra filosofía de control centralizado la que permite calcular un modelo matemático-físico de todo el proceso en una CPU. En esencia, funciona de la misma manera que los humanos, donde el cerebro recibe todos los datos del cuerpo a través del sistema nervioso central. El cerebro está estructurado de forma modular en lo que respecta a sus subrutinas, y ejecuta eficazmente los movimientos deseados o cualquier acción que se requiera. Nuestra tecnología de automatización se basa en el mismo principio, por lo que EtherCAT equivale al sistema nervioso central de una máquina, que permite que la mayor cantidad posible de datos periféricos fluya rápidamente hacia el modelo de control central. El éxito de Beckhoff como proveedor de automatización se debe en gran medida a que perseguimos precisamente este enfoque: el «triángulo perfecto» de la tecnología de PC, EtherCAT y la filosofía de control centralizado.
¿En qué temas se centra el desarrollo de EtherCAT a corto y medio plazo?
Hans Beckhoff: Como sistema basado en Ethernet, EtherCAT y los productos EtherCAT continuarán siguiendo las capas de hardware disponibles en el mercado. Hoy en día ya está disponible una amplia gama de diseños de acopladores específicos de Beckhoff para RJ45, M8 y cables de plástico y fibra óptica, que en el futuro incluirá también otros tipos de transmisión física relevantes para el mercado. Otro gran paso adelante es la introducción de nuestra tecnología híbrida para la solución de un solo cable. Esto es lo que nos impulsó a desarrollar EtherCAT P, que integra datos y energía en un cable Ethernet estándar de 4 núcleos. Otro avance especialmente interesante en este contexto es nuestra serie de conectores híbridos EtherCAT P en los tamaños B12, B17, B23 y B40, que en el futuro se incluirán en una norma IEC como conectores circulares estándar para la automatización descentralizada. Inicialmente concebimos EtherCAT como protocolo de comunicación, y utilizamos la física de hardware completa que ofrece Ethernet. También hemos desarrollado los complementos electromecánicos necesarios para la automatización, con el fin de lograr un sistema lo más práctico posible. En este contexto, EtherCAT P representa un gran paso, al igual que la serie de conectores EtherCAT P.
Martin Rostan: Otro aspecto cada vez más importante en la automatización es el tema de la ciberseguridad. En este sentido, EtherCAT ofrece una serie de ventajas, ya que su arquitectura y propiedades específicas ya proporcionan todo lo necesario de forma inherente al sistema para hacer frente a estos retos. Es más, EtherCAT puede gestionar todo esto sin necesidad de una nueva versión del protocolo, cambios en el hardware ni medidas especiales.
