【儀表網(wǎng) 儀表科普】在總線型替代的浪潮下，各大自動化廠商紛紛推出自己的總線型運(yùn)控產(chǎn)品，而在種類繁多的總線型通訊中，EtherCAT表現(xiàn)得尤為亮眼。根據(jù)MIR 睿工業(yè)統(tǒng)計(jì)，截至2021年中國總線型運(yùn)動控制器市場規(guī)模超過60億，占總體運(yùn)動控制器市場比例超過七成。其中，EtherCAT總線型運(yùn)動控制器市場規(guī)模超過40億，占總線型運(yùn)動控制器市場的比例超過六成?？梢哉fEtherCAT已經(jīng)走向自動化通訊協(xié)議的C位了。
 

　　01 “匠心級“產(chǎn)品
 

　　2003年德國漢諾威工業(yè)博覽會，一家以做運(yùn)動控制器出名的企業(yè)展臺前人頭攢動，展出的產(chǎn)品是一種全新的工業(yè)通訊協(xié)議。
 

　　幾乎整個(gè)從事自動化行業(yè)相關(guān)的參會者都訪問過這家的展位并為此感到震驚，有人直接斷言這是一種具有前瞻性的高端技術(shù)，是前沿控制理念的新生代產(chǎn)物。
 

　　這家公司就是德國倍福自動化有限公司(Beckhoff)，而這個(gè)被譽(yù)為具有前瞻性的高端技術(shù)叫做EtherCAT(用于控制自動化技術(shù)的以太網(wǎng))。
 

　　后來的故事一如第一次見到EtherCAT的人們預(yù)料的那樣，這種可以稱得上是“革命性”的工業(yè)通訊協(xié)議，憑借其應(yīng)用的多樣性，開放性、高效率，在包括包裝機(jī)、全鋼工廠、機(jī)器人、切割系統(tǒng)、風(fēng)洞和風(fēng)能系統(tǒng)等應(yīng)用程序中得以廣泛使用。
 

(圖示：一些主流的工業(yè)通訊協(xié)議)
 

　　即便在其誕生的10年之后，EtherCAT 的通信速度仍比最快的 CPU的運(yùn)行速度還快，并且2003 年使用 EtherCAT 的控制器到了 2013 年仍然可以在自動化設(shè)備上兼容使用– 從某種意義上講，它已經(jīng)打破摩爾定律 10 年有余(雖然應(yīng)用的領(lǐng)域稍有差別)。這也就是說，單一版本的EtherCAT，即第一個(gè)版本的 EtherCAT 就已足夠支撐現(xiàn)今大部分的工業(yè)場景，后來所有添加的東西都只是擴(kuò)展，而非改型，真可謂叫“匠心級”產(chǎn)品，相比于今天某些企業(yè)吹的什么“現(xiàn)象級”產(chǎn)品，水平不知道高到哪里去了。
 

　　作為一種基于以太網(wǎng)為開發(fā)構(gòu)架的實(shí)時(shí)工業(yè)現(xiàn)場總線通訊協(xié)議，EtherCAT簡單來說就是在一個(gè)特定班級里，豎排坐的一隊(duì)學(xué)生，老師把帶著所有人名字的試卷(可以是不同的科目)交給第一位同學(xué)，然后從前往后傳，第一個(gè)同學(xué)只拿自己名字的試卷，第二名同學(xué)也只拿自己的試卷，以此類推。并且老師還能在一定時(shí)間內(nèi)去收回問卷并進(jìn)行批改分析然后反饋給特定學(xué)生。發(fā)試卷的老師即為主站，同學(xué)就是從站，而試卷也就是主站傳達(dá)的數(shù)據(jù)內(nèi)容了。
 

(圖示：傳統(tǒng)工控體系結(jié)構(gòu)與新工控體系結(jié)構(gòu)區(qū)別)
 

　　得益于總線型對于脈沖型運(yùn)控產(chǎn)品的替代大潮，EtherCAT從自動化市場嶄露頭角。從性能角度來講，EtherCAT在眾多總線型控制協(xié)議中脫穎而出，主要依靠以下三點(diǎn)：
 

　　EtherCAT 通信速度非?？臁Ｋ秒p絞線或光纜在 100μs 內(nèi)處理 30μs 或 100 個(gè)軸上的 1000 個(gè)分布式 I / O 信號，為實(shí)時(shí)性能設(shè)置了新的限制。這種高速度使得EtherCAT 非常適合自動化，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)以及其他需要實(shí)時(shí)優(yōu)化的應(yīng)用。
 

　　這是一個(gè)廣泛采用的開放標(biāo)準(zhǔn)。越來越多的設(shè)備正在通過現(xiàn)場總線或無線連接。并且由于數(shù)據(jù)使用與以太網(wǎng)相同的格式，因此可以直接連接到以太網(wǎng)。不需要特定的路由器或交換機(jī)。這意味著用戶可以通過效率更高的方式使用 EtherCAT-IP 在同一接口上進(jìn)行多種產(chǎn)品的選擇。
 

　　它自身構(gòu)建的可持續(xù)性。使用成熟的以太網(wǎng)電纜，EtherCAT 通訊協(xié)議可以在較為極端的條件下進(jìn)行持續(xù)作業(yè)，比如EtherCAT 端子可以在-25°C 至+ 60°C的溫度范圍內(nèi)連續(xù)工作(Trinamic 的 EtherCAT 運(yùn)動控制器甚至可以滿足-40°C至 125°C 的汽車級溫度規(guī)格)。
 

(圖示：部分總線型通訊協(xié)議)
 

　　這也就不奇怪為什么在如今的自動化市場，搭載EtherCAT總線型通訊的運(yùn)控產(chǎn)品能夠在半導(dǎo)體、光伏、鋰電等領(lǐng)域的設(shè)備上具有很廣泛的應(yīng)用。
 

　　根據(jù)MIR 睿工業(yè)統(tǒng)計(jì)，截至2021年中國總線型運(yùn)動控制器市場規(guī)模超過60億，占總體運(yùn)動控制器市場比例超過七成。其中，EtherCAT總線型運(yùn)動控制器市場規(guī)模超過40億，占總線型運(yùn)動控制器市場的比例超過六成?？梢哉fEtherCAT已經(jīng)走向運(yùn)控通訊協(xié)議的C位了。
 

　　02 外資、內(nèi)資眼里的“香餑餑”
 

　　在中國自動化市場中，尤其是在通用交流伺服產(chǎn)品線上，總線型通訊成為了顯學(xué)。各個(gè)伺服廠家都各自推出自己專用的總線協(xié)議(安川電機(jī) Mechatrolink、松下RTEX、三菱 CC-Link等等)。這股總線風(fēng)潮由歐美廠商刮起，又由日系廠商發(fā)揚(yáng)光大，并且在EtherCAT總線型通訊的應(yīng)用上，外資、內(nèi)資似乎歷史性地達(dá)成了一種默契。
 

　　歐美系廠商以倍福為代表，其PC-based運(yùn)動控制器產(chǎn)品在中國市場份額占比第一，相應(yīng)的在通訊協(xié)議的選擇上當(dāng)然要以自家的EtherCAT為主，并且倍福在中國一直在搞EtherCAT通信協(xié)議的推廣活動，在倍福的大力推廣下，EtherCAT也被國內(nèi)大多數(shù)PC-based運(yùn)動控制器廠商所接受。
 

　　可能是對于同是德國的老鄉(xiāng)倍福的一種競爭心態(tài)，電氣巨頭西門子自己也推出了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)叫做Profinet。Profinet與EtherCAT區(qū)別在于EtherCAT是倍福最開始研究的，然后整個(gè)歐洲用的這個(gè)技術(shù)成立了一個(gè)聯(lián)合。把這個(gè)技術(shù)推出來以后，靠著這個(gè)底層的芯片和底層芯片的授權(quán)控制市場，然后把EtherCAT的生態(tài)做起來，因而整個(gè)EtherCAT系統(tǒng)更豐富。而Profinet是西門子自己建立的生態(tài)，盡管一直以來西門子也在竭盡所能地推自己的Profinet，想“出圈”，但目前兩者之間的關(guān)系有點(diǎn)像智能手機(jī)行業(yè)中的安卓系統(tǒng)和蘋果系統(tǒng)。
 

　　日系廠商歐姆龍2012 年開始推廣 EtherCAT 總線伺服，主推在如鋰電、包裝這樣的高端市場(傳統(tǒng)的脈沖伺服針對高精度定位控制滿足不了，低端市場也不需要像總線伺服那么高的性能)。尤其在鋰電行業(yè)，歐姆龍的存在感特別強(qiáng)，2021年其PLC產(chǎn)品在鋰電行業(yè)的份額較領(lǐng)先。一般來說，在一條鋰電產(chǎn)線上出于統(tǒng)一性和兼容性的角度考量，總線EtherCAT的協(xié)議會比較受到青睞。當(dāng)下，國產(chǎn)伺服廠商的運(yùn)動控制型PLC產(chǎn)品也大多選用EtherCAT作為其總線協(xié)議的主力選擇。
 

　　未來，鋰電設(shè)備將朝著多工藝一體機(jī)及多工位設(shè)備的方向發(fā)展，設(shè)備搭載伺服軸數(shù)也將會同步增多，總線型的伺服產(chǎn)品將是大勢所趨，這進(jìn)一步導(dǎo)致鋰電池設(shè)備行業(yè)的總線型伺服市場份額將進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，隨著國產(chǎn)伺服的應(yīng)用發(fā)展，EtherCAT協(xié)議伺服產(chǎn)品也將得到進(jìn)一步發(fā)展。
 

　　日系的另一位玩家松下也認(rèn)為總線通訊是伺服產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，市場占有率會越來越多。作為老牌大廠，松下也有自己專用的總線協(xié)議RTEX。
 

　　盡管自己的RTEX也很香，但 EtherCAT通訊速度快，配線方便，沒有干擾等特點(diǎn)，會使設(shè)備的加工效率更快，也提高設(shè)備利潤，所以客戶接受度很高。一般都是客戶自己要求EtherCAT 通訊方式的伺服，用倍福IPC+軟PLC，或者歐姆龍的PLC來搭配使用。即便在2019年的時(shí)候松下EtherCAT 總線伺服價(jià)格會比傳統(tǒng)伺服貴 8-10%，這一未來大方向也沒有改變。
 

　　在過去的幾年中，安川電機(jī)相對于其它日系廠商來說內(nèi)心比較糾結(jié)，一方面認(rèn)可總線通訊的發(fā)展，而且也在總線里主推Mechatrolink產(chǎn)品(MetroLink- III是Yaskawa與2007年開發(fā)的基于EtherCAT物理層的運(yùn)動控制現(xiàn)場總線協(xié)議。目前已研發(fā)到MetroLink-4，未來將在Σ-10上應(yīng)用)；另一方面，因?yàn)樵阡囯姟㈦娮拥刃袠I(yè)很多上位控制使用的是EtherCAT協(xié)議，使得安川電機(jī)在這些領(lǐng)域里支持EtherCAT 總線的產(chǎn)品比較多，并且得益于鋰電、電子等市場需求的提升，2021年安川電機(jī)EtherCAT 總線產(chǎn)品的銷售額有些許上漲。
 

　　其實(shí)這種糾結(jié)的心態(tài)是受安川電機(jī)本身銷售策略(推自家的總線協(xié)議)的影響，導(dǎo)致總體上來講EtherCAT產(chǎn)品很少。像前些年，安川電機(jī)在中國區(qū)內(nèi)主推M2和 M3 總線，沒有應(yīng)用 EtherCAT協(xié)議，而當(dāng)時(shí)國內(nèi)很多數(shù)控系統(tǒng)以及伺服電機(jī)廠家已經(jīng)安裝了安川電機(jī) M2 和 M3總線產(chǎn)品。
 

　　國產(chǎn)廠商中匯川伺服產(chǎn)品應(yīng)用EtherCAT也比較多，尤其鋰電行業(yè)EtherCAT的應(yīng)用比例占了絕對數(shù)額。這一點(diǎn)除了鋰電行業(yè)本身將EtherCAT作為主流的通訊協(xié)議以外，也和匯川在鋰電行業(yè)將歐姆龍作為主要的對標(biāo)競爭友商有關(guān)。在業(yè)內(nèi)，匯川伺服配套歐姆龍的PLC(歐姆龍的運(yùn)動控制型PLC使用EtherCAT作為其通訊協(xié)議)方案，此方案被打造成行業(yè)典型標(biāo)桿，這就直接決定了伺服的通訊協(xié)議選型。
 

　　另一家國產(chǎn)廠商禾川總線型通訊協(xié)議也以EtherCAT為主，在機(jī)器人行業(yè)也會使用到部分的CANopen總線協(xié)議,X6和Y7會涉及到西門子的Profinet或者安川電機(jī)的Mechatrolink通訊協(xié)議。
 

　　從伺服產(chǎn)品開發(fā)的角度看，禾川在X3E這一主要的伺服系列主要使用Ethercat作為其通訊協(xié)議。另外, 原本對于新近開發(fā)的X6與Y7這兩款產(chǎn)品的通訊協(xié)議規(guī)劃是X6主打EtherCAT支持Profinet高性能產(chǎn)品，Y7是主打EtherCAT支持Mechatrolink協(xié)議的產(chǎn)品。但因?yàn)閄6受整個(gè)行業(yè)普遍缺芯影響，生產(chǎn)和供應(yīng)都造成了一定的困難，因此禾川加緊了對Y7產(chǎn)品EtherCAT通訊模式的研發(fā)測試，并且于2022年4月開始批量銷售。
 

　　未來隨著EtherCAT總線適用性越來越廣，EtherCAT總線型產(chǎn)品銷售占比會逐漸提高，禾川也會加強(qiáng)對于EtherCAT總線型的推廣。
 

　　*一些廠商如雷賽、廣州數(shù)控、研華等廠商使用EtherCAT通訊協(xié)議的運(yùn)動控制器產(chǎn)品也較多，像是雷賽、研華的PC-based產(chǎn)品，廣州數(shù)控的專用控制器產(chǎn)品。由于篇幅有限本文將不再做詳細(xì)論述。
 

　　03 EtherCAT如何站穩(wěn)C位
 

　　當(dāng)下的自動化市場，尤其是伺服產(chǎn)品線，總線型協(xié)議將逐步替代脈沖型協(xié)議。而在一些伺服下游應(yīng)用行業(yè)中，兼顧“總線型”和“以太網(wǎng)”兩大特色的EtherCAT協(xié)議正逐漸占據(jù)市場主流地位。
 

　　2021年，電子制造設(shè)備行業(yè)市場的總線型產(chǎn)品業(yè)績占據(jù)過半的市場份額，其中總線型的伺服產(chǎn)品主要又以EtherCAT協(xié)議為主，像外資的松下和國產(chǎn)的匯川、禾川等廠商在電子制造設(shè)備行業(yè)中提供總線產(chǎn)品時(shí)更傾向于提供EtherCAT伺服產(chǎn)品，這主要是由于電子制造設(shè)備行業(yè)許多是需要基于客戶需求再開發(fā)的非標(biāo)定制產(chǎn)品，特別是在視覺相關(guān)，有較多選擇PC-based作為其上位控制器，許多國產(chǎn)PC-based廠商如雷賽等，主推EtherCAT通訊的產(chǎn)品，因此EtherCAT的伺服與其更加適配。
 

　　近兩年，新興的光伏市場的總線型產(chǎn)品也占據(jù)了大部分的市場份額，其中總線型的伺服產(chǎn)品也主要以EtherCAT協(xié)議為主，像匯川、禾川等國產(chǎn)廠商在光伏行業(yè)中提供總線產(chǎn)品時(shí)更傾向于提供EtherCAT伺服產(chǎn)品，這主要原因在于光伏行業(yè)更多應(yīng)用的是歐姆龍或倍福的PLC產(chǎn)品，因此應(yīng)用EtherCAT的伺服與其更加適配。
 

　　2021年，鋰電池制造設(shè)備市場的總線型產(chǎn)品幾乎占據(jù)了該市場的全部份額，這一方面與鋰電行業(yè)設(shè)備的特性和國產(chǎn)伺服產(chǎn)品的慢慢崛起有關(guān)，這兩點(diǎn)我們在上文分析歐姆龍和匯川應(yīng)用EtherCAT通訊協(xié)議的情況時(shí)已經(jīng)說的較為詳細(xì)，這里不再贅述。
 

　　2021年，半導(dǎo)體市場的總線型產(chǎn)品的市場份額占比過半，其中主要以EtherCAT協(xié)議為主。這種行業(yè)現(xiàn)狀：
 

　　一是與供應(yīng)商的市場份額相關(guān)，2021年松下的伺服產(chǎn)品在半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)中占有相當(dāng)大的份額，而松下的伺服產(chǎn)品主要支持EtherCAT通訊；
 

　　二是因?yàn)樽鳛楸粐H半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會SEMI所支持的EtherCAT通訊協(xié)議，能夠擁有更好的開放性，有利于不同廠家設(shè)備進(jìn)行配合通信；
 

　　三是因?yàn)橛捎诎雽?dǎo)體行業(yè)對設(shè)備的控制精度要求很高，PC-based在半導(dǎo)體設(shè)備中的應(yīng)用逐漸增多，并逐漸替代了一部分PLC應(yīng)用，因此通訊協(xié)議上也偏向于更開放的EtherCAT協(xié)議。
 

　　04 EtherCAT—玩的是生態(tài)
 

　　總的來說，近幾年來，EtherCAT在自動化行業(yè)逐漸站穩(wěn)了通訊協(xié)議中的C位是大勢所趨也是自身優(yōu)越的性能所致。EtherCAT起源于傳統(tǒng)工業(yè)強(qiáng)國的德國，靠著把整個(gè)歐洲聯(lián)合起來培育成一個(gè)生態(tài)圈，逐漸在工業(yè)自動化領(lǐng)域站穩(wěn)了腳跟。
 

　　無論是倍福的EtherCAT還是西門子推出的Profinet，其實(shí)它們在整個(gè)工業(yè)自動化市場能夠獲得如此廣泛的應(yīng)用其實(shí)有一個(gè)共同的邏輯：西門子是在中國PLC整體市場占住了頭部位置，倍福在中國PC—based運(yùn)動控制器市場也是處于第一位置。你在控制器方面是老大，就意味著你把握住了自動化產(chǎn)品線中的上位產(chǎn)品，基于此你在自動化領(lǐng)域往往就可以指定很多標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，像西門子制定的現(xiàn)場總線PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)、MindSphere World全球用戶組織等，前者助其建立“朋友圈”，后者營造了最優(yōu)的生態(tài)圈。
 

　　所謂得標(biāo)準(zhǔn)者得天下，倍福、西門子等作為生態(tài)建立者站在“生態(tài)鏈”的最頂端，下游設(shè)備廠商產(chǎn)品用的生態(tài)十有八九都是他們的標(biāo)準(zhǔn)，比如倍福認(rèn)可并使用EtherCAT，加上一波大力推廣，那下游的一眾廠商(尤其是選擇使用PC-based運(yùn)動控制器產(chǎn)品的廠商)就必須得使用EtherCAT，以達(dá)到適配。這樣一來，搭載EtherCAT通訊協(xié)議的自動化產(chǎn)品就能很順利地進(jìn)入到供應(yīng)鏈下游的廣闊市場中。
 

　　同樣，日系歐姆龍?jiān)阡囯娦袠I(yè)也是如此。在鋰電行業(yè)歐姆龍的運(yùn)動控制型PLC是當(dāng)之無愧的王牌產(chǎn)品，各家廠商大多都用歐姆龍的PLC產(chǎn)品，而他的PLC產(chǎn)品又用的是EtherCAT的生態(tài)。因此就這樣一環(huán)套一環(huán)地影響到了所有參與到鋰電行業(yè)競爭的所有自動化廠商，這就是生態(tài)的力量，也是EtherCAT通訊協(xié)議能夠經(jīng)久不衰的最重要因素。
 

　　未來，在中國自動化市場，隨著總線型伺服的不斷發(fā)展，自動化下游各個(gè)行業(yè)中總線型伺服的市場份額將進(jìn)一步擴(kuò)大。并且，隨著國產(chǎn)伺服在市場中的份額慢慢增加，在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)國產(chǎn)伺服的上位控制通訊協(xié)議還是會主要使用EtherCAT，因此EtherCAT協(xié)議伺服產(chǎn)品的市場份額也將得到進(jìn)一步發(fā)展。