文|MIR睿工業(yè)
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),而這個被譽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、全鋼工廠、機器人、切割系統(tǒng)、風洞和風能系統(tǒng)等應(yīng)用程序中得以廣泛使用。
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)架的實時工業(yè)現(xiàn)場總線通訊協(xié)議,EtherCAT簡單來說就是在一個特定班級里,豎排坐的一隊學(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間內(nèi)去收回問卷并進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的數(shù)據(jù)內(nèi)容了。
得益于總線型對于脈沖型運控產(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:
1、EtherCAT 通信速度非???。它利用雙絞線或光纜在 100μs 內(nèi)處理 30μs 或 100 個軸上的 1000 個分布式 I / O 信號,為實時性能設(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)以及其他需要實時優(yōu)化的應(yīng)用。
2、這是一個廣泛采用的開放標準。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。這意味著用戶可以通過效率更高的方式使用 EtherCAT-IP 在同一接口上進行多種產(chǎn)品的選擇。
3、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 運動控制器甚至可以滿足-40°C至 125°C 的汽車級溫度規(guī)格)。
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,截至2021年中國總線型運動控制器市場規(guī)模超過60億,占總體運動控制器市場比例超過七成。其中,EtherCAT總線型運動控制器市場規(guī)模超過40億,占總線型運動控制器市場的比例超過六成。可以說EtherCAT已經(jīng)走向運控通訊協(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)。各個伺服廠家都各自推出自己專用的總線協(xié)議(安川電機 Mechatrolink、松下RTEX、三菱 CC-Link等等)。這股總線風潮由歐美廠商刮起,又由日系廠商發(fā)揚光大,并且在EtherCAT總線型通訊的應(yīng)用上,外資、內(nèi)資似乎歷史性地達成了一種默契。
歐美系廠商以倍福為代表,其PC-based運動控制器產(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運動控制器廠商所接受。
(圖示:CX7000 | 嵌入式控制器系列)
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,然后整個歐洲用的這個技術(shù)成立了一個聯(lián)合。把這個技術(shù)推出來以后,靠著這個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)系有點像智能手機行業(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,2021年其PLC產(chǎn)品在鋰電行業(yè)的份額遙遙領(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。當下,國產(chǎn)伺服廠商的運動控制型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一步擴大。同時,隨著國產(chǎn)伺服的應(yīng)用發(fā)展,EtherCAT協(xié)議伺服產(chǎn)品也將得到進一步發(fā)展。
日系的另一位玩家松下也認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,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年的時候松下EtherCAT 總線伺服價格會比傳統(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,安川電機相對于其它日系廠商來說內(nèi)心比較糾結(jié),一方面認可總線通訊的發(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,因為在鋰電、電子等行業(yè)很多上位控制使用的是EtherCAT協(xié)議,使得安川電機在這些領(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EtherCAT 總線產(chǎn)品的銷售額有些許上漲。
其實這種糾結(jié)的心態(tài)是受安川電機本身銷售策略(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,而當時國內(nèi)很多數(shù)控系統(tǒng)以及伺服電機廠家已經(jīng)安裝了安川電機 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。但因為X6受整個行業(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論述。
03 EtherCAT如何站穩(wěn)C位
當下的自動化市場,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)議的情況時已經(jīng)說的較為詳細,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)中占有相當大的份額,而松下的伺服產(chǎn)品主要支持EtherCAT通訊;
二是因為作為被國際半導(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)備進行配合通信;
三是因為由于半導(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)強國的德國,靠著把整個歐洲聯(lián)合起來培育成一個生態(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,其實它們在整個工業(yè)自動化市場能夠獲得如此廣泛的應(yīng)用其實有一個共同的邏輯: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準和規(guī)則,像西門子制定的現(xiàn)場總線PROFIBUS標準、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。
所謂得標準者得天下,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準,比如倍福認可并使用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運動控制器產(chǎn)品的廠商)就必須得使用EtherCAT,以達到適配。這樣一來,搭載EtherCAT通訊協(xié)議的自動化產(chǎn)品就能很順利地進入到供應(yīng)鏈下游的廣闊市場中。
同樣,日系歐姆龍在鋰電行業(yè)也是如此。在鋰電行業(yè)歐姆龍的運動控制型PLC是當之無愧的王牌產(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,自動化下游各個行業(yè)中總線型伺服的市場份額將進一步擴大。并且,隨著國產(chǎn)伺服在市場中的份額慢慢增加,在相當長一段時間內(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一步發(fā)展。
本文中提到的伺服產(chǎn)品均指的是通用交流伺服