EtherCAT是如何站穩運控通訊協議的C位？
http://www.debgrams.com 2022-09-14 14:58 來源：MIR睿工業
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控產品，而在種類繁多的總線型通訊中，EtherCAT表現得尤為亮眼。根據MIR 睿工業統計，截至2021年中國總線型運動控制器市場規模超過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已經走向自動化通訊協議的C位了。
01 “匠心級“產品
2003年德國漢諾威工業博覽會，一家以做運動控制器出名的企業展臺前人頭攢動，展出的產品是一種全新的工業通訊協議。
幾乎整個從事自動化行業相關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，是前沿控制理念的新生代產物。
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叫做EtherCAT（用于控制自動化技術的以太網）。
后來的故事一如第一次見到EtherCAT的人們預料的那樣，這種可以稱得上是“革命性”的工業通訊協議，憑借其應用的多樣性，開放性、高效率，在包括包裝機、全鋼工廠、機器人、切割系統、風洞和風能系統等應用程序中得以廣泛使用。
(圖示：一些主流的工業通訊協議）
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備上兼容使用– 從某種意義上講，它已經打破摩爾定律 10 年有余（雖然應用的領域稍有差別）。這也就是說，單一版本的EtherCAT，即第一個版本的 EtherCAT 就已足夠支撐現今大部分的工業場景，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”產品，相比于今天某些企業吹的什么“現象級”產品，水平不知道高到哪里去了。
作為一種基于以太網為開發構架的實時工業現場總線通訊協議，EtherCAT簡單來說就是在一個特定班級里，豎排坐的一隊學生，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，然后從前往后傳，第一個同學只拿自己名字的試卷，第二名同學也只拿自己的試卷，以此類推。并且老師還能在一定時間內去收回問卷并進行批改分析然后反饋給特定學生。發試卷的老師即為主站，同學就是從站，而試卷也就是主站傳達的數據內容了。
（圖示：傳統工控體系結構與新工控體系結構區別）
得益于總線型對于脈沖型運控產品的替代大潮，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議中脫穎而出，主要依靠以下三點：
- EtherCAT 通信速度非常快。它利用雙絞線或光纜在 100μs 內處理 30μs 或 100 個軸上的 1000 個分布式 I / O 信號，為實時性能設置了新的限制。這種高速度使得EtherCAT 非常適合自動化，工業物聯網（IIoT）以及其他需要實時優化的應用。
- 這是一個廣泛采用的開放標準。越來越多的設備正在通過現場總線或無線連接。并且由于數據使用與以太網相同的格式，因此可以直接連接到以太網。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品的選擇。
- 它自身構建的可持續性。使用成熟的以太網電纜，EtherCAT 通訊協議可以在較為極端的條件下進行持續作業，比如EtherCAT 端子可以在-25°C 至+ 60°C的溫度范圍內連續工作（Trinamic 的 EtherCAT 運動控制器甚至可以滿足-40°C至 125°C 的汽車級溫度規格）。
（圖示：部分總線型通訊協議）
這也就不奇怪為什么在如今的自動化市場，搭載EtherCAT總線型通訊的運控產品能夠在半導體、光伏、鋰電等領域的設備上具有很廣泛的應用。
根據MIR 睿工業統計，截至2021年中國總線型運動控制器市場規模超過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已經走向運控通訊協議的C位了。
02 外資、內資眼里的“香餑餑”
在中國自動化市場中，尤其是在通用交流伺服產品線上，總線型通訊成為了顯學。各個伺服廠家都各自推出自己專用的總線協議（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，又由日系廠商發揚光大，并且在EtherCAT總線型通訊的應用上，外資、內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運動控制器產品在中國市場份額占比第一，相應的在通訊協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通信協議的推廣活動，在倍福的大力推廣下，EtherCAT也被國內大多數PC-based運動控制器廠商所接受。
可能是對于同是德國的老鄉倍福的一種競爭心態，電氣巨頭西門子自己也推出了一種基于工業以太網的現場總線系統叫做Profinet。Profinet與EtherCAT區別在于EtherCAT是倍福最開始研究的，然后整個歐洲用的這個技術成立了一個聯合。把這個技術推出來以后，靠著這個底層的芯片和底層芯片的授權控制市場，然后把EtherCAT的生態做起來，因而整個EtherCAT系統更豐富。而Profinet是西門子自己建立的生態，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系有點像智能手機行業中的安卓系統和蘋果系統。
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，歐姆龍的存在感特別強，2021年其PLC產品在鋰電行業的份額遙遙領先。一般來說，在一條鋰電產線上出于統一性和兼容性的角度考量，總線EtherCAT的協議會比較受到青睞。當下，國產伺服廠商的運動控制型PLC產品也大多選用EtherCAT作為其總線協議的主力選擇。
未來，鋰電設備將朝著多工藝一體機及多工位設備的方向發展，設備搭載伺服軸數也將會同步增多，總線型的伺服產品將是大勢所趨，這進一步導致鋰電池設備行業的總線型伺服市場份額將進一步擴大。同時，隨著國產伺服的應用發展，EtherCAT協議伺服產品也將得到進一步發展。
日系的另一位玩家松下也認為總線通訊是伺服產品的發展趨勢，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，會使設備的加工效率更快，也提高設備利潤，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心比較糾結，一方面認可總線通訊的發展，而且也在總線里主推Mechatrolink產品（MetroLink- III是Yaskawa與2007年開發的基于EtherCAT物理層的運動控制現場總線協議。目前已研發到MetroLink-4，未來將在Σ-10上應用）；另一方面，因為在鋰電、電子等行業很多上位控制使用的是EtherCAT協議，使得安川電機在這些領域里支持EtherCAT 總線的產品比較多，并且得益于鋰電、電子等市場需求的提升，2021年安川電機EtherCAT 總線產品的銷售額有些許上漲。
其實這種糾結的心態是受安川電機本身銷售策略（推自家的總線協議）的影響，導致總體上來講EtherCAT產品很少。像前些年，安川電機在中國區內主推M2和 M3 總線，沒有應用 EtherCAT協議，而當時國內很多數控系統以及伺服電機廠家已經安裝了安川電機 M2 和 M3總線產品。
國產廠商中匯川伺服產品應用EtherCAT也比較多，尤其鋰電行業EtherCAT的應用比例占了絕對數額。這一點除了鋰電行業本身將EtherCAT作為主流的通訊協議以外，也和匯川在鋰電行業將歐姆龍作為主要的對標競爭友商有關。在業內，匯川伺服配套歐姆龍的PLC（歐姆龍的運動控制型PLC使用EtherCAT作為其通訊協議）方案，此方案被打造成行業典型標桿，這就直接決定了伺服的通訊協議選型。
另一家國產廠商禾川總線型通訊協議也以EtherCAT為主，在機器人行業也會使用到部分的CANopen總線協議,X6和Y7會涉及到西門子的Profinet或者安川電機的Mechatrolink通訊協議。
從伺服產品開發的角度看，禾川在X3E這一主要的伺服系列主要使用Ethercat作為其通訊協議。另外, 原本對于新近開發的X6與Y7這兩款產品的通訊協議規劃是X6主打EtherCAT支持Profinet高性能產品，Y7是主打EtherCAT支持Mechatrolink協議的產品。但因為X6受整個行業普遍缺芯影響，生產和供應都造成了一定的困難，因此禾川加緊了對Y7產品EtherCAT通訊模式的研發測試，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、廣州數控、研華等廠商使用EtherCAT通訊協議的運動控制器產品也較多，像是雷賽、研華的PC-based產品，廣州數控的專用控制器產品。由于篇幅有限本文將不再做詳細論述。
03 EtherCAT如何站穩C位
當下的自動化市場，尤其是伺服產品線，總線型協議將逐步替代脈沖型協議。而在一些伺服下游應用行業中，兼顧“總線型”和“以太網”兩大特色的EtherCAT協議正逐漸占據市場主流地位。
2021年，電子制造設備行業市場的總線型產品業績占據過半的市場份額，其中總線型的伺服產品主要又以EtherCAT協議為主，像外資的松下和國產的匯川、禾川等廠商在電子制造設備行業中提供總線產品時更傾向于提供EtherCAT伺服產品，這主要是由于電子制造設備行業許多是需要基于客戶需求再開發的非標定制產品，特別是在視覺相關，有較多選擇PC-based作為其上位控制器，許多國產PC-based廠商如雷賽等，主推EtherCAT通訊的產品，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品也占據了大部分的市場份額，其中總線型的伺服產品也主要以EtherCAT協議為主，像匯川、禾川等國產廠商在光伏行業中提供總線產品時更傾向于提供EtherCAT伺服產品，這主要原因在于光伏行業更多應用的是歐姆龍或倍福的PLC產品，因此應用EtherCAT的伺服與其更加適配。
2021年，鋰電池制造設備市場的總線型產品幾乎占據了該市場的全部份額，這一方面與鋰電行業設備的特性和國產伺服產品的慢慢崛起有關，這兩點我們在上文分析歐姆龍和匯川應用EtherCAT通訊協議的情況時已經說的較為詳細，這里不再贅述。
2021年，半導體市場的總線型產品的市場份額占比過半，其中主要以EtherCAT協議為主。這種行業現狀：
一是與供應商的市場份額相關，2021年松下的伺服產品在半導體設備行業中占有相當大的份額，而松下的伺服產品主要支持EtherCAT通訊；
二是因為作為被國際半導體產業協會SEMI所支持的EtherCAT通訊協議，能夠擁有更好的開放性，有利于不同廠家設備進行配合通信；
三是因為由于半導體行業對設備的控制精度要求很高，PC-based在半導體設備中的應用逐漸增多，并逐漸替代了一部分PLC應用，因此通訊協議上也偏向于更開放的EtherCAT協議。
04 EtherCAT—玩的是生態
總的來說，近幾年來，EtherCAT在自動化行業逐漸站穩了通訊協議中的C位是大勢所趨也是自身優越的性能所致。EtherCAT起源于傳統工業強國的德國，靠著把整個歐洲聯合起來培育成一個生態圈，逐漸在工業自動化領域站穩了腳跟。
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自動化市場能夠獲得如此廣泛的應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品線中的上位產品，基于此你在自動化領域往往就可以指定很多標準和規則，像西門子制定的現場總線PROFIBUS標準、MindSphere World全球用戶組織等，前者助其建立“朋友圈”，后者營造了最優的生態圈。
所謂得標準者得天下，倍福、西門子等作為生態建立者站在“生態鏈”的最頂端，下游設備廠商產品用的生態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通訊協議的自動化產品就能很順利地進入到供應鏈下游的廣闊市場中。
同樣，日系歐姆龍在鋰電行業也是如此。在鋰電行業歐姆龍的運動控制型PLC是當之無愧的王牌產品，各家廠商大多都用歐姆龍的PLC產品，而他的PLC產品又用的是EtherCAT的生態。因此就這樣一環套一環地影響到了所有參與到鋰電行業競爭的所有自動化廠商，這就是生態的力量，也是EtherCAT通訊協議能夠經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展，自動化下游各個行業中總線型伺服的市場份額將進一步擴大。并且，隨著國產伺服在市場中的份額慢慢增加，在相當長一段時間內國產伺服的上位控制通訊協議還是會主要使用EtherCAT，因此EtherCAT協議伺服產品的市場份額也將得到進一步發展。
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