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工业以太网网络应用加速兴起

2017年12月28日 09:29:08 中国传动网

纵观现阶段国内伺服运动控制领域的技术发展,大致可归纳为下面几个方向:即总线技术、驱控一体化、小型化,以及可提供整体解决方案。其中,工业以太网的应用发展尤其值得关注。

1、总线技术在伺服领域得到大范围的应用

无论是“工业4.0”的发展趋势还是伺服技术应用水平的提升,都对总线伺服的应用和普及提出了新的需求,这也是各大厂家纷纷把网络式伺服做以战略性产品进行发展的判断依据。近年来,各主流伺服厂家都在大力研发和推广其总线伺服产品,试图在总线伺服这一新的品类市场里抢占先机。

2、驱控一体型伺服

驱控一体型伺服系统由于内置PLC模块,故具备一定的控制功能,也因此被部分厂家称为“智能伺服”。从技术角度来讲,此类产品是上位机运动控制和电机驱动控制技术的融合,具备一定的应用优势:一方面避免了复杂的外部接线,保证了较高的通讯速率;另一方面,这样的产品也非常有利于节省空间并控制成本。随着产品性能的提高和完善,这类产品正在得到更多客户的认可和接受,作为伺服技术发展过程中出现的一个新品类,有理由相信驱控一体伺服将会有更广阔的应用空间。

3、小型化

小型化设计、紧凑式安装是客户从应用层面对伺服系统提出的需求,尤其在电子、医疗等应用场合对这方面的要求更甚。基于这一需求,伺服电机方面,分别从电机本体和编码器两方面入手,尽量缩短电机的长度;在驱动器方面则出现了两种思路:一是设计多合一产品,有诸如一拖二、一拖三、一拖四等一台驱动器驱动多台电机的产品;二是参照欧式风格设计的书本式产品,驱动器的数目根据需求可灵活设计,紧凑安装,在保证使用灵活性的同时尽可能缩小所占据的空间。

4、从提供产品到提供解决方案的转变

行业竞争的持续加剧使得各厂家纷纷寻求新的优势,各类行业解决方案的提出有利于帮助企业增强对客户深层次需求的了解,实现和对手的差异化竞争,同时也加强了同客户彼此间的黏度。从深层次来看,这是市场从产品满足阶段向需求满足阶段的发展。

国内交流伺服产品发展趋势

1、产品层面从“技术(功能)创新”向“技术突破(加强)”方向发展,从功能层面讲,当前针对交流伺服系统的创新和开发已处于基本稳定状态,各厂家对伺服系统的基本架构和所应具备的功能都有了较为清晰的认识。这一点从他们的产品功能设计上可以得到印证:

(1)振动抑制功能,至少包含机械谐振抑制和末端抖动抑制;

(2)参数自整定功能,包含电机参数自识别、惯量识别、参数自动

更新、免调试等方面;

(3)前馈功能,包含位置指令前馈、转矩前馈等;

(4)总线通讯功能;

(5)具备一定的控制功能,如驱控一体产品;

(6)高定位精度,采用高分辨率的编码器。

以上几点是当前国内伺服产品从功能层面上体现出的一些特点,可以发现这些功能在各主流厂家的产品里都有所体现,同时也并没有哪一家企业在某一项或几项功能的性能表现方面能拉开竞争对手明显的距离。这也说明,针对伺服产品功能的创新进入了一个相对稳定的时期。

2、“品类战略”在伺服行业的应用

当产品层面上的创新趋于平稳的时候,带来的一个结果就是同质化竞争加剧,除非企业具备较强的研发实力,能从技术层面同竞争对手拉开明显差距,否则便很容易陷入彼此间的“白刃战”——价格竞争。当然,在当前的国内伺服市场上还有这样一类企业:他们的产品特色鲜明,应用市场也较为特定,虽然同处于交流伺服市场之中,但面临的竞争压力和对手的冲击也相对较小,企业的利润率也较同行偏高。这样,在企业保住自己优势行业的同时,还有余力去进一步加强自身的竞争力并以此为据点“觊觎”其他市场空间。目前各类行业“专机”、“驱控一体伺服”、“一拖多伺服”、“总线伺服”等皆可以划分到此类产品中。

其实从深层次看,这些产品的出现都是源于品类的分化,它们都是基于通用伺服这样一个大的品类进行分化的结果,而品类的分化则是源自于对客户需求的深层次了解、更充分的挖掘和利用客户的心智资源。

工业总线迅速向以太网演进

过去的几十年,以太网技术一直在各个领域改变着行业的游戏规则,从早期的局域网,到后来的宽带网络,再到如今的互联网。而现在,以太网技术的关键组件正在被用于工业控制现场总线,推动着整个制造业生态系统的演变和进化。

事实上,多年以来,传统的以太网技术和TCP/IP协议早就已经在制造业领域被广泛应用于企业和车间的网络信息系统和生产运营的管理系统中了,但却极少被用于实际机器设备和产线内部控制数据和信息的交互和通讯。

机器控制器本身(如PLC、IP等)及其与执行机构(如驱动器、电机等)和传感器之间的通信,总是需要使用确定性的现场控制总线。而使用传统的TCP/IP协议,是无法实现和满足从机器控制到传感器和执行器通讯的实时确定性要求的,因此它并不适用于作为工业设备的控制层总线。

然而,在设备制造行业,机器制造商们(如那些制造数控机床、半导体设备等企业)却看到了重复使用基于TCP/IP网络设置的硬件组件的价值,因为,互联网的爆炸性增长,为以太网通讯组件(如:通讯卡、电缆、接插件、、、、、、)创造了一个广泛通用的技术标准,使得这些网络接口卡(NIC)和TCP电缆的成本大大降低,仅仅是传统工业现场总线电缆和数据采集卡(DAQ卡)的几分之一甚至几十分之一。因此,与工业领域传统的专用现场总线的配置相比,重复使用此类以太网硬件将可以帮助企业节省大量经济成本。

采用以太网作为现场总线的经济效应是毋庸置疑的,因为以太网组件能够帮助带来显著的系统成本的降低,同时又具有很好的通用性。例如,如果采用专有的现场总线,机器人制造商必须从单个供应商处购买整套运控系统组件:专用的I/O卡件,伺服驱动器、电机,和昂贵的线缆、接插件等等。而使用基于以太网的标准通讯协议,I/O卡件可以使用通用的以太网接口替代,专用的总线通讯电缆可以由通用的CAT5(5类双绞线)电缆替代,而如果网络标准能够支持多个供应商,伺服驱动系统的成本也将显著降低。

与此同时,使用以太网连接设备系统组件也将变得更加简单。例如,相比在设备控制器以及电气元件上使用复杂的专用总线通讯电缆,采用类似家用/办公电脑在联网时使用的通用CAT5电缆将更加易于设备的管理和维护,而这些仅仅是以太网技术带来的经济效益中的一部分。

业界很快意识到,尽管TCP/UDP/IP协议无法提供工业控制系统所要求的实时确定性响应,但是,无处不在且低成本的以太网硬件,包括:网络接口卡(NIC)和CAT5以太网电缆等,却可以被应用于为工业设备系统中,帮助提供控制应用所需的实时响应。

而系统所需要的,只不过是一种新的实时通讯协议,它能够使用以太网的硬件物理层,但同时也可以让设备控制器与设备中所有传感器和执行器的连接和通讯做到具备实时确定性。

自本世纪初以来,各大知名的工业自动化厂商已经相继推出了至少不下五种不同的实时工业以太网通讯协议,例如:EtherNet/IP、EtherCAT、PowerLink、ProfiNet和SERCOSIII等等。它们都被作为“标准”进行推广,号称可以重用以太网协议或以太网硬件,并且都承诺能够降低设备实时控制系统的构建成本。除此之外,还有来自三菱的CC-Link、安川的MECHATROLINK,以及松下的RTEX等通讯协议,也正在尝试通过采用不同的方式来实现实时工业总线技术。

而之所以会有如此多的“潜在标准”的出现,一个主要原因就是因为各家都有着明显不同的技术方法可以做到重复使用以太网硬件组件(如:网络接口卡和CAT5电缆),不仅大幅降低设备成本并提高机器的性能,同时使信息数据的传输和交互方式能够支持实时确定性的应用程序。

多个潜在的“标准”以太网协议的同时存在,或许还有另外一个原因,就是这些领先的工业自动化厂商正在试图利用以太网技术节约其系统方案的总体成本。通过将自己的产品“标准”扩展延伸到以太网,客户的确可以从以太网技术中获得一定的优势和价值,但从长期来看,他们却仍然被牢牢的锁定在厂家的专有网络中。

另外,新协议的出现的确能够帮助用户利用以太网技术突破设备现有的性能和成本。同时,与任何其他传统工业现场总线相比,采用正确的实时以太网现场总线标准的机器制造商,也将能够在性价比方面获得非常明显的竞争优势。

然而,这些对机器制造商和设备用户们来说,或许已经不那么重要了,因为经过这些年工业以太网技术和产品的推广和普及,用户们现在面临的挑战已经不再是在传统工业控制总线和工业以太网之间的选择,而是在复杂且拥挤的市场中,面对太多的工业以太网协议“标准”之间激烈的竞争和它们各自体现出的不同的价值和优势,很难知道应该选择哪个“标准”才是正确的。如果采用错误(不恰当)的协议作为标准,就可能意味着不必要的成本消耗,并且由于性能的降低而牺牲竞争优势。

在关于工业实时以太网的各种讨论中,有些看似非常朴素的事实却经常会被人们忽略。网络协议标准的选择,其实不仅仅在于技术方面的硬性规格和属性,如性能和传输速率等;还应该包括一些应用体验方面的软性指标和参数,如:易用性、开放性、独立性、风险规避、一致性、互通性、长期可用性和系统分布特性等等,这些因素综合在一起,将决定协议和“标准”能否被用户认可或在市场中普及。(部分内容整理自“智造商”微信公众号)

供稿:编辑部

本文链接:http://www.chuandong.com/news/news.aspx?id=208369

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