運(yùn)動控制是典型自動化和控制系統(tǒng)中最苛刻的應(yīng)用之一，正如我們之前在其他幾篇文章中所指出的。多年來，它主要是傳統(tǒng)現(xiàn)場總線（如CANopen）以及傳統(tǒng)的外圍組件互連卡的領(lǐng)域。這些技術(shù)有其相當(dāng)多的限制（例如，相對微薄的帶寬），但通常可靠且實(shí)施成本低廉。1然而，幾年前就開始向工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（包括PROFINET以及EtherNet/IP，EtherCat和許多其他協(xié)議）邁進(jìn)，因?yàn)橐蕴W(wǎng)被修改以解決其最大的缺點(diǎn)，特別是其標(biāo)準(zhǔn)辦公室化身缺乏確定性。

以太網(wǎng)仍然是迄今為止最流行的辦公網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)集，并且在工廠環(huán)境中也比現(xiàn)場總線增長得更快。2015年初的一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的年增長率為17%，而傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的年增長率為7%。

隨著時(shí)間的推移，以太網(wǎng)已變得比這些技術(shù)更可取，原因如下：

它開辟了將不同的網(wǎng)絡(luò)融合為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可能性，在工廠車間和企業(yè)IT之間創(chuàng)建了一個(gè)不需要處理一堆不同協(xié)議的共同連接。這對于運(yùn)動和機(jī)器控制尤其重要，這兩者都在歷史上被劃分為多個(gè)現(xiàn)場總線，如DeviceNet，SafetyBUS p等。

它具有持久力。盡管以太網(wǎng)在幾十年前就被商業(yè)引入，但它仍然是迄今為止最流行的辦公網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)集，并且在工廠環(huán)境中也比現(xiàn)場總線增長得更快。2015年初的一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的年增長率為17%，而傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的年增長率為7%。

它得到了廣泛的支持，而不僅僅是在自動化行業(yè)。部件是大量制造的，因此，通常比操作現(xiàn)場總線和傳統(tǒng)PCI網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施所需的專用設(shè)備更具成本效益。安裝和維護(hù)也更簡單;不需要對單獨(dú)的技術(shù)進(jìn)行多次培訓(xùn)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)組件。

最重要的是，以太網(wǎng)現(xiàn)在還可以提供確定性，這是任何運(yùn)動控制應(yīng)用的核心。一系列進(jìn)步，例如用全雙工交換和隔離沖突域取代CSMA/CD，以及IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議的不斷完善，使以太網(wǎng)走上了成為工業(yè)系統(tǒng)可預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的道路。截至2016年初，包含IEEE 802.1和802.3規(guī)范部分內(nèi)容的通用標(biāo)準(zhǔn)（如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN））尚未完全可用，但工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)為確定性，經(jīng)濟(jì)高效和可擴(kuò)展的運(yùn)動控制提供了可行的解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可以處理要求苛刻的運(yùn)動控制應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)同一目標(biāo)的不同方式

讓我們簡要了解每種應(yīng)用如何提供運(yùn)動和機(jī)器控制應(yīng)用所需的確定性：

普羅菲特

標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP堆?？梢酝ㄟ^PROFINET IRT通道繞過，該通道可以通過多種方式定義：

一種選擇是通過同步節(jié)點(diǎn)的 ASIC;在此設(shè)置下，每個(gè)PROFINET IRT器件都有一個(gè)特殊的ASIC，用于處理節(jié)點(diǎn)同步和周期細(xì)分，并包含一個(gè)智能2端口或4端換機(jī)。

另一種可能性是使用一種解決方案，例如標(biāo)準(zhǔn)REM交換機(jī)，該解決方案可以配置為多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，包括IRT。

總體而言，PROFINET IRT專為需要確定性亞微秒級時(shí)鐘同步的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。小于 1 毫秒是周期時(shí)間的目標(biāo)基線，而小于 1 微秒是抖動精度的理想選擇。3為了達(dá)到這些目標(biāo)，PROFINET IRT使用全雙工快速以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段。它通過其帶寬預(yù)留、調(diào)度和不同類型以太網(wǎng)流量的時(shí)域分離功能為其流量定義一條快速通道。

以太貓

EtherCAT利用動態(tài)處理，允許幀在返回主站之前以可忽略不計(jì)的時(shí)間延遲通過從站。這與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)形成鮮明對比，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)將幀發(fā)送到多個(gè)設(shè)備并等待所有設(shè)備響應(yīng)和更新，在此過程中通常會有很多延遲。相反，EtherCAT從站會在數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)提取數(shù)據(jù)并寫入響應(yīng)。

EtherCAT協(xié)議還允許通過將眾多設(shè)備的傳入和傳出數(shù)據(jù)合并到單個(gè)以太網(wǎng)幀中來優(yōu)化帶寬。通過這種方式，它減少了傳輸開銷，并為I/O、驅(qū)動器和其他設(shè)備負(fù)載較重的網(wǎng)絡(luò)提供了急需的支持。多軸伺服控制需要大量帶寬，而 EtherCAT 可以成群結(jié)隊(duì)地釋放帶寬。根據(jù)Machine Design引用的數(shù)據(jù)，使用EtherCAT的網(wǎng)絡(luò)可以在不到250微秒的時(shí)間內(nèi)采樣和更新64個(gè)驅(qū)動器和一些額外的I / O。

以太網(wǎng)/IP

EtherNet/IP 維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)層，包括 TCP/IP 和 UDP/IP。這對工廠運(yùn)營商來說非常方便，因?yàn)樗麄兛梢栽谡麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)中使用未經(jīng)修改的以太網(wǎng)組件。然而，它通過擴(kuò)展進(jìn)行了幾個(gè)關(guān)鍵的補(bǔ)充，關(guān)閉了以太網(wǎng)和傳統(tǒng)現(xiàn)場總線之間的確定性。

CIP Sync 將 IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議映射到通用工業(yè)協(xié)議使用的直觀面向?qū)ο竽Ｐ停ǔ溯^舊的 CompoNet、DeviceNet 和 ControlNet 現(xiàn)場總線之外，該模型是 EtherNet/IP 的基礎(chǔ)）。這允許跨器件進(jìn)行精確的時(shí)鐘同步。

CIP 運(yùn)動提供了一組應(yīng)用配置文件，可在伺服、變頻和/或矢量驅(qū)動器內(nèi)關(guān)閉扭矩、速度和位置環(huán)。它可以通過運(yùn)動規(guī)劃器更新協(xié)調(diào)大量軸，只需 1 毫秒。

ODVA是監(jiān)督CIP和EtherNet/IP開發(fā)的組織，它繼續(xù)更新這些擴(kuò)展，以滿足控制器到驅(qū)動器接口和控制器間通信等關(guān)鍵要求。EtherNet/IP 作為一個(gè)整體，對于使用標(biāo)準(zhǔn)、未經(jīng)修改的以太網(wǎng)進(jìn)行運(yùn)動控制來說，仍然是一個(gè)有吸引力的選擇。

“CIP Motion在工業(yè)自動化的城市神話中打了一個(gè)洞”5羅克韋爾自動化的Paul Brooks在一篇關(guān)于工業(yè)IP Advantage的文章中解釋道?！吧裨挘簶?biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)不能用于運(yùn)動控制，因此需要開發(fā)基于以太網(wǎng)的東西;將時(shí)間片算法添加到設(shè)備的固件或硬件中，或者只是使用 CAT5 電纜和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)構(gòu)建專有網(wǎng)絡(luò)。

正如這三種協(xié)議所表明的那樣，運(yùn)動控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但可以通過工業(yè)以太網(wǎng)有效解決?，F(xiàn)場總線并沒有消失，但隨著越來越多的企業(yè)希望簡化其網(wǎng)絡(luò)并為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)做好準(zhǔn)備，它們面臨著激烈的競爭。

審核編輯：郭婷