运动控制正转向以太网组合角尺

运动控制正转向以太网

运动控制正转向以太网 2011年12月03日 来源： 到目前为止，从事机械设计的工程师们仍然需要对付一大堆的网络技术，其中可能有用于所有I/O（输入/输出）的一个或两个现场总线、一个用于所有其他目的的、具有自主知识产权的运动控制网络和以太网。但是，支持所有这些网络并不容易。这可能需要不同专业的人员实施网络规划和总线配置，整个系统要集成来自不同厂家的各类硬件，编写集成软件，可能还需要采购昂贵的专用设备和专用线缆。如果一种网络能够做所有这些工作，岂不是一件美事？这正是工业以太网的设计诉求。由于能够降低工厂自动化成本并且能与企业IT系统融洽兼容，在未来的几年中工业以太网将具有巨大的增长势头。ARC咨询集团高级分析师Harry Forbes在最近进行的一份研究中表明，工业以太网交换机和相关网络基础设施的市场在接下来的五年中将从2006年的2亿6千万美元上升至近10亿美元。

为了了解工业以太网究竟有多快，Beckhoff自动化公司推出了基于EtherCAT网络的eXtreme Fast Control（极速控制技术）系统，它能使整个系统的响应时间快至100 微秒

推动这种增长的并不仅仅是IT行业的人们。“工程师们认为，如果能够转移到工业以太网，他们就可以在工厂里用从当地电子商店中购买的CAT5网线和网络设备连接任何东西了，” Bosch Rexroth传动与控制公司技术副总裁Scott Hibbard说，“这确实是自动化一种理想化的前景。”直到最近，运动控制还一直不能接受这种观点。“要把以太网用于运动控制就必须让它做从来没有被设计要做的事情，” Hibbard说。正如当初的设想，以太网不能提供周期时间、确定性或需要用来实时闭合高性能伺服回路或快速更新复杂轨迹的服务质量。“Ethernet TCP/IP当初并不是用来让你进行运动控制的，”安川电机公司（Yaskawa Electric）电气工程师、技术开发总监Ed Nicolson博士说。但是，在过去的七年中，工程师们开发出一些聪明方法可以让以太网络具有实时性能，这种实时性能不但适用于要求不是很高的I/O应用，而且也适用于复杂的运动控制作业。Forbes预测，基于以太网的运动控制前景非常光明。“即使不是大多数也会有很多运动控制应用最终会转移到工业以太网上。”但是首先，工程师们必须从诸多竞争的工业以太网中找出哪个能够最好地满足他们的运动控制需求。由于宣称具有实时性能网络技术的数量众多，这并不是一件容易的事。目前，在实时以太网网站上就罗列了22种。它们中只有少数几种在技术上处于领先，可以作为开放标准，有可能在更大的、需要大量运动控制的自动化系统中得以立足。这些技术包括ROFINET、SERCOS III、Ethernet TCP/IP、EtherCAT、 ETHERNET Powerlink和Modbus。有些运动控制专家把其中的Ethernet TCP/IP和Modbus排除在实时类网络之外，因为这两种的性能比不上其他的四种。。据Rockwell Automation公司的运动控制产品经理Matheus Bulho说，在北美占有绝对优势的Ethernet/IP以太网正在通过增加CIP Sync（CIP，通用工业协议）来加强实时性能，CIP Sync是建立在IEEE1588标准之上的一种网络时间同步协议。但是，使用CIP Sync的真正产品还未出炉。这些产品出来后，很多运动控制应用都将会超越Ethernet TCP/IP的范围，一家工业和汽车应用硬件与软件开发商IXXAT公司的总裁Bill Seitz说。“为了运动控制应用，你就要把Ethernet TCP/IP和具有CIP Sync的Ethernet TCP/IP看作是两种不同的网络”，Seitz说。Seitz的公司是Rockwell Automation公司的增值设计伙伴，他通过参加公司的多项活动已经对Ethernet TCP/IP非常精通。Nicolson也认为，对Ethernet TCP/IP 来说“CIP Sync能够改变游戏规则”。“如果没有CIP Sync，我认为对于任何比传送简单终端命令更复杂的应用来说，Ethernet/IP的确定性都是不够的。”

工业以太网具有处理不同种类机械布局的灵活性，包括大型模组化机械的布局，就像在以上自动化概念SERCOS III 网络中所表现的一样。

让工业以太网变得更令人费解的是围绕各种网络技术天花乱坠的宣传说辞。每种实时以太网竞争厂商的支持者们都一直致力于大量的“规格把戏”，他们运用各种手段试图从同行中脱颖而出。多数的手段都是诸如“我的周期时间比你的周期时间快”之类，或者是“我的网络确定性比你的网络确定性高。”

重要的不只是最好的周期时间，还要考虑你所应用一定的轴数量时能得到的周期时间。举例来说，在这里就是周期时间和SERCOS III中可能出现的驱动器数量之间的关系。

很明显，周期时间和确定性在运动控制应用中非常重要，但是，单有这些规格并不能告诉你哪种网络最适合于你的应用。原因是：速度限制？当说到每种网络的周期时间或者说网络节点通讯所需要的时间时，大家很容易想到的是越快越好。但实际情况是，在所有几种现实世界的运动控制需求中，以上四种网络中没有哪一个能够宣称具有真正的周期时间优势。“目前市面上所有确定性以太网途径都能够为大量的运动控制应用提供足够的使用性能，”Seitz说。在注塑中，周期时间至关重要在运动控制应用中通讯总线的周期时间的确很重要，“当你试图控制一个机械系统时存在一个效益递减点，” Husky注塑系统有限公司技术总监Chris Choi说。对这些他应该比较清楚。他的公司建造了一些世界上最快的注塑机械，其应用包括了预制瓶的高速生产和薄壁包装。Choi和本文中提到的其他几位运动控制专家一样，他们都认为，考虑到工业机械中大多数执行器和机械部件的动力反应情况，各种实时工业以太网微小的周期时间差异并不算什么。“像惯性一类的因素通常比机械系统中现场总线的周期时间更具有限制性，”他说。

当你试图控制一个像注塑一样的快速过程时，即使微小的一点周期时间优势也能带来很大差异。这个图表显示的就是控制周期从2 毫秒变化到250 微妙时，追踪注塑过程压力值能力的显著提高。

但他马上又补充说，在高速注塑的应用中，即使看似微小的周期时间也能造成很大的差异。Husky公司对机械控制的目标不仅是控制机器的机械元件的执行，还要控制注塑过程。要做到这点，Husky的控制算法就必须从机器的表现中推断塑料熔体的状态，即温度、压力、剪切状态等。“当你控制这样一个快速过程时，每一微秒都很关键。”他说。所以，当Husky公司开始为其高速制瓶和包装机械建立一个新的控制架构时，Choi选用了EtherCAT作为新的通讯总线。Choi介绍说“我们现在正在安装EtherCAT，利用EtherCAT，Husky就能够在过程控制系统中看到快如100微秒的反应时间。”Husky选用EtherCAT并不只是为了网络通讯的速度，还因为它能在不使用交换机或其他会增加总体反应时间硬件的情况下快速处理其独有的数据包。从采用EtherCAT减少响应时间的结果来看，仅节约材料一项，每年每台机器即可节省182000美元的成本。就一般机械应用所需要的反应时间来看，所有1毫秒和低于1毫秒的快速网络所具有的性能都足够满足需求。西门子公司SIMOTION产品经理Zuri Evans说，注塑机械的液压轴所需的反应时间一般在250微妙和1毫秒之间，印刷机械轴的反应时间通常需要3毫秒。他说，封装加工机械（converting machine）反应时间在2到6毫秒之间，包装设备在2到4毫秒之间。“PROFINET的性能远远超过这些需求，”他说。其他三种最快的网络也是这样。不要忘了，最快网络的周期时间之间的差异也就几微秒。如此小的时间差别在现实世界的运动控制应用中很少起作用，因为机械器件的动力和很多工业机械的频率反应对速度的限制要比网络周期时间对速度的限制大得多。Nicolson说：“在没有注意到以太网周期时间几微妙的差异之前，你早就会遇到机械系统的动力问题了，工程师们需要反问一下自己，他们真正需要的是哪种周期时间。” 有这种看法的不止Nicolson一个人。“请记住，实时只是一个相对概念，” Galil 运动控制公司总裁、前任技术总监Wayne Baron说。“这完全取决于应用的实际需要。”获取确定性抖动（jitter），或者说网络以精准时间进行通讯的能力，是网络确定性的一种标志；四种主要具有运动控制性能的网络都可以提供抖动值低于1微秒的合适性能，从这个意义上来说，抖动与周期时间的情况是一样的。“在大多数的应用中，一点抖动对你不会有什么危害，”Baron说。“你可以很容易通过软件来处理它。”真正能够区分各种实时网络的是它们提供确定性的方式。Bosch Rexroth公司同时兼任监督SERCOS III标准委员会委员的Hibbard指出，针对标准以太网内部确定性的缺乏程度存在一种技术反应图谱，通过该图谱通常可以追踪到原始以太网的震动检测机制和其偶尔意外延缓数据包发送的趋势。(end)

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