實時通信技術在機械制造業(yè)的應用

　　一、生產(chǎn)效率的提升帶來了對網(wǎng)絡的巨大需求

　　隨著生產(chǎn)技術的提高，運動控制技術與機器人技術也得到了更為廣泛的應用，傳統(tǒng)的總線愈發(fā)無法滿足高速高精度加工的系統(tǒng)需求，而隨著IT技術的快速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)得到了快速的發(fā)展，然而，由于其CSMA/CD的沖突檢測機制造成的無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的確定性使其無法在高實時性領域使用，為了解決這一問題，各主流的自動化公司均開發(fā)了基于以太網(wǎng)技術的實時以太網(wǎng)技術，其中2001年，由始創(chuàng)公司B&R開發(fā)的Ethernet POWERLINK最早投入使用，接著由SIEMENS,Rockwell AB及Bosch Rexroth等也開發(fā)了PrifiNet,Ethernet/IP和SERCOSIII等，以及由Beckhoff開發(fā)的EtherCAT技術。

　　二、實時以太網(wǎng)的應用領域

　　1.CNC和機器人

　　傳統(tǒng)的CNC和機器人均是由專用的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，這包括了諸如SIEMENS的820,840D等CNC系統(tǒng)，由于需要大量的軸間插補運算，另一方面，原有的CNC系統(tǒng)其速度環(huán)和位置環(huán)計算由于均是通過由主站來進行計算的，因此，其對數(shù)據(jù)通信的要求極其高，因此，傳統(tǒng)的SIEMENS和Fanuc均使用了其自主開發(fā)的內(nèi)部總線來實現(xiàn)，而今天隨著智能伺服系統(tǒng)和工業(yè)實時以太網(wǎng)的發(fā)展，這一系統(tǒng)架構設計將逐步得到改進，例如Staubli的機器人系統(tǒng)就采用了Ethernet POWERLINK技術，使得其能夠在通用的硬件平臺上實現(xiàn)路徑轉(zhuǎn)換的計算，通過高速的實時以太網(wǎng)技術傳遞到各個執(zhí)行單元，從而實現(xiàn)機器人的高速高精度運轉(zhuǎn)。

　　2高速同步關系處理

　　在很多傳統(tǒng)的機械行業(yè)，隨著控制要求的愈發(fā)提高，越來越多的獨立驅(qū)動技術被得到應用，這使得機器運行更加具有靈活性，能夠更為快速的實現(xiàn)工藝切換和性能的提升，下面舉兩個較為典型的例子作以說明。

　　2.1印刷無軸傳動系統(tǒng)

　　由于傳統(tǒng)的機械長軸會造成系統(tǒng)機械結構的復雜性以及高維護的特點，并且另一方面，系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝切換也將由于訂單的不同需要機械調(diào)整，這將使得整個生產(chǎn)系統(tǒng)的性能降低，這使得無軸傳動-更為確切的說是屬于電子軸技術，例如在凹版印刷、柔版印刷、瓦楞紙開槽印刷等系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的機械長軸為獨立驅(qū)動的伺服軸所代替，然而，這時候軸與軸之間的關系將依賴于高速的通信系統(tǒng)來實現(xiàn)其運動關系的同步，以及偏差的調(diào)整，在這個領域里，SERCOSIII和Ethernet POWERLINK則占據(jù)主導的低位，由于印刷需要高速糾偏使得通信的刷新速度極其重要，在高速運行系統(tǒng)下，印刷機的控制周期必須達到微秒級，否則就無法實現(xiàn)高速的調(diào)整。

　　2.2全電動注塑機

　　全電動注塑機同樣是一個需要高速通信的過程，由于射膠、合模、坐進退、熔膠、保壓等階段需要保持軸之間的高速順序切換，以及保壓切換過程中的高速刷新任務都需要通信系統(tǒng)提供極高的刷新，一般這個任務等級在1mS以下。

　　3. 安全系統(tǒng)

　　安全系統(tǒng)越快的響應速度則能夠更好的保護人身的安全，更短的剎車距離顯然會對人體造成潛在風險的降低，因此每個實現(xiàn)工業(yè)實時以太網(wǎng)的技術均為安全系統(tǒng)提供了通信解決方案，這包括了Profi Safe,Ethernet IP Safe，以及由B&R開發(fā)的openSAFETY，openSAFETY與其它Safety技術在技術實現(xiàn)上均遵循IEC61508，然而不同在于openSAFETY是一個可以運行在其它任何總線上的安全通信應用層協(xié)議，目前它已經(jīng)通過測試在ProfiNet、Ethernet IP、Modbus、SERCOSIII上得到運行。

　　4.過程控制

　　過程控制雖然對于系統(tǒng)刷新的速度要求不高，但是，一方面，對于冗余和多CPU之間的通信則提出了非常高的要求，因為，這些功能是必須滿足系統(tǒng)的高可靠運行而必須的設計，另一方面，對于更多的傳動系統(tǒng)加入的過程應用而言，傳動對于系統(tǒng)刷新速度的要求也必須得到更高的級別。

　　5.工廠自動化FA

　　工廠自動化是另一個方面，雖然并非是連續(xù)生產(chǎn)，然而，要去實現(xiàn)與企業(yè)級的互聯(lián)，從生產(chǎn)的設備到設備互聯(lián)，仍然需要高透明的工廠設計，那么實時以太網(wǎng)則能夠滿足從生產(chǎn)的運動控制到整個生產(chǎn)線與管理系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)真正意義的一網(wǎng)到底-從而構建透明工廠，使得整個工廠的控制和狀態(tài)檢測能夠完整的集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)架構之下。

　　三、實時以太網(wǎng)的評估參數(shù)

　　1.抖動

　　為了保證各個運動軸之間的同步性，在控制指令發(fā)出后(例如:POWERLINK是通過同步幀廣播的形式去給出同步信號的)，各個軸之間執(zhí)行任務會存在一個時間偏差，這個是影響系統(tǒng)同步性的關鍵指標，通常，主流的實時以太網(wǎng)技術保持在100nS以內(nèi)，通常，使用者會混淆這個概念，并非是傳輸速度很高就同步性高，因為系統(tǒng)的抖動構成了同步性的關鍵因素。

　　2.是否支持直接交叉通信

　　對于那些需要高速處理的任務而言，直接交叉通信是一個非常有用而關鍵的功能設計，這與通信機制有關，采用集束幀方案的以太網(wǎng)技術無法實現(xiàn)這一點是因為它采取的是一種數(shù)據(jù)列車的方案，而像Ethernet POWERLINK和SERCOSIII則可以實現(xiàn)交叉通信，直接交叉通信可以使得從站之間可以進行通信，這有兩個方面的好處，一方面，這可以降低主站的任務負載，從站之間可以互相通信來實現(xiàn)同步，尤其是對于那些實現(xiàn)電子齒輪同步、跟隨、安全系統(tǒng)而言非常有用，因為無需通過主站的執(zhí)行，使得系統(tǒng)的效率得到了大幅度的提高，另一方面，直接交叉通信也使得系統(tǒng)設計更為靈活，在編程方面就無需太多的關心軸與軸之間的通信關系，而是直接的去控制節(jié)點即可。

　　3.任務周期

　　通常，Profinet RT和Ethernet IP只能實現(xiàn)在mS級的任務周期，這對于印刷無軸傳動、全電動注塑機等應用而言尚無法很好的滿足，由于Prifinet IRT和Ethernet IP/CIP尚未正式發(fā)布，因此，目前市面上能夠達到uS級任務的工業(yè)以太網(wǎng)主要是Ethernet POWERLINK、SERCOSIII和EtherCAT，通常以40個伺服軸和50個I/O站進行的數(shù)據(jù)刷新來看，基本上可以在600uS～800uS，EtherCAT雖然宣稱更低的任務周期，但是，由于是理論計算值，實際值仍然是在600uS以上。

　　這一指標將會影響同步循環(huán)，會對生產(chǎn)系統(tǒng)的速度和精度造成影響，例如，對于高精度的液壓同步而言，當需要在0.01mS以下精度的同步時，任務周期必須在400uS以下方能保證這一精度。

　　4.冗余與多組同步

　　是否能夠?qū)崿F(xiàn)冗余設計對于流程工業(yè)而言至關重要，并且多CPU通信的同步也是流程工業(yè)中DCS系統(tǒng)的重要考量，POWERLINK支持冗余設計，包括環(huán)形和半環(huán)形冗余設計，另外，也支持多CPU之間的高速同步。

　　四、實時以太網(wǎng)的未來發(fā)展

　　1標準以太網(wǎng)

　　盡管目前很多以太網(wǎng)技術在產(chǎn)生，然而，有些網(wǎng)絡仍然采用ASIC這樣的私有技術來實現(xiàn)，包括EtherCAT目前在從站仍然采用非標準的IEEE802.3，顯然，標準以太網(wǎng)技術是未來的發(fā)展，因為，為了實現(xiàn)對原有總線技術的替代才產(chǎn)生工業(yè)以太網(wǎng)技術，然而，采用ASIC技術則使得技術走回了原有的私有技術的老路，因此，未來，工業(yè)實時以太網(wǎng)仍然會沿著標準網(wǎng)絡的路前行，否則將會仍然面臨被市場淘汰的危險。

　　2安全集成

　　未來的以太網(wǎng)技術必然將安全技術集成，并使其成為一個不可分割的整體。

　　3一網(wǎng)到底的設備互聯(lián)

　　為了滿足整個工廠的數(shù)據(jù)采集，并通過數(shù)據(jù)采集提供的數(shù)據(jù)對整個生產(chǎn)過程進行分析和優(yōu)化，這樣的話才能更好的提高企業(yè)的生產(chǎn)與運營效率。

　　Ethernet提供了這一可能，而像Ethernet IP、POWERLINK和Profinet RT則是基于標準以太網(wǎng)而設計的，并支持異步通信和TCP/IP通信任務，這使得一網(wǎng)到底的概念具有實現(xiàn)的可行，在實時數(shù)據(jù)和非實時的診斷、服務、管理數(shù)據(jù)之間也建立起一個互聯(lián)的可能。