葉 莘
男，工程碩士，（貝加萊北京辦事處經(jīng)理，北京 100028）,畢業(yè)于德國埃爾蘭根－紐倫堡大學(xué)。

    在現代機械制造中，多軸運動(dòng)控制已經(jīng)越來(lái)越普遍，用電子方式來(lái)實(shí)現機械運動(dòng)軸之間協(xié)調同步，取代了傳統的機械凸輪和齒輪，給機械設計制造帶來(lái)了巨大的靈活性。以往只有通過(guò)復雜的機械設計和加工才能實(shí)現的運動(dòng)過(guò)程，現在可以通過(guò)軟件編程輕松實(shí)現。而且，使用電子運動(dòng)控制，精度更高，動(dòng)態(tài)性能更好，沒(méi)有機械損耗，使維護變得方便而簡(jiǎn)單。用戶(hù)可以實(shí)現更加靈活的，模塊化的機械結構。

    在幾乎所有的機械制造領(lǐng)域中，特別如紡織機械，印刷機械，包裝機械，塑料機械，食品機械等，多軸運動(dòng)控制的應用已經(jīng)非常廣泛，成為高性能，高品質(zhì)機械制造的重要標志。

    運動(dòng)控制的核心是驅動(dòng)系統，數據傳輸方式也逐漸由模擬量發(fā)展成基于總線(xiàn)的數字信號傳輸。為了有效協(xié)調同步各個(gè)軸的運動(dòng)過(guò)程，實(shí)現高精度的多軸運動(dòng)控制，一個(gè)實(shí)時(shí)高效的數字通信網(wǎng)絡(luò )是必不可少的。

    本文將討論高精度多軸運動(dòng)控制對通信網(wǎng)絡(luò )提出了什么樣的要求。然后以全球首個(gè)真正實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)ETHERNET Powerlink為例，介紹一個(gè)完全符合這些要求的運動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò )。

1 多軸運動(dòng)控制的模式和發(fā)展趨勢

    在多軸運動(dòng)控制中，各個(gè)廠(chǎng)商提供的控制理念和模式不盡相同，各種類(lèi)型都有其優(yōu)缺點(diǎn)，用戶(hù)要根據自己的實(shí)際需求來(lái)選擇方案。

    大體來(lái)說(shuō)，控制模式可以從2個(gè)層面上區分：驅動(dòng)單元和總體架構。從單個(gè)驅動(dòng)單元來(lái)看，可以從智能集成度劃分等級，從總體控制架構來(lái)看，有分布式和集中式2種模式。

    不同的解決方案對通信網(wǎng)絡(luò )的要求也不一樣，下面先介紹一下上面提到的控制模式，以及它們分別對通信系統的要求。

    1.1  驅動(dòng)單元：非智能型和全智能型

    對于單軸的驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，可以對它內部的智能集成度來(lái)進(jìn)行劃分。驅動(dòng)系統的核心作用是按照控制要求驅動(dòng)電機?？煽氐奈锢砹坑腥齻€(gè)：扭矩，速度，位置。 傳感器把這三個(gè)物理量反饋到控制系統，由控制系統進(jìn)行計算和輸出，實(shí)現對這三個(gè)量的閉環(huán)控制，從而實(shí)現運動(dòng)控制。眾多廠(chǎng)商提供的驅動(dòng)器按智能集成度大體可以分成三種類(lèi)型（如圖1所示）。

    集中式多軸運動(dòng)控制在機器人領(lǐng)域比較常見(jiàn)，通常由一個(gè)運算能力強大的中央控制系統來(lái)協(xié)調計算各個(gè)驅動(dòng)系統單元，完成復雜的三維動(dòng)作。
使用上述第三種驅動(dòng)器（高智能集成型），相應的多軸控制任務(wù)可以直接分布到各個(gè)驅動(dòng)單元中去，實(shí)現完全分布式的多軸運動(dòng)控制，如圖3所示。

圖 3  分布式多軸運動(dòng)控制

    在分布式控制模式中，位置、速度、電流閉環(huán)在各驅動(dòng)器單元內部完成，為了協(xié)調各軸的動(dòng)作，需要交換的數據包就相對要大一些，主要包含位置、速度、電流等信息。由于像閉環(huán)控制這樣的對運行周期時(shí)間和精度都要求很高的任務(wù)已經(jīng)在驅動(dòng)器單元內部完成，它們之間的數據交換就可以相對慢一些，速度信息通常每400us左右交換一次，位置信息1~2ms交換一次即可。各站點(diǎn)之間通信關(guān)系可以是任意的，主控系統和驅動(dòng)器單元以及驅動(dòng)器單元間應該可以任意點(diǎn)對點(diǎn)通信，如圖5所示。

    不管使用哪一種模式，通信網(wǎng)絡(luò )系統都必須具有很高的時(shí)間同步精度。主控系統和驅動(dòng)器單元必須通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現高精度同步。所以，網(wǎng)絡(luò )本身的實(shí)時(shí)性對控制質(zhì)量有著(zhù)直接的影響。

    2.2  維護和診斷

    在對設備的檢測維護過(guò)程中，上位系統必需可以對驅動(dòng)器中任何變量和參數進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，需要時(shí)還要進(jìn)行修改。所以，通信系統除了傳輸同步信息外，還要為這類(lèi)非同步信息留下空間。

    集中式控制模式中的絕大部分相關(guān)參數已經(jīng)存在主控單元中，各驅動(dòng)器單元的診斷數據主要是一些少量的狀態(tài)信息，顯示系統是否正常運行。所以，通信網(wǎng)絡(luò )在集中控制模式中不需要為診斷信息預留很多帶寬。

    分布式控制模式正好相反，由于控制智能被分散到各個(gè)驅動(dòng)器單元，相應數據也是存儲在各個(gè)驅動(dòng)器中，驅動(dòng)單元各自獨立完成復雜的運動(dòng)過(guò)程，自行對運動(dòng)過(guò)程做出響應，各驅動(dòng)器中存儲了大量信息，如凸輪曲線(xiàn)，診斷信息等。為了讓用戶(hù)可以更方便地訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)數據，很多高智能驅動(dòng)器內部甚至可以集成Web服務(wù)器，這樣，用戶(hù)可以直接用Web瀏覽器對系統進(jìn)行遠程訪(fǎng)問(wèn)。所以，在一個(gè)分布式的控制模式中通信網(wǎng)絡(luò )必須給診斷數據，參數下載等非同步信息預留比較大的帶寬空間。

    同步信息：需要周期性交換的信息，如位置、速度、扭矩等，需要高同步精度。非同步信息：無(wú)需周期性交換的信息，如參數下載，狀態(tài)參數讀取等，沒(méi)有同步精度要求。

    2.3  通信協(xié)議的高層抽象化

    為了讓客戶(hù)能夠更加方便地對網(wǎng)絡(luò )中的控制單元（包括除驅動(dòng)器以外等其它設備）進(jìn)行編程、組態(tài)和維護，需要對通信網(wǎng)絡(luò )的低層協(xié)議進(jìn)行抽象化。網(wǎng)絡(luò )中的設備具有的功能和參數都由一個(gè)標準協(xié)議來(lái)進(jìn)行描述。用戶(hù)可以通過(guò)標準編程接口（APIs）訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )中不同廠(chǎng)家的設備，而不需要考慮設備在通信上，功能上的具體細節。新接入的設備可以通過(guò)清楚定義的通信接口被自動(dòng)識別，被設置參數，自動(dòng)集成到整體系統中來(lái)。

    2.4  集成安全通信

    在一個(gè)整體控制架構中，涉及到安全功能的控制設備（安全PLC，安全驅動(dòng)設備等）目前通常是單獨布線(xiàn)，自成獨立的安全通信網(wǎng)絡(luò )。如果把安全設備和其它設備整合到現有系統架構中來(lái)，和主控系統共用一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )，可以大大減少對設備組態(tài)、布線(xiàn)和維護的成本，同時(shí)提高設備的柔性和靈活性。當然，安全性能在這種架構中必須也能得到充分的保證，如果安全設備間的通信連接出現故障，系統必須能及時(shí)發(fā)現。

    在涉及安全的部分中，系統必需自動(dòng)周期性檢核控制系統和通信是否無(wú)故障運行。系統要識別任何通信中斷，數據包丟失或錯誤，需要的話(huà)將整個(gè)設備停到一個(gè)安全的狀態(tài)下?？刂葡到y必須以極高的概率排除設備對人員或物資產(chǎn)生危險的可能性。

    按照IEC 61508和相關(guān)標準IEC 62061，ISO 13849的規定，使用標準工業(yè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的通訊技術(shù)不足以獲得所需的可靠性和安全等級。使用標準工業(yè)網(wǎng)絡(luò )傳輸的信息有可能丟失、沖突或者亂序。為了保證數據的完整性，達到安全性的要求，安全網(wǎng)絡(luò )在應用層定義了附加的數據檢核，包括監控Watchdog定時(shí)器、檢測報文編號、確認順序和標記及額外的數據一致性檢核。

    為了把這些安全功能集成到現有的現場(chǎng)總線(xiàn)和通信網(wǎng)絡(luò )中來(lái)，近幾年已經(jīng)有一些帶有保護和監測機制的，符合安全標準的專(zhuān)用通信協(xié)議被開(kāi)發(fā)出來(lái)。

    2.5  安全的訪(fǎng)問(wèn)機制

    對于設備的遠程維護監控來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單透明的訪(fǎng)問(wèn)機制是非常有利的。用戶(hù)可以直接用Modem或者寬帶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)直接對設備上任何一個(gè)控制單元進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)維護。理想情況下設備中的通信系統可以直接使用互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，在智能驅動(dòng)系統中集成的Web服務(wù)器就可以直接通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)被訪(fǎng)問(wèn)，提供相應的系統狀態(tài)和參數。

    但是這種通信的透明度在實(shí)際情況下會(huì )帶來(lái)很多問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò )中的不安全因素（病毒、木馬、蠕蟲(chóng)等）會(huì )給現場(chǎng)運行的設備帶來(lái)危險。所以，在滿(mǎn)足遠程訪(fǎng)問(wèn)要求的同時(shí)，一個(gè)安全的訪(fǎng)問(wèn)機制是必不可少的。外部網(wǎng)絡(luò )中無(wú)論是人為或非人為因素造成的故障不應該影響現場(chǎng)設備的正常運行。對于多軸運動(dòng)控制通信系統來(lái)說(shuō)，通信故障造成的偏差不僅影響控制質(zhì)量，甚至也會(huì )造成設備損壞和對人員的傷害。

    2.6  統一的網(wǎng)絡(luò )架構

    為了節省開(kāi)發(fā)維護的成本，在整體控制架構中使用的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型越少越好。最佳情況下，一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )，可以滿(mǎn)足運動(dòng)控制系統對高速實(shí)時(shí)通信的要求，也可以用來(lái)作為其它非同步數據的通信介質(zhì)（IO，人機界面，數據監控采集等）。以太網(wǎng)作為一個(gè)成熟的通信介質(zhì)，可以滿(mǎn)足用戶(hù)的多種需求。

3 ETHERNET Powerlink 提供完整的解決方案

    以上提到了多軸運動(dòng)控制系統對通信網(wǎng)絡(luò )的要求，下面將以ETHERNET Powerlink 為例，介紹一個(gè)已經(jīng)得到驗證的，成熟的解決方案。

    ETHERNET Powerlink （以下簡(jiǎn)稱(chēng)EPL）是由奧地利貝加萊（B&R）工業(yè)自動(dòng)化公司于2001年推出的全球首個(gè)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)標準。這個(gè)標準推出后即被公開(kāi)，任何公司單位個(gè)人都可以免費獲取。由一個(gè)中立性的組織EPSG對這個(gè)標準進(jìn)行維護，目前已經(jīng)有全球超過(guò)200知名工控企業(yè)加入這個(gè)組織，包括大家熟悉的ABB，Alstom，Hirshmann，P＋F，Wago 等。

    EPL建立在標準快速以太網(wǎng)IEEE802.3的基礎之上，協(xié)議運行在一個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )域中，所謂實(shí)時(shí)域（Real－Time－Domain）。 這樣就可以保證對實(shí)時(shí)性要求極高的通信要求（如多軸運動(dòng)控制）不會(huì )被與之連接的非實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò )（如辦公室網(wǎng)絡(luò )）所影響。 單個(gè)實(shí)時(shí)域內最多可同時(shí)接入240個(gè)站點(diǎn)。

    3.1  同步段實(shí)時(shí)數據交換

    EPL是一個(gè)嚴格周期性的通信協(xié)議，它可以保證所有在實(shí)時(shí)域內的站點(diǎn)以小于1us的時(shí)間精度相互同步。其中一個(gè)站點(diǎn)作為管理站控制整個(gè)實(shí)時(shí)域的時(shí)間特性。每個(gè)通信周期開(kāi)始時(shí)，管理站會(huì )發(fā)出一個(gè)非常精確的同步信號SoC (Start of Communication）。

    之后EPL協(xié)議為所有站點(diǎn)預留了一個(gè)時(shí)間槽，用來(lái)進(jìn)行同步信息的通信，這個(gè)階段被稱(chēng)作同步段。在同步段，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)站點(diǎn)都會(huì )被分配得到一個(gè)專(zhuān)用的時(shí)間槽，有時(shí)多個(gè)站點(diǎn)也可以共用一個(gè)時(shí)間槽（Multiplex模式），以便充分利用帶寬。

    同步段結束后，協(xié)議還預留了一個(gè)時(shí)間段作為非同步信息（參數診斷，下載等）通信段。非同步信息對實(shí)時(shí)性沒(méi)有要求，所以每個(gè)同步周期只有唯一一個(gè)站點(diǎn)可以發(fā)出非同步信息就可以滿(mǎn)足要求，如圖6所示。

圖 6  同步段實(shí)時(shí)數據交換

    通信機制采用廣播形式，所有站點(diǎn)都可以同時(shí)接受信息，這樣，可以實(shí)現多個(gè)站點(diǎn)中的橫向數據交換，如驅動(dòng)單元間的直接數據交換。這樣，集中式和分布式兩種控制模式的要求都可以得到滿(mǎn)足。

    EPL的報文格式完全符合IEEE802.3標準幀格式，使用市場(chǎng)上任何一種以太網(wǎng)芯片就可以方便地實(shí)現EPL協(xié)議，成本非常低廉。使用市場(chǎng)上完全以軟件方式實(shí)現的EPL系統，結合標準報文，最短通信周期可以達到100us。單個(gè)報文最長(cháng)可以有1500個(gè)字節的有效數據長(cháng)度。

    通信周期的最短時(shí)間，時(shí)間槽的數量，以及單幀報文的長(cháng)短都可以由用戶(hù)自由設置。通過(guò)對這類(lèi)參數的設定，EPL可以適合不同場(chǎng)所不同類(lèi)型的應用要求，特別在多軸運動(dòng)控制領(lǐng)域，可以滿(mǎn)足集中和分布2種控制模式對網(wǎng)絡(luò )通信的要求。EPL的具體參數如下：

    * 公開(kāi)的協(xié)議，知識產(chǎn)權完全開(kāi)放

    * 符合IEEE 802.3, IP-協(xié)議, CANopen 和其它多種國際標準

    * 以標準以太網(wǎng)為基礎的高實(shí)時(shí)性數據交換

    * 可實(shí)現100μs 通信周期 和 <1?s 的網(wǎng)絡(luò )抖動(dòng)（Jitter） 

    * 可實(shí)現任意靈活的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

    * 用TCP/UDP/IP 協(xié)議實(shí)現透明通信

    * 現場(chǎng)已經(jīng)有超過(guò)15萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)的應用 

    * 可用標準以太網(wǎng)硬件模塊實(shí)現; 無(wú)需設計專(zhuān)用芯片

    * 標準化組織已經(jīng)有超過(guò)200家知名企業(yè)作為會(huì )員

    3.2  非同步數據可使用TCP/UDP/IP

    在非同步段，數據可以依舊使用標準IP－報文格式傳輸，標準應用也可以在EPL協(xié)議堆棧上輕松實(shí)現，如Web服務(wù)器，e-mail服務(wù)等。如果給一個(gè)EPL站點(diǎn)賦予IP地址，就可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在世界任何一端直接訪(fǎng)問(wèn)此站點(diǎn)，如圖7所示。

    在EPL站點(diǎn)傳輸非同步數據之前，先報告給管理站，管理站通過(guò)一個(gè)優(yōu)先分配清單來(lái)統一調配分給各站的非同步時(shí)間段。

    3.3  應用層（第7層）使用CANopne協(xié)議

    在協(xié)議的應用層，EPL直接使用靈活的CANOpen作為通信和設備描述的協(xié)議。由于EPL使用的是快速以太網(wǎng)作為其通信介質(zhì)，它的通信速率可以比CAN總線(xiàn)快將近100倍，使用的卻是同一種應用層接口。

    EPSG組織和CiA(CAN in Automation)合作，把CANopn種的DS301和DS302規約移植到EPL中來(lái)。每一種符合EPL標準的設備都由一個(gè)統一的設備模型來(lái)描述，如圖8所示。設備模型的核心部分是通過(guò)對象字典（Object Dictionary）對設備功能進(jìn)行描述。對象字典分為兩部分，第一部分包括基本的設備信息，如設備ID、制造商、通信參數等。第二部分描述了特殊的設備功能。一個(gè)16位的索引和一個(gè)8位的子索引唯一確定了對象字典的入口。通過(guò)對象字典的入口可以對設備的“應用對象”進(jìn)行基本網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)，設備的“應用對象”可以是輸入輸出信號、設備參數、設備功能和網(wǎng)絡(luò )變量等。

 圖7  無(wú)論哪個(gè)網(wǎng)絡(luò )層面都可以直接訪(fǎng)問(wèn)EPL站點(diǎn)

圖 9  EPL可以用UDP傳輸CANopen SDO

    需要高同步精度的時(shí)間關(guān)鍵數據通過(guò)過(guò)程數據對象PDO(Process Data Object)進(jìn)行數據交換。網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)站點(diǎn)都可以讀取PDO，并對它進(jìn)行處理。PDO的數據內容在網(wǎng)絡(luò )系統的初始階段就被設置好。所以數據傳輸本身可以實(shí)現時(shí)間優(yōu)化，而且不帶附加數據（幀頭尾等）。

    EPL 可以在一幀同步報文中最多傳輸1490個(gè)字節，而CAN總線(xiàn)最多只有8個(gè)字節。參數下載，診斷數據等非時(shí)間關(guān)鍵數據可以放在服務(wù)數據對象（SDO）中傳輸。在非同步段的SDO的傳輸遵循 客戶(hù)端/服務(wù)器 模式。網(wǎng)絡(luò )中任何一個(gè)EPL站點(diǎn)都可以通過(guò)對象字典（Object Dictionary）訪(fǎng)問(wèn)另一個(gè)站點(diǎn)的SDO。數據量的大小沒(méi)有限制。通過(guò)使用UDP/IP 報文格式也可以直接從互聯(lián)網(wǎng)上訪(fǎng)問(wèn)SDO，如圖9所示。

圖 10  EPLsafety 報文自動(dòng)動(dòng)態(tài)地適應有效數據的長(cháng)短