1 生產(chǎn)效率的提升帶來(lái)了對網(wǎng)絡(luò )的巨大需求

    隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)的提高，運動(dòng)控制技術(shù)與機器人技術(shù)也得到了更為廣泛的應用，傳統的總線(xiàn)愈發(fā)無(wú)法滿(mǎn)足高速高精度加工的系統需求，而隨著(zhù)IT技術(shù)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(wú)法實(shí)現數據交換的確定性使其無(wú)法在高實(shí)時(shí)性領(lǐng)域使用，為了解決這一問(wèn)題，各主流的自動(dòng)化公司均開(kāi)發(fā)了基于以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，其中2001年，由始創(chuàng )公司B&R開(kāi)發(fā)的EthernetPOWERLINK最早投入使用，此外由SIEMENS、Rockwell及BoschRexroth等開(kāi)發(fā)的PrifiNet、Ethernet/IP和SERCOSIII以及由Beckhoff開(kāi)發(fā)的EtherCAT技術(shù)也相繼出現。

    2 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的應用領(lǐng)域

    2.1 CNC和機器人

    傳統的CNC和機器人均是由專(zhuān)用的控制系統來(lái)實(shí)現，這包括了諸如SIEMENS的820、840D等CNC系統，由于需要大量的軸間插補運算，另一方面，原有的CNC系統其速度環(huán)和位置環(huán)計算由于均是由主站來(lái)進(jìn)行計算的，因此，其對數據通信的要求極其高，因此，傳統的SIEMENS和Fanuc均使用了其自主開(kāi)發(fā)的內部總線(xiàn)來(lái)實(shí)現，而今天隨著(zhù)智能伺服系統和工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的發(fā)展，這一系統架構設計將逐步得到改進(jìn)，例如Staubli的機器人系統就采用了Ethernet POWERLINK技術(shù)，使得其能夠在通用的硬件平臺上實(shí)現路徑轉換的計算，通過(guò)高速的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)傳遞到各個(gè)執行單元，從而實(shí)現機器人的高速高精度運轉。

    2.2 高速同步關(guān)系處理

    在很多傳統的機械行業(yè)，隨著(zhù)控制要求的愈發(fā)提高，越來(lái)越多的獨立驅動(dòng)技術(shù)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(shí)現工藝切換和性能的提升，下面舉兩個(gè)較為典型的例子作以說(shuō)明：

    （1） 印刷無(wú)軸傳動(dòng)系統

    由于傳統的機械長(cháng)軸造成系統機械結構的高復雜性以及高維護的特點(diǎn)，并且另一方面，系統的生產(chǎn)工藝切換也將由于訂單的不同需要機械調整，這使得整個(gè)生產(chǎn)系統的性能降低，并使得無(wú)軸傳動(dòng)-更為確切的說(shuō)是屬于電子軸技術(shù)，例如在凹版印刷、柔版印刷、瓦楞紙開(kāi)槽印刷等系統中，傳統的機械長(cháng)軸為獨立驅動(dòng)的伺服軸所代替。然而，這時(shí)軸與軸之間的關(guān)系將依賴(lài)于高速的通信系統來(lái)實(shí)現其運動(dòng)關(guān)系的同步，以及偏差的調整。在這個(gè)領(lǐng)域里，SERCOSIII和Ethernet POWERLINK占據主導的地位，由于印刷需要高速糾偏使得通信的刷新速度極其重要，在高速運行系統下，印刷機的控制周期必須達到微秒級，否則就無(wú)法實(shí)現高速的調整。

    （2） 全電動(dòng)注塑機

    全電動(dòng)注塑機同樣是一個(gè)需要高速通信的過(guò)程，由于射膠、合模、坐進(jìn)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(guò)程中的高速刷新任務(wù)都需要通信系統提供極高的刷新，一般這個(gè)任務(wù)等級在1ms以下。

    2.3 安全系統
 
    安全系統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(chē)距離顯然會(huì )對人體造成潛在風(fēng)險的降低，因此每個(gè)實(shí)現工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的技術(shù)均為安全系統提供了通信解決方案，這包括了Profi Safe,Ethernet IP Safe，以及由B&R開(kāi)發(fā)的openSAFETY，openSAFETY與其它Safety技術(shù)在技術(shù)實(shí)現上均遵循IEC61508，然而不同在于openSAFETY是一個(gè)可以運行在其它任何總線(xiàn)上的安全通信應用層協(xié)議，目前它已經(jīng)通過(guò)測試在ProfiNet、EthernetIP、Modbus、SERCOSIII上得到運行。

    2.4 過(guò)程控制

    過(guò)程控制雖然對于系統刷新的速度要求不高，但是，一方面，其對于冗余和多CPU之間的通信提出了非常高的要求，因為，這些功能是為滿(mǎn)足系統的高可靠運行而必需的設計，另一方面，對于更多的傳動(dòng)系統加入的過(guò)程應用而言，傳動(dòng)對于系統刷新速度的要求也必須得到更高的級別。

    2.5 工廠(chǎng)自動(dòng)化 FA

   工廠(chǎng)自動(dòng)化雖然并非是連續生產(chǎn)，然而，要去實(shí)現與企業(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(chǎng)設計，那么實(shí)時(shí)以太網(wǎng)則能夠滿(mǎn)足從生產(chǎn)的運動(dòng)控制到整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)與管理系統的集成，實(shí)現真正意義的一網(wǎng)到底，從而構建透明工廠(chǎng)，使得整個(gè)工廠(chǎng)的控制和狀態(tài)檢測能夠完整地集成在統一的系統架構之下。

    3 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的評估參數

    （1） 抖動(dòng)

    為了保證各個(gè)運動(dòng)軸之間的同步性，在控制指令發(fā)出后（例如POWERLINK是通過(guò)同步幀廣播的形式去給出同步信號的），各個(gè)軸之間執行任務(wù)會(huì )存在一個(gè)時(shí)間偏差，這個(gè)是影響系統同步性的關(guān)鍵指標。通常，主流的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)保持在100ns以?xún)?。很多使用者?huì )混淆這個(gè)概念，并非是傳輸速度很高就同步性高，因為系統的抖動(dòng)構成了同步性的關(guān)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(wù)而言，直接交叉通信是一個(gè)非常有用而關(guān)鍵的功能設計，這與通信機制有關(guān)，采用集束幀方案的以太網(wǎng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現這一點(diǎn)是因為它采取的是一種數據列車(chē)的方案，而像Ethernet POWERLINK和SERCOSIII則可以實(shí)現交叉通信，直接交叉通信可以使得從站之間進(jìn)行通信，這有兩個(gè)方面的好處，一方面，這可以降低主站的任務(wù)負載，從站之間可以互相通信來(lái)實(shí)現同步，尤其是對于那些實(shí)現電子齒輪同步、跟隨、安全系統而言非常有用，因為無(wú)需通過(guò)主站的執行，使得系統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設計更為靈活，在編程方面就無(wú)需太多的關(guān)心軸與軸之間的通信關(guān)系，而是直接的去控制節點(diǎn)即可。

    （3） 任務(wù)周期

    通常，Profinet RT和Ethernet IP只能實(shí)現在ms級的任務(wù)周期，這對于印刷無(wú)軸傳動(dòng)、全電動(dòng)注塑機等應用而言尚無(wú)法很好的滿(mǎn)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μs級任務(wù)的工業(yè)以太網(wǎng)主要是EthernetPOWERLINK、SERCOSIII和EtherCAT，通常以40個(gè)伺服軸和50個(gè)I/O站進(jìn)行的數據刷新來(lái)看，基本上可以在600μs～800μs，EtherCAT雖然宣稱(chēng)更低的任務(wù)周期，但是，由于是理論計算值，實(shí)際值仍然是在600μs以上。

    這一指標將會(huì )影響同步循環(huán)，會(huì )對生產(chǎn)系統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(shí)，任務(wù)周期必須在400μs以下方能保證這一精度。

    （4）冗余與多組同步

   是否能夠實(shí)現冗余設計對于流程工業(yè)而言至關(guān)重要，并且多CPU通信的同步也是流程工業(yè)中DCS系統的重要考量，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。

   4 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展

   4.1 標準以太網(wǎng)

   盡管目前很多以太網(wǎng)技術(shù)在產(chǎn)生，然而，有些網(wǎng)絡(luò )仍然采用ASIC這樣的私有技術(shù)來(lái)實(shí)現，包括EtherCAT目前在從站仍然采用非標準的IEEE802.3。但顯然標準以太網(wǎng)技術(shù)是未來(lái)的發(fā)展方向，因為為了實(shí)現對原有總線(xiàn)技術(shù)的替代才產(chǎn)生工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，而采用ASIC技術(shù)則使得技術(shù)走回了原有的私有技術(shù)的老路。因此，未來(lái)工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)仍然會(huì )沿著(zhù)標準網(wǎng)絡(luò )的路前行，否則將會(huì )仍然面臨被市場(chǎng)淘汰的危險。

    4.2 安全集成

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

    4.3 一網(wǎng)到底的設備互聯(lián)

    “一網(wǎng)到底”可滿(mǎn)足整個(gè)工廠(chǎng)的數據采集，并通過(guò)數據采集提供的數據對整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析和優(yōu)化，從而更好地提高企業(yè)地生產(chǎn)與運營(yíng)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(wù)，這使得“一網(wǎng)到底”的概念具有實(shí)現的可行，在實(shí)時(shí)數據和非實(shí)時(shí)的診斷、服務(wù)、管理數據之間也建立起一個(gè)互聯(lián)的可能。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第九期