運動控制器在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的應(yīng)用

日趨激烈的國際競爭，要求設(shè)備或機(jī)器制造商交付儀器時要擁有更大的吞吐率，同時要有更小的運行成本。不斷增加的成本和環(huán)境意識的增強(qiáng)，也要求工程師的設(shè)計具有更小的能源消耗。正因為如此，設(shè)備制造商不再設(shè)計僅僅針對單一目標(biāo)的設(shè)備，而是通過采用現(xiàn)代控制系統(tǒng)和邏輯算法，在機(jī)械結(jié)構(gòu)中融入高端電子和通信技術(shù)，著力創(chuàng)造更靈活有效的多用途設(shè)備。
 

圖1. 使用機(jī)械零件的傳統(tǒng)應(yīng)用

圖2. 如今的方法使用多個同步軸

在一個典型系統(tǒng)中，運動控制器負(fù)擔(dān)著日益復(fù)雜的要求。通過處理多軸同步，這些控制器可以提供齒輪和凸輪功能，以及諸如限位開關(guān)、驅(qū)動器使能和急停等安全功能。除此之外，該運動控制器還需要提供傳統(tǒng)的功能并以最佳的性能和效率運行控制算法。

傳統(tǒng)的運動控制應(yīng)用使用一個專門的獨立運動控制器來處理更大的控制復(fù)雜性。當(dāng)代自動控制器性能的提升，如可編程的自動化控制器或可編程的邏輯控制器，推動了將運動控制器的功能直接整合到自動化控制器這樣一種趨勢，并將其視作一個優(yōu)先級高于其它自動化任務(wù)的方式來運行。

20世紀(jì)80年代初以來，自動化系統(tǒng)是基于數(shù)字總線來執(zhí)行諸如傳輸過程數(shù)據(jù)和執(zhí)行工業(yè)通信任務(wù)的。相對于模擬總線，它們更可靠，功能更強(qiáng)大，特別是對于遠(yuǎn)距離通信來說更是如此。此外，數(shù)字網(wǎng)絡(luò)簡化了布線，因為它們允許以串行方式連接多個單元，而不是單獨連接每個元素。這樣的系統(tǒng)在布線方面更加便宜，更容易維護(hù)。

出于對性能的需要，許多年來運動控制行業(yè)都采用另一個方法，即通過模擬總線或?qū)Ｓ眠\動控制總線來連接驅(qū)動器。這個額外的通信策略提高了整個系統(tǒng)的復(fù)雜性。隨著數(shù)字驅(qū)動器的趨勢日趨明顯和高性能數(shù)字總線的出現(xiàn)，現(xiàn)在可以在運動控制和數(shù)據(jù)處理當(dāng)中使用同一個總線，來簡化系統(tǒng)架構(gòu)。同時，通過EtherCAT, CANopen, PROFIBUS, Ethernet POWERLINK, 或 SERCOS等數(shù)字總線，可以獲得顯著的性能提升。

特別是在執(zhí)行分布式多軸運動控制的應(yīng)用中，數(shù)字總線有很大的優(yōu)勢。它們可以提供更高的靈活性，并允許使用分布到驅(qū)動器層次的處理能力和決策能力來開發(fā)系統(tǒng)。使用同一個標(biāo)準(zhǔn)，用戶就可以簡單地將不同的供應(yīng)商的系統(tǒng)整合起來，為他們的特定應(yīng)用選擇最佳的方案。

通過使用經(jīng)由數(shù)字總線進(jìn)行通信的數(shù)字驅(qū)動器，供應(yīng)商和制造商不僅可以使用交換控制相關(guān)的數(shù)據(jù)，而且可以傳輸狀態(tài)信息或安裝參數(shù)來創(chuàng)建驅(qū)動器。自動化用戶所關(guān)心的一個主要問題就是，對于通用的自動化應(yīng)用和特定的運動控制應(yīng)用來說，哪個才是正確的協(xié)議。

最常見的基于以太網(wǎng)的協(xié)議：

EtherCAT

SERCOS II/III

CANopen

Modbus IDA

PROFINET

PROFIBUS

EtherNet/IP

Ethernet POWERLINK

由于存在很多不同的總線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，客戶需要確保他們想使用的零部件可以提供正確的接口。這意味著制造商常常不得不為自己的零部件開發(fā)幾個不同的版本。這增加了開發(fā)成本，而且要同時滿足多個標(biāo)準(zhǔn)化組織的要求。NaTIonal Instruments等公司努力提供開放式的系統(tǒng)，與各種總線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議進(jìn)行交互。

在對所有主要工業(yè)協(xié)議提供支持，并對所有標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供互聯(lián)的同時，NaTIonal Instruments選擇EtherCAT作為針對運動控制應(yīng)用的主要通信協(xié)議。

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)）是一種高性能、用于確定性以太網(wǎng)的工業(yè)通信協(xié)議。它使用可預(yù)測的時序和精確的同步數(shù)據(jù)擴(kuò)展了IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議。在EtherCAT技術(shù)組的管理下，這個開放性標(biāo)準(zhǔn)已作為IEC 61158的一部分被公布，并通常用在諸如機(jī)械設(shè)計與運動控制等應(yīng)用中。

EtherCAT通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)連接實現(xiàn)主/從架構(gòu)。NaTIonal Instruments的EtherCAT主控器包括雙以太網(wǎng)端口實時控制器，如NI CompactRIO，PXI和工業(yè)控制器等。每個NI從設(shè)備也包含兩個端口，允許從主控制器以菊花鏈的方式進(jìn)行連接。