以太網(wǎng)用于運(yùn)動(dòng)控制的三個(gè)原因

以太網(wǎng)正成為工業(yè)應(yīng)用中日益重要的網(wǎng)絡(luò)。

就運(yùn)動(dòng)控制而言，以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線以及其他技術(shù)(如外圍組件互連)歷來(lái)都是相互競(jìng)爭(zhēng)的，用以在工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中獲得對(duì)一些最苛刻要求的工作負(fù)載的處理權(quán)限。運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用要求確定性(保證網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)將工作負(fù)載傳送至預(yù)定的節(jié)點(diǎn))，這是確保位置保持所必需的，這進(jìn)而又將確保驅(qū)動(dòng)器的精確停止、適當(dāng)?shù)募铀?減速以及其他任務(wù)。

標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3以太網(wǎng)從未達(dá)到這方面的要求。即使全雙工交換和隔離沖突域淘汰了過(guò)時(shí)的CSMA/CD數(shù)據(jù)鏈路層，但它還是缺乏可預(yù)測(cè)性。此外，典型堆棧中的TCP/IP的高度復(fù)雜性并未針對(duì)實(shí)時(shí)流量的可靠傳送進(jìn)行優(yōu)化。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線以及帶有基于ASIC的PCI卡的PC控制架構(gòu)一直是常見的運(yùn)動(dòng)控制解決方案。

從EtherNet/IP®到EtherCAT®的以太網(wǎng)解決方案以其獨(dú)特的方式克服了這些缺點(diǎn)。盡管工業(yè)以太網(wǎng)相較于別的替代技術(shù)還有一些其它優(yōu)勢(shì)，然而它在運(yùn)動(dòng)控制中還遠(yuǎn)沒(méi)有占到主導(dǎo)地位。我們來(lái)看看它能夠并且將會(huì)在未來(lái)幾年的競(jìng)爭(zhēng)中越來(lái)越被接受的三個(gè)原因。

融合而不是增加復(fù)雜性

隨著時(shí)間的推移，企業(yè)IT與工廠之間的互聯(lián)不斷增加，導(dǎo)致了系統(tǒng)更復(fù)雜，往往將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線混合使用。例如，機(jī)器可能會(huì)利用：

（1）適用于與伺服器進(jìn)行通信的SERCOS 1

（2）適用于聯(lián)網(wǎng)變頻驅(qū)動(dòng)器的PROFIBUS®

（3）適用于故障安全現(xiàn)場(chǎng)總線通信的SafetyBUS p

（4）適用于連接至傳感器的DeviceNet

（5）用于向最終用戶發(fā)送數(shù)據(jù)、通過(guò)網(wǎng)關(guān)訪問(wèn)的以太網(wǎng)

這樣的網(wǎng)絡(luò)很復(fù)雜，而且它的建立和維護(hù)也很昂貴。每個(gè)協(xié)議都需要各自的實(shí)施程序、安裝人員和培訓(xùn)。相比之下，以太網(wǎng)提供了將適用于運(yùn)動(dòng)、安全等的不同網(wǎng)絡(luò)融合到經(jīng)濟(jì)高效的基礎(chǔ)架構(gòu)上的可能性，該架構(gòu)布線更容易，獲得供應(yīng)商的廣泛支持，并能適應(yīng)未來(lái)要求。

以太網(wǎng)提供了不同網(wǎng)絡(luò)融合的可能性。

EtherNet/IP協(xié)議體現(xiàn)了如何在實(shí)踐中充分發(fā)揮融合的作用。通過(guò)使用TCP/IP和UDP/IP等標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)、輔以CIP Sync(用于實(shí)現(xiàn)分布式時(shí)鐘IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議同步)等特性，集成的交換式系統(tǒng)可以同時(shí)適應(yīng)商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用。2

確定性適用于運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)控制依賴于精確通信。這種精確性通過(guò)使用基于時(shí)隙的調(diào)度來(lái)支持，每個(gè)設(shè)備在調(diào)度策略中都有一個(gè)與其它設(shè)備進(jìn)行通信的調(diào)度表。這些伺服驅(qū)動(dòng)器和控制器計(jì)算出它們各自的時(shí)序，由此可計(jì)算出控制函數(shù)的ΔT值。但是，如果數(shù)據(jù)傳輸變得無(wú)法預(yù)測(cè)，則可能會(huì)丟失結(jié)果，因此需要確定性來(lái)確保環(huán)路的穩(wěn)定性。

以太網(wǎng)能夠支持工廠中苛刻的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用

在某些情況下，通過(guò)直接集成于英特爾®芯片內(nèi)的加速器電路在EtherNet/IP中實(shí)施IEEE 1588，只是以太網(wǎng)解決方案用于強(qiáng)制確定性的一種常見機(jī)制。EtherCAT的高速實(shí)時(shí)處理是運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中如何實(shí)現(xiàn)始終如一的預(yù)測(cè)性能的另一個(gè)示例。EtherCAT突破了基于PCI的集中式通信的嚴(yán)格物理限制，即要求機(jī)器處理單元和伺服處理器之間可快速通信但需要保持短距離。

Jason Goerges在發(fā)表于2010年Machine Design的一篇文章中解釋道：“基于EtherCAT的分布式處理器架構(gòu)具備寬帶寬、同步性和物理靈活性，可與集中式控制的功能相媲美并兼具分布式網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)”。3 “事實(shí)上，一些采用這種方式的處理器可以控制多達(dá)64個(gè)高度協(xié)調(diào)的軸(包括位置、速度和電流環(huán)以及換向)，采樣速率和更新速率為20 kHz?！?

面向IIoT的長(zhǎng)期可行性

以太網(wǎng)自作為一種局域網(wǎng)技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)過(guò)一系列發(fā)展。鑒于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線組件目前的制造規(guī)模較小，而PCI正面臨逐漸成為過(guò)時(shí)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)，以太網(wǎng)經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，現(xiàn)已完全有能力為以IP為核心的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)。

即將到來(lái)的改進(jìn)(如時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)將完善IEEE 1588并支持網(wǎng)絡(luò)融合的可能性)也使以太網(wǎng)成為當(dāng)前和未來(lái)運(yùn)動(dòng)控制的理想選擇。這并不是說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)總線和PCI將會(huì)消亡，只是隨著自動(dòng)化行業(yè)邁向IIoT，以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)將持續(xù)提升。

參考文獻(xiàn)

1 Paul Brooks.“EtherNet/IP應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制”Industrial IP Advantage，2015年10月

2 “通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)成功實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制”Industrial Ethernet Book，第48卷第71期

3 Jason Goerges.“EtherCAT實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動(dòng)控制”Machine Design，2010年11月。