運動控制是典型自動化和控制系統(tǒng)中最苛刻的應用之一，正如我們之前在其他幾篇文章中所指出的。多年來，它主要是傳統(tǒng)現(xiàn)場總線（如CANopen）以及傳統(tǒng)的外圍組件互連卡的領域。這些技術有其相當多的限制（例如，相對微薄的帶寬），但通常可靠且實施成本低廉。1然而，幾年前就開始向工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（包括PROFINET以及EtherNet/IP，EtherCat和許多其他協(xié)議）邁進，因為以太網(wǎng)被修改以解決其最大的缺點，特別是其標準辦公室化身缺乏確定性。

以太網(wǎng)仍然是迄今為止最流行的辦公網(wǎng)絡標準集，并且在工廠環(huán)境中也比現(xiàn)場總線增長得更快。2015年初的一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以太網(wǎng)節(jié)點的年增長率為17%，而傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的年增長率為7%。

隨著時間的推移，以太網(wǎng)已變得比這些技術更可取，原因如下：

它開辟了將不同的網(wǎng)絡融合為一個網(wǎng)絡的可能性，在工廠車間和企業(yè)IT之間創(chuàng)建了一個不需要處理一堆不同協(xié)議的共同連接。這對于運動和機器控制尤其重要，這兩者都在歷史上被劃分為多個現(xiàn)場總線，如DeviceNet，SafetyBUS p等。

它具有持久力。盡管以太網(wǎng)在幾十年前就被商業(yè)引入，但它仍然是迄今為止最流行的辦公網(wǎng)絡標準集，并且在工廠環(huán)境中也比現(xiàn)場總線增長得更快。2015年初的一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以太網(wǎng)節(jié)點的年增長率為17%，而傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的年增長率為7%。

它得到了廣泛的支持，而不僅僅是在自動化行業(yè)。部件是大量制造的，因此，通常比操作現(xiàn)場總線和傳統(tǒng)PCI網(wǎng)絡基礎設施所需的專用設備更具成本效益。安裝和維護也更簡單;不需要對單獨的技術進行多次培訓，可以使用標準組件。

最重要的是，以太網(wǎng)現(xiàn)在還可以提供確定性，這是任何運動控制應用的核心。一系列進步，例如用全雙工交換和隔離沖突域取代CSMA/CD，以及IEEE 1588精確時間協(xié)議的不斷完善，使以太網(wǎng)走上了成為工業(yè)系統(tǒng)可預測網(wǎng)絡的道路。截至2016年初，包含IEEE 802.1和802.3規(guī)范部分內(nèi)容的通用標準（如時間敏感網(wǎng)絡（TSN））尚未完全可用，但工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)為確定性，經(jīng)濟高效和可擴展的運動控制提供了可行的解決方案。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議可以處理要求苛刻的運動控制應用。

實現(xiàn)同一目標的不同方式

讓我們簡要了解每種應用如何提供運動和機器控制應用所需的確定性：

普羅菲特

標準TCP/IP堆棧可以通過PROFINET IRT通道繞過，該通道可以通過多種方式定義：

一種選擇是通過同步節(jié)點的 ASIC;在此設置下，每個PROFINET IRT器件都有一個特殊的ASIC，用于處理節(jié)點同步和周期細分，并包含一個智能2端口或4端換機。

另一種可能性是使用一種解決方案，例如標準REM交換機，該解決方案可以配置為多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，包括IRT。

總體而言，PROFINET IRT專為需要確定性亞微秒級時鐘同步的系統(tǒng)而設計。小于 1 毫秒是周期時間的目標基線，而小于 1 微秒是抖動精度的理想選擇。3為了達到這些目標，PROFINET IRT使用全雙工快速以太網(wǎng)進行網(wǎng)絡分段。它通過其帶寬預留、調(diào)度和不同類型以太網(wǎng)流量的時域分離功能為其流量定義一條快速通道。

以太貓

EtherCAT利用動態(tài)處理，允許幀在返回主站之前以可忽略不計的時間延遲通過從站。這與標準以太網(wǎng)形成鮮明對比，標準以太網(wǎng)將幀發(fā)送到多個設備并等待所有設備響應和更新，在此過程中通常會有很多延遲。相反，EtherCAT從站會在數(shù)據(jù)到達時提取數(shù)據(jù)并寫入響應。

EtherCAT協(xié)議還允許通過將眾多設備的傳入和傳出數(shù)據(jù)合并到單個以太網(wǎng)幀中來優(yōu)化帶寬。通過這種方式，它減少了傳輸開銷，并為I/O、驅(qū)動器和其他設備負載較重的網(wǎng)絡提供了急需的支持。多軸伺服控制需要大量帶寬，而 EtherCAT 可以成群結隊地釋放帶寬。根據(jù)Machine Design引用的數(shù)據(jù)，使用EtherCAT的網(wǎng)絡可以在不到250微秒的時間內(nèi)采樣和更新64個驅(qū)動器和一些額外的I / O。

以太網(wǎng)/IP

EtherNet/IP 維護標準以太網(wǎng)層，包括 TCP/IP 和 UDP/IP。這對工廠運營商來說非常方便，因為他們可以在整個網(wǎng)絡中使用未經(jīng)修改的以太網(wǎng)組件。然而，它通過擴展進行了幾個關鍵的補充，關閉了以太網(wǎng)和傳統(tǒng)現(xiàn)場總線之間的確定性。

CIP Sync 將 IEEE 1588 精確時間協(xié)議映射到通用工業(yè)協(xié)議使用的直觀面向?qū)ο竽Ｐ停ǔ溯^舊的 CompoNet、DeviceNet 和 ControlNet 現(xiàn)場總線之外，該模型是 EtherNet/IP 的基礎）。這允許跨器件進行精確的時鐘同步。

CIP 運動提供了一組應用配置文件，可在伺服、變頻和/或矢量驅(qū)動器內(nèi)關閉扭矩、速度和位置環(huán)。它可以通過運動規(guī)劃器更新協(xié)調(diào)大量軸，只需 1 毫秒。

ODVA是監(jiān)督CIP和EtherNet/IP開發(fā)的組織，它繼續(xù)更新這些擴展，以滿足控制器到驅(qū)動器接口和控制器間通信等關鍵要求。EtherNet/IP 作為一個整體，對于使用標準、未經(jīng)修改的以太網(wǎng)進行運動控制來說，仍然是一個有吸引力的選擇。

“CIP Motion在工業(yè)自動化的城市神話中打了一個洞”5羅克韋爾自動化的Paul Brooks在一篇關于工業(yè)IP Advantage的文章中解釋道。“神話：標準以太網(wǎng)不能用于運動控制，因此需要開發(fā)基于以太網(wǎng)的東西;將時間片算法添加到設備的固件或硬件中，或者只是使用 CAT5 電纜和標準以太網(wǎng)網(wǎng)關構建專有網(wǎng)絡。

正如這三種協(xié)議所表明的那樣，運動控制是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，但可以通過工業(yè)以太網(wǎng)有效解決。現(xiàn)場總線并沒有消失，但隨著越來越多的企業(yè)希望簡化其網(wǎng)絡并為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)做好準備，它們面臨著激烈的競爭。

審核編輯：郭婷