運動控制正轉向以太網

　　到目前為止，從事機械設計的工程師們仍然需要對付一大堆的網絡技術，其中可能有用于所有I/O（輸入/輸出）的一個或兩個現場總線、一個用于所有其他目的的、具有自主知識產權的運動控制網絡和以太網。但是，支持所有這些網絡并不容易。這可能需要不同專業(yè)的人員實施網絡規(guī)劃和總線配置，整個系統要集成來自不同廠家的各類硬件，編寫集成軟件，可能還需要采購昂貴的專用設備和專用線纜。如果一種網絡能夠做所有這些工作，豈不是一件美事？

　　為了了解工業(yè)以太網究竟有多快，Beckhoff自動化公司推出了基于EtherCAT網絡的eXtreme Fast Control（極速控制技術）系統，它能使整個系統的響應時間快至100 微秒。

　　這正是工業(yè)以太網的設計訴求。由于能夠降低工廠自動化成本并且能與企業(yè)IT系統融洽兼容，在未來的幾年中工業(yè)以太網將具有巨大的增長勢頭。ARC咨詢集團高級分析師Harry Forbes在最近進行的一份研究中表明，工業(yè)以太網交換機和相關網絡基礎設施的市場在接下來的五年中將從2006年的2億6千萬美元上升至近10億美元。

　　動這種增長的并不僅僅是IT行業(yè)的人們。“工程師們認為，如果能夠轉移到工業(yè)以太網，他們就可以在工廠里用從當地電子商店中購買的CAT5網線和網絡設備連接任何東西了，” Bosch Rexroth傳動與控制公司技術副總裁Scott Hibbard說，“這確實是自動化一種理想化的前景。”

　　直到最近，運動控制還一直不能接受這種觀點。“要把以太網用于運動控制就必須讓它做從來沒有被設計要做的事情，” Hibbard說。正如當初的設想，以太網不能提供周期時間、確定性或需要用來實時閉合高性能伺服回路或快速更新復雜軌跡的服務質量。“Ethernet TCP/IP當初并不是用來讓你進行運動控制的，”安川電機公司（Yaskawa Electric）電氣工程師、技術開發(fā)總監(jiān)Ed Nicolson博士說。

　　但是，在過去的七年中，工程師們開發(fā)出一些聰明方法可以讓以太網絡具有實時性能，這種實時性能不但適用于要求不是很高的I/O應用，而且也適用于復雜的運動控制作業(yè)。Forbes預測，基于以太網的運動控制前景非常光明。“即使不是大多數也會有很多運動控制應用最終會轉移到工業(yè)以太網上。”

　　但是首先，工程師們必須從諸多競爭的工業(yè)以太網中找出哪個能夠最好地滿足他們的運動控制需求。由于宣稱具有實時性能網絡技術的數量眾多，這并不是一件容易的事。目前，在實時以太網網站上就羅列了22種。

　　它們中只有少數幾種在技術上處于領先，可以作為開放標準，有可能在更大的、需要大量運動控制的自動化系統中得以立足。這些技術包括ROFINET、SERCOS III、Ethernet TCP/IP、EtherCAT、 ETHERNET Powerlink和Modbus。有些運動控制專家把其中的Ethernet TCP/IP和Modbus排除在實時類網絡之外，因為這兩種的性能比不上其他的四種。（欲了解關于各種網絡的詳細信息，請訪問網站：http://designnews.com.cn/0804-301.aspx）。

　　據Rockwell Automation公司的運動控制產品經理Matheus Bulho說，在北美占有絕對優(yōu)勢的Ethernet/IP以太網正在通過增加CIP Sync（CIP，通用工業(yè)協議）來加強實時性能，CIP Sync是建立在IEEE1588標準之上的一種網絡時間同步協議。但是，使用CIP Sync的真正產品還未出爐。這些產品出來后，很多運動控制應用都將會超越Ethernet TCP/IP的范圍，一家工業(yè)和汽車應用硬件與軟件開發(fā)商IXXAT公司的總裁Bill Seitz說。“為了運動控制應用，你就要把Ethernet TCP/IP和具有CIP Sync的Ethernet TCP/IP看作是兩種不同的網絡”，Seitz說。Seitz的公司是Rockwell Automation公司的增值設計伙伴，他通過參加公司的多項活動已經對Ethernet TCP/IP非常精通。Nicolson也認為，對Ethernet TCP/IP 來說“CIP Sync能夠改變游戲規(guī)則”。“如果沒有CIP Sync，我認為對于任何比傳送簡單終端命令更復雜的應用來說，Ethernet/IP的確定性都是不夠的。”

　　工業(yè)以太網具有處理不同種類機械布局的靈活性，包括大型模組化機械的布局，就像在以上自動化概念SERCOS III 網絡中所表現的一樣。

　　讓工業(yè)以太網變得更令人費解的是圍繞各種網絡技術天花亂墜的宣傳說辭。每種實時以太網競爭廠商的支持者們都一直致力于大量的“規(guī)格把戲”，他們運用各種手段試圖從同行中脫穎而出。多數的手段都是諸如“我的周期時間比你的周期時間快”之類，或者是“我的網絡確定性比你的網絡確定性高。”

　　重要的不只是最好的周期時間，還要考慮你所應用一定的軸數量時能得到的周期時間。舉例來說，在這里就是周期時間和SERCOS III中可能出現的驅動器數量之間的關系。

　　很明顯，周期時間和確定性在運動控制應用中非常重要，但是，單有這些規(guī)格并不能告訴你哪種網絡最適合于你的應用。原因是：

　　速度限制？

　　當說到每種網絡的周期時間或者說網絡節(jié)點通訊所需要的時間時，大家很容易想到的是越快越好。但實際情況是，在所有幾種現實世界的運動控制需求中，以上四種網絡中沒有哪一個能夠宣稱具有真正的周期時間優(yōu)勢。“目前市面上所有確定性以太網途徑都能夠為大量的運動控制應用提供足夠的使用性能，”Seitz說。

　　在注塑中，周期時間至關重要

　　在運動控制應用中通訊總線的周期時間的確很重要，“當你試圖控制一個機械系統時存在一個效益遞減點，” Husky注塑系統有限公司技術總監(jiān)Chris Choi說。對這些他應該比較清楚。他的公司建造了一些世界上最快的注塑機械，其應用包括了預制瓶的高速生產和薄壁包裝。

　　Choi和本文中提到的其他幾位運動控制專家一樣，他們都認為，考慮到工業(yè)機械中大多數執(zhí)行器和機械部件的動力反應情況，各種實時工業(yè)以太網微小的周期時間差異并不算什么。“像慣性一類的因素通常比機械系統中現場總線的周期時間更具有限制性，”他說。

　　當你試圖控制一個像注塑一樣的快速過程時，即使微小的一點周期時間優(yōu)勢也能帶來很大差異。這個圖表顯示的就是控制周期從2 毫秒變化到250 微妙時，追蹤注塑過程壓力值能力的顯著提高。

　　但他馬上又補充說，在高速注塑的應用中，即使看似微小的周期時間也能造成很大的差異。Husky公司對機械控制的目標不僅是控制機器的機械元件的執(zhí)行，還要控制注塑過程。要做到這點，Husky的控制算法就必須從機器的表現中推斷塑料熔體的狀態(tài)，即溫度、壓力、剪切狀態(tài)等。“當你控制這樣一個快速過程時，每一微秒都很關鍵。”他說。

　　所以，當Husky公司開始為其高速制瓶和包裝機械建立一個新的控制架構時，Choi選用了EtherCAT作為新的通訊總線。Choi介紹說“我們現在正在安裝EtherCAT，利用EtherCAT，Husky就能夠在過程控制系統中看到快如100微秒的反應時間。”Husky選用EtherCAT并不只是為了網絡通訊的速度，還因為它能在不使用交換機或其他會增加總體反應時間硬件的情況下快速處理其獨有的數據包。從采用EtherCAT減少響應時間的結果來看，僅節(jié)約材料一項，每年每臺機器即可節(jié)省182000美元的成本。

　　就一般機械應用所需要的反應時間來看，所有1毫秒和低于1毫秒的快速網絡所具有的性能都足夠滿足需求。西門子公司SIMOTION產品經理Zuri Evans說，注塑機械的液壓軸所需的反應時間一般在250微妙和1毫秒之間，印刷機械軸的反應時間通常需要3毫秒。他說，封裝加工機械（converting machine）反應時間在2到6毫秒之間，包裝設備在2到4毫秒之間。“PROFINET的性能遠遠超過這些需求，”他說。

　　其他三種最快的網絡也是這樣。不要忘了，最快網絡的周期時間之間的差異也就幾微秒。如此小的時間差別在現實世界的運動控制應用中很少起作用，因為機械器件的動力和很多工業(yè)機械的頻率反應對速度的限制要比網絡周期時間對速度的限制大得多。Nicolson說：“在沒有注意到以太網周期時間幾微妙的差異之前，你早就會遇到機械系統的動力問題了，工程師們需要反問一下自己，他們真正需要的是哪種周期時間。”

　　工業(yè)以太網正在開發(fā)新的控制性能。比如，當B&R工業(yè)自動化公司在通用目的運動控制器中增加機器人技術和CNC功能時，他們就采用了ETHERNETPowerlink 作為通訊總線。

　　有這種看法的不止Nicolson一個人。“請記住，實時只是一個相對概念，” Galil 運動控制公司總裁、前任技術總監(jiān)Wayne Baron說。“這完全取決于應用的實際需要。”

　　獲取確定性

　　抖動（jitter），或者說網絡以精準時間進行通訊的能力，是網絡確定性的一種標志；四種主要具有運動控制性能的網絡都可以提供抖動值低于1微秒的合適性能，從這個意義上來說，抖動與周期時間的情況是一樣的。“在大多數的應用中，一點抖動對你不會有什么危害，”Baron說。“你可以很容易通過軟件來處理它。”

　　真正能夠區(qū)分各種實時網絡的是它們提供確定性的方式。Bosch Rexroth公司同時兼任監(jiān)督SERCOS III標準委員會委員的Hibbard指出，針對標準以太網內部確定性的缺乏程度存在一種技術反應圖譜，通過該圖譜通?？梢宰粉櫟皆家蕴W的震動檢測機制和其偶爾意外延緩數據包發(fā)送的趨勢。

　　工業(yè)以太網的硬件發(fā)展

　　因為工業(yè)以太網在未來的幾年中具有快速增長的勢頭，供應商們已經開始推出交換機和為實時控制應用定制的以太網適用控制器。

　　最近，Rockwell Automation公司在這一方面邁出了一大步。該公司近期展出的一系列管理型和非管理型工業(yè)以太網交換機，其中包括整合了思科系統公司（Cisco Systems Inc.）Catalyst交換機架構的模型。模組和嵌入式版本中的管理型交換機具有對Ethernet/IP高性能的運動應用證實有用的特征。這些特征包括IEEE-1588標準的時間同步和為提高服務質量（QoS）進行的網絡通 訊的優(yōu)先次序排列。這些新型交換機將會允許來自Rockwell Automation集成架構內部的設置和診斷。Rockwell Automation公司計劃從2008年中開始推出這些新型交換機。

　　另外一個實時應用硬件的最新發(fā)展來自于Innovasic半導體公司，該公司為實時應用開發(fā)出一種具有內置性能的32位微控制器。這些fido（fido指“靈活輸入，確定輸出”）微處理器的結構特點是，它們把大多實時功能置入芯片中而不是依靠RTOS（實時操作系統）軟件。“我們稱之為‘芯片中的RTOS核心’”，Innovasic公司的研發(fā)總監(jiān)Dave Alsup說。建立在一套五個“硬件關聯”（hardware contexts）之上的RTOS核心就像獨立的真實CPU一樣，可以進行諸如定時、優(yōu)先控制、記憶體保護和計時控制等實時操作。

　　結果是“即使在優(yōu)先度較低的通訊中”也能獲得低抖動和確定性效果，Innovasic公司的首席執(zhí)行官、電氣工程師Keith Prettyjohns博士說。他所說的是最近在實驗室中進行的實驗。在這次實驗中，Schneider電氣公司的工程師們分別在一個fido 1100微處理器和一個基于ARM9的處理器上處理了一個高優(yōu)先級的Modbus/TCP應用和背景以太網通訊。根據該項研究，fido 1100微處理器實現了最差反應時間為1.1毫秒和最差抖動值為130微妙的目標，而基于ARM9控制器的最差反應時間為1.8毫秒，最差抖動值為760微妙。盡管fido的時鐘速度較慢，只有66MHz，而ARM9是133MHz；結果fido還是勝出。

　　Alsup說，fido微處理器還具有其他對控制應用證實有用的特征。一個特征是具有確定性的高速緩存存儲器。它能夠為一些需要快速執(zhí)行的編碼提供永久的存儲空間，從而消除與緩存丟失相關的抖動。還有一個特征是具有以四個通用I/O控制器（UIC）為表現形式的可編程I/O性能。四個控制器中的每一個都可以進行編程用以支持大量的I/O協議。

　　圖譜的一端是各種試圖使標準未修改以太網和TCP/IP運用IEEE1588標準使整個網絡時間同步并使其具有確定性表現的方法途徑。這與Ethernet TCP/IP采用的置入“CIP Sync”方法差不多。

　　Hibbard把圖譜的另一端描述為“焦土”方法。“你要把舊以太網標準打破扯爛，直到剩下一些銅片片和連接器為止，”他開玩笑說。他把只是利用了以太網物理層面的自主運動控制網絡歸入了這一類。

　　像SERCOS III、PROFINET IRT、EtherCAT和ETHERNET Powerlink一樣的開放確定性網絡標準則處于圖譜的中間位置，它們利用的是以太網硬件、軟件?；騼烧咄瑫r利用來對確定性通訊進行優(yōu)先次序排列并把它們從對時間不太敏感的網絡通訊中區(qū)分出來。“它們都有相當好的確定性，”Hibbard說。“真正的問題是，它們是如何獲得這樣的確定性的。那才是需要討論的地方。” 西門子公司的網絡專家Jeremy Bryant也同意以上看法。“保持確定性的不同方法會帶來運動控制以外不同的重要結果。”

　　這些結果包括了系統成本，因為不同種類的網絡在需要實現確定性的硬件數量上有著本質區(qū)別。根據不同的網絡類別，硬件的范圍可以從現成的或嵌入式以太網交換機到客戶定制交換機再到特定的ASIC（專用集成電路）甚至FPGA（現場可編程門陣列）。各種工業(yè)以太網的支持者們都被糾纏于哪種網絡成本效率最高的激烈爭論中。但從IXXAT公司Seitz的估計來看，根據實現確定性所需要的專用硬件數量和應用開發(fā)情況，各種工業(yè)以太網網絡每個節(jié)點需要的成本在30美元到50美元之間。

　　XFC極速控制技術

　　德國倍福提出的基于EtherCAT的最新技術——XFC技術（eXtreme Fast Control Technology，極速控制技術）代表著一種速度極快且時間確定性極高的控制技術。它包括控制領域所涉及的所有硬件和軟件組件：優(yōu)化的輸入輸出組件，可高精度檢測信號或使任務初始化；超高速EtherCAT通訊網絡；高性能工業(yè)PC；整合所有系統組件的TwinCAT自動化軟件。采用XFC技術，可以實現I/O響應時間≤100 ms。

　　過去，控制周期時間一般都在10-20 ms左右，但通訊接口無約束地運行，其確定性誤差會影響與之相關聯的過程信號響應。隨著高性能工業(yè)PC控制器的實用性技術迅猛發(fā)展，周期時間可降至1-2 ms，幾乎縮減了10倍。因此，很多特殊的控制回路被轉移到中央設備控制器中處理，既節(jié)省了成本，同時也極大地提高了智能化算法應用的靈活性。

　　XFC則可以使響應時間（響應時間包括所有硬件的處理時間，涵蓋了從物理輸入觸發(fā)到輸出響應的整個過程）再縮減10倍，即周期時間達到100ms，而不會對中央智能化和相關的高性能算法產生任何影響。此外，還可以提高時間精度和分辨率。

　　用戶完全可以從提高設備品質及縮小響應時間的全新選擇中獲益。例如，預防性維護測試任務，空閑時間監(jiān)視或部件質量文件歸檔等功能都可被輕松地集成到設備控制中去，而無需再附加昂貴的專用設備。

　　有關XFC技術的詳細資料，請訪問：http://designnews.com.cn/0804-302.aspx。

　　如何實現確定性的另外一個重要結果與以太網處理非運動性應用的控制網絡能力有關，這也是首先向工業(yè)以太網轉移的主要好處之一。“實施基于以太網且有足夠能力處理運動需求同時對所有其他網絡需求來說又足夠靈活的解決方案勢在必行，”Bryant說。他所說的其他需求可能包括用于機械控制的I/O、診斷數據、用于數據采集的OPC（用于過程控制的OLE）、HMI（人機界面）連通性、安全性等。

　　為了傳送所有這些數據，所有實時確定性網絡都要接入同樣100 Mbit/s的帶寬（100BaseT）。“但是我們多少都能有效地運用那些帶寬，” 設計ETHERNET Powerlink 的B&R工業(yè)自動化公司的副總裁Helmut Kirnstoetter說。這個使用效率現在仍然能激起關于最佳帶寬和數據包處理的激烈爭論，它能影響到一個系統可以處理節(jié)點的數量和為同一網絡中其他應用所留的帶寬量。

　　“最后，工程師們必須問問自己‘我需要什么樣的周期時間、我有多少節(jié)點、要達到目的我需要什么樣的硬件，’” Kirnstoetter說。能夠準確回答這三個問題，你就有可能從各種網絡中做出正確選擇了。