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伺服与运动控制 |
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对运动控制而言，应用程序给数字总线带来了可靠性 |
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作者：PE高级技术编辑 Dan Hebert |
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挑战:
在自动化技术成熟之前，我们对标准规范、预测性能和假设的成本开支进行了讨论。在发展阶段，设备制造商、机器人制造商和系统集成商通常不会正眼相对供应商，主要因为供应商正在招揽几乎无真实世界应用实例的利益来支持其主张
解决方案:
如果任何自动化组件没有像运动控制器一样需要具有广泛布线的需要。从中央控制器到运动控制器的离散信号可以包括启动、停止、复位、表引用指针和其他信号。典型的模拟输出典型上包括了是速度设置点和模拟类型。 
旋转头切割机将对钢管和钢筋储备切割成薄片，广泛地使用数字运动网络进行诊断。
"常规标准允许客户对每个任务选择最佳机动控制器，随着数字化网络的分布式控制发展，驱动器不仅需要交换相关控制数据，而且需要传输状态信息和设置参数。只需改变配置，客户就可以改变连接到控制器的电机类型，例如从感应到永磁伺服电机。"
在自动化技术成熟之前，我们对标准规范、预测性能和假设的成本开支进行了讨论。在发展阶段，设备制造商、机器人制造商和系统集成商通常不会正眼相对供应商，主要因为供应商正在招揽几乎无真实世界应用实例的利益来支持其主张。
这描述了2007年数字运动总线的情况，当时相对而言几乎很少有运动总线的应用存在。两年之后，情况发生了巨大的变化。尽管在行业标准方面还有混淆，但关于利益和成本的争论已经基于应用经验而具体化。
这种情况造成了设备制造商、系统集成商和供应商间的一致意见。如今与硬电线连接方式相比，大多数人都认为数字总线能节省资金和提高性能。还有一个普遍一致的共识，即尽管数字总线实现起来不会像早先的一些先驱技术那样困难，但这些利益也不会轻易到来。
经历 AutomationXchange
在过去两年的每年5月，来自领先设备制造商的机械自动化专业团队为了一系列战略，已经与领先方案供应商面对面约见，一对一会议旨在向OEM’提出最迫切的需要。欲了解更多关于邀请信息的事件，请访问AutomationXchange.com，或联系项目负责人Andy Wuebben。
连线无处不在
如果任何自动化组件没有像运动控制器一样具有广泛布线的需要。从中央控制器到运动控制器的离散信号可以包括启动、停止、复位、表引用指针和其他信号。典型的模拟输出包括了速度设置点和模拟类型。
从运动控制器到中央控制器，离散信号可以包括总警报、警报代码、执行和位置完成。典型的模拟输入包括了实际速度、扭转力和其他基于信息的值。
“与硬电线连接方式相比，数字总线节省了资金和提高了性能。”
20根电线和电缆可以运行在中央控制器和运动控制器间。将电线数与单个机器或机器人或手持材料系统中运动控制器的个数相乘，电线需求迅速，令人望而生畏。
进入数字运动总线时代后，一根电缆就可以取代大量硬电线——这对简化系统来说是个很好的功能，但几乎对具有许多运动控制器的大型和复杂机器是必需的。
连线消失
“在更大型的运动控制系统中，设备间的数字总线是进行通信的一种最佳方式，硬电线将会导致不必要的复杂性或与灵活性相比，其需要更多的I/O端口，”位于阿拉巴马州伯，明翰 先进机械自动化公司电气工程师Jason Woyak说，“基于数字总线传输的十足数据量优于硬电线。
先进机械自动化公司制造了大量各类机器，包括印刷机、送料机和堆垛机。它还建立了定制机器，范围从台面锯床机器或灭火器灌装站到货车车轴粘合机。
某个供应商关于布线开支的意见与Woyak观点一致，还引用了其他原因走向数字世界。“在有连接设备的系统中，多点数字 接口如以太网，比点对点布线方案具有更低的生产成本，” Delta 计算机系统公司 (www.deltamotion.com)的市场部经理Bill Savela说，“数字网络需要的连接更少，具有更好的可靠性。因为每个电气接触点都可能是一个潜在的故障点。当硬件问题确实发生时，相比与那些使用点对 点或模拟连接的系统，基于网络的系统更易于调试和修复。”
运动网络所解决的维护问题对设备制造商特别重要。位于北卡罗来纳州，格林斯博罗的系统集成商，集成运动公司 的工程部副总裁Jim Mullins指出，“走向数字化导致布线的减少，产生更高的MTBF(平均故障间隔)，因而有更少的故障点”。
集成运动公司设计的众多系统使用B&R工业自动化公司的组件。毫不奇怪的是，当数字总线带来利润的时候，集成商 和供应商都站在同一战线上。“用数字总线取代机器控制器、运动控制器和驱动器中的硬电线控制电路将大大减少布线，排除潜在的错误故障点和增加抗噪声性 能。” B&R公司 自动化技术部负责人Robert Muehlfellner说。
特征比比皆是
当硬电线系统发生故障时，寻找问题的根源可能是一个真正的挑战。对于许多厂商来说，走向数字化的主要优势是具有更好的诊 断。“随着我们数字化网络的发展，在操作台上的诊断变得很显著。” 位于俄亥俄州，梭伦的Bardons & Oliver公司 工程部副经理Rick Moscarino宣称。
Bardons & Oliver公司制造数控车床和旋转头切割机（如图1），也是机器人集成商。Moscarino说：“应用程序状态，包括发送机负载、速度和警告消息都在 很容易地被操作人员掌握，调试更加直观，为终端用户和OEM厂商节省了时间和资金。最重要的是，该诊断信息能被集成到控制系统中。”
设置可能是消耗时间的，Moscarino解释说：“但是我们技术员都经过培训，由于他们具有一定的经验，这已经成为了次要问题，在场地发生故障的情况下，重新启动已经相当简单，我们通常可以通过电话来支持终端用户。”
EtherCat技术集团 PE,PMP,北美代表Joey Stubbs对数字运动控制网络的其他诊断优势给出详述。“随着数字接口的发展，控制系统可以定期监视每个内部寄存器，以显示温度、电流、故障代码、总线 电压、编码器故障和电线中断，”Stubbs说，“可以检查如制造商、固件修订号和序列号等信息，以确保交换组件与合适的替代品交换。”
另一个供应商认为： “随着数字化网络的发展，驱动配置和维护可以通过主要控制器直接管理，”Rockwell自动化公司Logix运动市场部经理Robert Hirschinger说：“这有助于支持目录数字配置和减轻驱动固件更新。在控制器级上可以得到大量的驱动诊断和状态信息。具有大型网络驱动的OEMs 厂商从单个连接点易于监视、维护和配置这些信息。
现代高性能的数字网络通过板卡传递功能。Yaskawa 美国电子运动应用工程部高级经理Bill Faber说，“在应用中，运动总线使控制类型更加灵活，如伺服放大器中关闭所有循环的能力，包括计算、扭转、速度和位置。一个OEM厂商现在可以使用机 器控制器提供轨迹，具有较高的性能。因为当今的伺服放大器提供极高的带宽，还有先进算法，如自动振动抑制和自适应调整。”
分布式控制
对于许多厂商来说，数字总线优于硬电线的最大优点是它使分布式控制成为可能。分布式控制系统可以使用运动控制器来执行许 多局部控制功能，还有机动车速度的闭环控制。用许多运动控制器提供的数字和模拟I/O实现功能。这些先进控制器不仅有I/O，它们还包括局部实时控制的编 程功能。
在主要控制器、运动控制器、其他类型远程控制器和远程I/O间使用高度数字化网络进行连接是可能的。分布式控制的强大形式使硬布线降低到最低限度。
尽管用硬电线，而不是用数字网络来实现分布式控制也是可能的，但实际上，这没有任何意义。分布式网络需要在控制器和I/O间不断地与大量数据通信。通过数字运动总线很容易实现，但用硬电线实现是很困难的。
位于马萨诸塞州，富兰克林的Speedline科技公司 ，负责制造印刷电路板组装的自动化处理机器，包括焊膏打印机、材料饮水机、微波炉和清洁机。
其模具打印机和饮水机通过CANopen总线协议实现分布式控制。每个机器至少有15个运动轴和50个I/O口。I/O 口主要是数字化的，与几个模拟点混合。一台电脑提供监督控制，在每个轴上有一个智能运动控制器。约15个左右CANopen使能运动控制器处理局部运动控 制和I/O接口。如果需要，向运动控制器提供额外的CANopen总线I/O模块。
“智能控制器允许我们以局部程度对实时集中任务进行控制，以减轻主机电脑上的负担。”Speedline公司主电气工程师John Klauser解释说。
数字化网络的分布式控制通常需要对来自不同厂商的运动控制器进行混合和匹配，以最大限度地提高性能。美国国家仪器 DAQ/视觉/运动产品部经理Christian Fritz指出：“常规标准允许客户对每个任务选择最佳机动控制器，随着数字化网络的分布式控制发展，驱动器不仅需要交换相关控制数据，而且需要传输状态 信息和设置参数。只需改变配置，客户就可以改变连接到控制器的电机类型，例如从感应到永磁伺服电机。”
数字化网络的分布式控制可以对许多运动部件的机器提供特殊优势，如机器人。在这些情况下，数字化网络导致的布线降低意味着设计师只需要运行单排线，而不是大量硬电线。
ABB机器人公司制造焊接和其他机器人，其中许多机器人使用数字化网络分布式控制（如图2）。 ABB机器人公司 产品部经理Per Carlsson指出：“随着数字通信的发展，我们可以将驱动组件分布在远离主控制器的位置，如在机器人内部或机器人手臂上。”
好东西来之不易
当涉及到原始速度时，没有什么能与硬电线相比，因此从硬电线到数字的改变需要特别注意速度要求。位于俄亥俄州，梅森的 Intelligrated公司控制和软件开发部经理Jeffrey Hanna说： “我们的主要挑战是设计总线以保持其在所要求的更新速率上。”
集成供应商提供仓储、分配、邮政、包裹和生产环境的材料处理解决方案。它生产传输、定寸、堆积和排序的机械设备。其系统通常涵盖非常大的地区，使数字化网络设计尤其具有挑战性。
公司的运动系统使用至少80个伺服电机和变频驱动器，所有这些设备都通过Profibus总线连接。“尽管我们的要求不 包含多轴协调运动，但他们需要非常严格的速度控制，我们经常需要多个网络来实现，”Hanna继续说，“根据需求，我们设计具有1毫秒，2毫秒或5毫秒更 新速率的网络。Profibus-DP有固定的信息格式，基于网络速度、节点数量和数据容量的更新速率是可预测的和确定性的。我们以1.5到12Mbps 速度运行网络。电缆长度可能与铜材料有关，因此从控制器到网络的第一个节点，我们使用光纤以满足速度要求。”
数字运动总线优于硬电线的优势
1. 更少的布线
2. 增加的带宽
3. 更适合于分布式控制
4. 所需维修更少
5. 更好的抗噪声
6. 更好的诊断
7. 更易化的软件/固件运动控制器更新
8. 更精确的同步
9. 增加/减少控制器更灵活
10. 降低设置时间
尽管Hanna描述的配置没有同步要求，其他运动控制系统也是如此。“对数字运动总线的时钟周期同步可以采用一种或两种方式实现”， Siemens公司运动控制器产品部经理Zuri Evans解释说，“第一种方式是发送一个中断事件给控制器读取输入或设置输出。该方法的缺点是系统不允许高优先权任务的中断，如运动控制，因此中断必须等到直到高优先权任务完成，其将产生抖动。”
为了减少抖动，分布式设备有自己的高速率系统时钟，其与控制时钟同步。Evans继续说：“当设置输入时，分布式设备捕获时间戳。然后该设备在同步数字现场总线上发送该时间戳，控制器推算事件发生时的时间位置。这使得抖动达到少于1毫米的精度。这也允许控制器推算出事件发生时多轴所在的位置，不只是一个轴。”
实现数字总线的挑战
1. 满足速度要求
2. 选择合理的总线
3. 寻找兼容组件
4. 培训人员
5.克服惰性
另外一个网络设计挑战涉及到合理的电缆屏蔽。集成运动公司的Mullins指出：“我们必须使用正确的电缆和布线方法，以确保数字总线不被电气噪声妥协，我们应该紧密关注制造商推荐的屏蔽措施。”
Mullins说，另一个巨大的挑战是需要对不支持通用数字总线协议的不同运动控制器进行集成。他补充说：“在这种情况下，数字总线转换器模块可以被使用，但其提高了成本和复杂性。”
如果只有一个数字网络并且如果所有控制组件与该网络连接，那么集成将变得很容易，但是情况并非如此。“因为网络实现可以改变，所以设备互操作性通常是一个与运动总线相关的问题，” Kollmorgen 产品生产线经理Josh Jensen 指出，“不同的网络具有不同程度的功能验证和设备互操作性测试。这可能会导致延迟并产生费用，但假设坚持相同的规格选择两个设备时，区别可能并不明显。”为了解决该问题，Jensen说Kollmorgen公司保持SynqNet互操作实验室，继续对所有设备的组合进行测试。
数字化可以做到这一切吗？
从理论上来说，一个具有良好设计的数字网络不需要任何辅助硬电线，但实际上情况并非总是如此。“大多数驱动器让使能输入端采用硬电线，因此即使总线通信中断，驱动器可能被关闭。”先进机械自动化公司的WoyaK指出。
尽管实现独立的数字安全总线是可能的，但在所有应用中，这并没有任何意义。“尽管许多厂商提供了安全数字总线，一些用户还是喜欢硬电线安全电路，因为不需要编程，或许还因为较低的硬件成本，”集成运动公司的Mullins指出，“使用安全数字总线的优点对大系统来说是很显著的，安全运动功能在系统中由应用程序来满足。”
添加安全功能到运动总线通常是成本和性能的问题，而不是技术可行性问题。CAN 自动化公司管理部负责人Holger Zeltwanger说：“在CANopen和许多其他运动总线上，如果有足够的带宽，您可以将安全相关信息与非安全相关信息混合。借助于两个网段，某些系统设计师可能更倾向于独立的安全和非安全消息，其通过网关或路由器互连接。”
随着数字化运动控制网络变得越来越普及，他们最终将纳入整个控制系统中，废除几乎所有硬电线。B&R公司的Muehlfellner预言：“驱动器中的集成安全功能将删除对硬电线驱动使能信号的需要。这些驱动器也将提供额外的安全功能，如安全停滞——是电机能在动力下保持的一种状态，而机器是电子停止、安全停止、安全速度和更多的停止状态。典型的驱动器I/O和限位开关，还有主编码器，和家里一样，也将被远程联网。”
为了说得更直观点，使用大家都明白的比喻，我们借用了设备制造商的一句话。“安全功能的完全网络控制正在逐渐出现，” Speedline's Klauser相信，“如果自动汽车可以通过网络驾驭和刹车，安全性可以通过类似方法在机器上实现。”
位于苏塞克斯，威斯康星州的Quad Graphics 是一家商业印刷机公司。该公司的图形再制造和技术（GR/T）部门所提供自动化和其他技术，领先于现有的印刷技术和定制胶印印刷机。无论是其印刷部门还是精整部门，Quad公司已对现有的18多个印刷机进行了重新制造，还有配套设备。
对于运动控制，GR/T部门广泛使用数字总线通信。GR/T部门的项目技术支持员Dave Leitinger 说：“我们的旧印刷机使用基于继电器和硬电线连接的模拟控制平台，处理器和通信速度缓慢，且不是实时性的。速度、模块化和传输的数据量是当今市场的关键因素。随着Profibus 和 Profinet的发展，我们已经能够将先进的数字技术带到再制造印刷行业。这使得我们能够废除旧线轴和慢速的HMIs，将IT世界带到工厂车间。现在我们有能力模块化辅助印刷设备， 并把具有开关翻转功能的设备带到生产线上。”
Leitinger 说，数字总线已经为具有更多的带宽、更高的可扩展性、TCP/IP互联网兼容性、安全集成和实时确定性的系统控制，打开了通信体系架构。
目前的一个项目是对现有的印刷机重新制造，分为两个独立的印刷生产线，每个生产线能够独立在线完成生产。“我们必须使用一个翻转开关来关闭两个生产线中的其中一个，将两个印刷生产线变为单个生产线，” Leitinger指出，“这需要100多个Profibus总线，14个Profinet点，90个运动控制轴和28个HMIs。”所有这些组件同时必须提供安全性集成和实时响应。
Leitinger说：“通过高速数字网络实现该控制系统，降低了安装和硬件成本，Profinet能以250微秒的周期实时性地满足高速率要求，几乎没有延迟变化。除了新组件以外，新型控制系统需要更少的控制柜地面空间和开放拓扑设施。现在我们有了远程访问诊断工具，还有生产所需要的数据捕获。”
新型控制系统废除了硬电线的安全控制。现在安全站、警卫和机动控制对西门子Simatic故障安全PLCs和具有安全扭转切断功能的Simatic驱动器是有线冗余和局部性的。
“Pofisafe的Profinet使我们在现场总线上批准安全信号，同时遵守所有安全性协议和标准，” Leitinger总结说，“这给予我们在现场总线上批准安全相关信息的优势，同时节省了额外和昂贵的布线费用。”
如何测量吞吐量
在运动控制系统中，从硬电线到数字网络转换的一个主要挑战是能够保持足够的速度。原始规格只讲述了故事的一部分
数字网络标准组织 ODVA 公司的执行董事Katherine Voss说：“网络性能对分布式运动控制网络的成功实现至关重要。然而，人们经常错误使用线速作为性能的主要指标，而实际上对有效网络，比原始数据速度有一个因素更加重要。
ODVA公司认为总的系统带宽和总的协议效用至少与比特率同样重要，据说吞吐量是带宽最有效的措施，其也是衡量网络系统整体性能的最佳方式。对吞吐量合理有效的定义指基于逻辑决策，从一个事件变化的检测（输入）到驱动（输出）的时间。
因此，ODVA说，吞吐量是几个因素的结合，包括了协议效率（总数据包大小的数据比率），网络模型（信息流动模式/数字和消息频率），波特率（基于电线的原始比特速度）和节点处理时间。
Voss说：“对于分布式控制架构，分布式运动控制系统是最严格的实例之一，通常需要大量的配置、局部化情报和复杂的算法以达到预期的机器性能。”
某些网络如以太网/IP，其支持如I/O消息服务以配置轴和文件传输协议，与控制协议使用相同的电线。单点连接和内置消息优先权允许这种架构提供给机械设计师分布系统，易于维护。
Voss说：“控制网络的最大挑战是添加或删除工作单元以作功能变化，当工作单元的组合改变时，某些网络需要大量的编程修改或信息重新布局。数据流可以改变，引起中断错误和破坏网络效率。然而，面向对象模型和逻辑处理，如以太网/IP使用的通用工业协议（CIP）允许工作单元的添加或删除，不需要其他网络节点的重新配置或通信路径。”(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(4/13/2010) |
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