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 1 生產(chǎn)效率的提升帶來了對網(wǎng)絡(luò)的巨大需求

    隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，運動控制技術(shù)與機器人技術(shù)也得到了更為廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的總線愈發(fā)無法滿足高速高精度加工的系統(tǒng)需求，而隨著IT技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)得到了快速的發(fā)展，然而，由于其CSMA/CD的沖突檢測機制造成的無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的確定性使其無法在高實時性領(lǐng)域使用，為了解決這一問題，各主流的自動化公司均開發(fā)了基于以太網(wǎng)技術(shù)的實時以太網(wǎng)技術(shù)，其中2001年，由始創(chuàng)公司B&R開發(fā)的EthernetPOWERLINK最早投入使用，此外由SIEMENS、Rockwell及BoschRexroth等開發(fā)的PrifiNet、Ethernet/IP和SERCOSIII以及由Beckhoff開發(fā)的EtherCAT技術(shù)也相繼出現(xiàn)。

    2 實時以太網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域

    2.1 CNC和機器人

    傳統(tǒng)的CNC和機器人均是由專用的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，這包括了諸如SIEMENS的820、840D等CNC系統(tǒng)，由于需要大量的軸間插補運算，另一方面，原有的CNC系統(tǒng)其速度環(huán)和位置環(huán)計算由于均是由主站來進行計算的，因此，其對數(shù)據(jù)通信的要求極其高，因此，傳統(tǒng)的SIEMENS和Fanuc均使用了其自主開發(fā)的內(nèi)部總線來實現(xiàn)，而今天隨著智能伺服系統(tǒng)和工業(yè)實時以太網(wǎng)的發(fā)展，這一系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計將逐步得到改進，例如Staubli的機器人系統(tǒng)就采用了Ethernet POWERLINK技術(shù)，使得其能夠在通用的硬件平臺上實現(xiàn)路徑轉(zhuǎn)換的計算，通過高速的實時以太網(wǎng)技術(shù)傳遞到各個執(zhí)行單元，從而實現(xiàn)機器人的高速高精度運轉(zhuǎn)。

    2.2 高速同步關(guān)系處理

    在很多傳統(tǒng)的機械行業(yè)，隨著控制要求的愈發(fā)提高，越來越多的獨立驅(qū)動技術(shù)被得到應(yīng)用，這使得機器運行更加具有靈活性，能夠更為快速的實現(xiàn)工藝切換和性能的提升，下面舉兩個較為典型的例子作以說明：

    （1） 印刷無軸傳動系統(tǒng)

    由于傳統(tǒng)的機械長軸造成系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的高復(fù)雜性以及高維護的特點，并且另一方面，系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝切換也將由于訂單的不同需要機械調(diào)整，這使得整個生產(chǎn)系統(tǒng)的性能降低，并使得無軸傳動-更為確切的說是屬于電子軸技術(shù)，例如在凹版印刷、柔版印刷、瓦楞紙開槽印刷等系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的機械長軸為獨立驅(qū)動的伺服軸所代替。然而，這時軸與軸之間的關(guān)系將依賴于高速的通信系統(tǒng)來實現(xiàn)其運動關(guān)系的同步，以及偏差的調(diào)整。在這個領(lǐng)域里，SERCOSIII和Ethernet POWERLINK占據(jù)主導(dǎo)的地位，由于印刷需要高速糾偏使得通信的刷新速度極其重要，在高速運行系統(tǒng)下，印刷機的控制周期必須達到微秒級，否則就無法實現(xiàn)高速的調(diào)整。

    （2） 全電動注塑機

    全電動注塑機同樣是一個需要高速通信的過程，由于射膠、合模、坐進退、熔膠、保壓等階段需要保持軸之間的高速順序切換，以及保壓切換過程中的高速刷新任務(wù)都需要通信系統(tǒng)提供極高的刷新，一般這個任務(wù)等級在1ms以下。

    2.3 安全系統(tǒng)
 
    安全系統(tǒng)越快的響應(yīng)速度則能夠更好的保護人身的安全，更短的剎車距離顯然會對人體造成潛在風(fēng)險的降低，因此每個實現(xiàn)工業(yè)實時以太網(wǎng)的技術(shù)均為安全系統(tǒng)提供了通信解決方案，這包括了Profi Safe,Ethernet IP Safe，以及由B&R開發(fā)的openSAFETY，openSAFETY與其它Safety技術(shù)在技術(shù)實現(xiàn)上均遵循IEC61508，然而不同在于openSAFETY是一個可以運行在其它任何總線上的安全通信應(yīng)用層協(xié)議，目前它已經(jīng)通過測試在ProfiNet、EthernetIP、Modbus、SERCOSIII上得到運行。

    2.4 過程控制

    過程控制雖然對于系統(tǒng)刷新的速度要求不高，但是，一方面，其對于冗余和多CPU之間的通信提出了非常高的要求，因為，這些功能是為滿足系統(tǒng)的高可靠運行而必需的設(shè)計，另一方面，對于更多的傳動系統(tǒng)加入的過程應(yīng)用而言，傳動對于系統(tǒng)刷新速度的要求也必須得到更高的級別。

    2.5 工廠自動化 FA

   工廠自動化雖然并非是連續(xù)生產(chǎn)，然而，要去實現(xiàn)與企業(yè)級的互聯(lián)，從生產(chǎn)的設(shè)備到設(shè)備互聯(lián)，仍然需要高透明的工廠設(shè)計，那么實時以太網(wǎng)則能夠滿足從生產(chǎn)的運動控制到整個生產(chǎn)線與管理系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)真正意義的一網(wǎng)到底，從而構(gòu)建透明工廠，使得整個工廠的控制和狀態(tài)檢測能夠完整地集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)之下。

    3 實時以太網(wǎng)的評估參數(shù)

    （1） 抖動

    為了保證各個運動軸之間的同步性，在控制指令發(fā)出后（例如POWERLINK是通過同步幀廣播的形式去給出同步信號的），各個軸之間執(zhí)行任務(wù)會存在一個時間偏差，這個是影響系統(tǒng)同步性的關(guān)鍵指標(biāo)。通常，主流的實時以太網(wǎng)技術(shù)保持在100ns以內(nèi)。很多使用者會混淆這個概念，并非是傳輸速度很高就同步性高，因為系統(tǒng)的抖動構(gòu)成了同步性的關(guān)鍵因素。

    （2） 是否支持直接交叉通信

    對于那些需要高速處理的任務(wù)而言，直接交叉通信是一個非常有用而關(guān)鍵的功能設(shè)計，這與通信機制有關(guān)，采用集束幀方案的以太網(wǎng)技術(shù)無法實現(xiàn)這一點是因為它采取的是一種數(shù)據(jù)列車的方案，而像Ethernet POWERLINK和SERCOSIII則可以實現(xiàn)交叉通信，直接交叉通信可以使得從站之間進行通信，這有兩個方面的好處，一方面，這可以降低主站的任務(wù)負載，從站之間可以互相通信來實現(xiàn)同步，尤其是對于那些實現(xiàn)電子齒輪同步、跟隨、安全系統(tǒng)而言非常有用，因為無需通過主站的執(zhí)行，使得系統(tǒng)的效率得到了大幅度的提高，另一方面，直接交叉通信也使得系統(tǒng)設(shè)計更為靈活，在編程方面就無需太多的關(guān)心軸與軸之間的通信關(guān)系，而是直接的去控制節(jié)點即可。

    （3） 任務(wù)周期

    通常，Profinet RT和Ethernet IP只能實現(xiàn)在ms級的任務(wù)周期，這對于印刷無軸傳動、全電動注塑機等應(yīng)用而言尚無法很好的滿足，由于Prifinet IRT和Ethernet IP/CIP尚未正式發(fā)布，因此，目前市面上能夠達到μs級任務(wù)的工業(yè)以太網(wǎng)主要是EthernetPOWERLINK、SERCOSIII和EtherCAT，通常以40個伺服軸和50個I/O站進行的數(shù)據(jù)刷新來看，基本上可以在600μs～800μs，EtherCAT雖然宣稱更低的任務(wù)周期，但是，由于是理論計算值，實際值仍然是在600μs以上。

    這一指標(biāo)將會影響同步循環(huán)，會對生產(chǎn)系統(tǒng)的速度和精度造成影響，例如，對于高精度的液壓同步而言，當(dāng)需要在0.01ms以下精度的同步時，任務(wù)周期必須在400μs以下方能保證這一精度。

    （4）冗余與多組同步

   是否能夠?qū)崿F(xiàn)冗余設(shè)計對于流程工業(yè)而言至關(guān)重要，并且多CPU通信的同步也是流程工業(yè)中DCS系統(tǒng)的重要考量，POWERLINK支持冗余設(shè)計，包括環(huán)形和半環(huán)形冗余設(shè)計，另外，也支持多CPU之間的高速同步。

   4 實時以太網(wǎng)的未來發(fā)展

   4.1 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)

   盡管目前很多以太網(wǎng)技術(shù)在產(chǎn)生，然而，有些網(wǎng)絡(luò)仍然采用ASIC這樣的私有技術(shù)來實現(xiàn)，包括EtherCAT目前在從站仍然采用非標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3。但顯然標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)是未來的發(fā)展方向，因為為了實現(xiàn)對原有總線技術(shù)的替代才產(chǎn)生工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，而采用ASIC技術(shù)則使得技術(shù)走回了原有的私有技術(shù)的老路。因此，未來工業(yè)實時以太網(wǎng)仍然會沿著標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的路前行，否則將會仍然面臨被市場淘汰的危險。

    4.2 安全集成

    未來的以太網(wǎng)技術(shù)必然將安全技術(shù)集成，并使其成為一個不可分割的整體。

    4.3 一網(wǎng)到底的設(shè)備互聯(lián)

    “一網(wǎng)到底”可滿足整個工廠的數(shù)據(jù)采集，并通過數(shù)據(jù)采集提供的數(shù)據(jù)對整個生產(chǎn)過程進行分析和優(yōu)化，從而更好地提高企業(yè)地生產(chǎn)與運營效率。

    Ethernet提供了這一可能，而像Ethernet IP、POWERLINK和Profinet RT則是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)而設(shè)計的，并支持異步通信和TCP/IP通信任務(wù)，這使得“一網(wǎng)到底”的概念具有實現(xiàn)的可行，在實時數(shù)據(jù)和非實時的診斷、服務(wù)、管理數(shù)據(jù)之間也建立起一個互聯(lián)的可能。

    摘自《自動化博覽》2011年第九期