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采用乙太网路进行运动控制的三个理由
 

【作者: ADI】2019年02月21日 星期四

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乙太网路在工业应用成为日趋重要的网路

在运动控制领域中,乙太网路、现场汇流排(fieldbus)、以及诸如周边组件互连(PCI)等其他技术,长久以来一直相互竞争,希??成为业界标准,以用在工业自动化与控制系统中运行各种要求最严苛的作业负载。运动控制应用要求确定性(网路须保证能将作业负载即时传至指定的节点),因此需要确保位置保持(position retention)的表现,停位必须精准,驱动器必须适切加速/减速,其他作业也须精确配合。


IEEE 802.3 Ethernet一直无法迎合这方面的要求。即使到了CSMA/CD资料链结层,由於全双工切换与隔离碰撞网域的缘故逐渐遭到淘汰,仍然缺少可预测性。另外由於TCP/IP在执行典型堆叠时的复杂性,无法进行最隹化来为即时传输作业提供可靠的传送机制。因此,包括现场汇流排以及PC导向控制架构搭配ASIC晶片建构的PCI介面卡,就成为运动控制的热门解决方案。


从EtherNet/IP到EtherCAT,这些乙太网路解决方案各自透过自己的方式克服着上述的缺点。但到目前为止,工业乙太网路尽管有着领先其他替代方案的优势,不过在运动控制领域上,离主导地位还有很遥远的距离。以下我们将分别检讨三项理由,以分析为何其於未来几年的竞争优势将会渐趋巩固。


一、统合而不复杂

企业IT与工厂之间的互连随着时间推进不断增加,导致系统复杂化,经常混用标准/工业乙太网路以及现场汇流排。举例来说,机具可能会使用:


· SERCOS 和伺服系统通讯[1]


· PROFIBUS为可变频率驱动器建构网路


· SafetyBUS 进行故障自动防护的现场汇流排通讯


· DeviceNet 用来连结感测器


· Ethernet透过闸道器存取,将资料传给终端使用者


然而这类网路在安装与维护上既复杂又昂贵。每种通讯协定都必须用自己专属的排程器、安装人员、以及训练。反观乙太网路则提供统合不同网路的可能性,将运算、安全等元素整合到具成本效益的基础设施,而且相对而言具有容易布线、各家厂商广泛支援、以及符合未来需求等优点。


乙太网路提供统合各网路的可能性

EtherNet/IP协定就是实务面上统合的例证。一个整合式交换系统能容纳商务与工业领域的应用,运用诸如TCP/IP与UDP/IP这类标准式乙太网路技术,以及像CIP Sync等功能,可建置IEEE 1588精准时间协定的分散时脉同步化。


二、运动控制应用的确定性

运动控制依赖精准的通讯。过去这类的精准度都是透过时槽式排程机制实现,每个装置分配到一个时段来和其他元件进行通讯。透过控制函式计算出delta-T值,让这些伺服驱动与控制器能了解自己的时序。但如果资料供应变得无法预测,这种机制也将无法发挥作用━因此需要维持确定性(determinism)以确保??路的稳定度。


乙太网路能支援工厂环境中要求严苛的运动控制应用

以EtherNet/IP建置IEEE 1588,在某些情况中将加速器电路直接安装在英特尔晶片上,许多乙太网路解决方案藉由这种常用的机制来达到确定性。另一个例子是EtherCAT的传输过程即时处理,让运动控制应用达到持续可预测的效能。EtherCAT超越集中式PCI通讯的许多严苛物理限制,这些通讯虽然快速,但仍要求机器处理单元与伺服处理器之间的距离必须够近。


Jason Goerges在2010年为《Machine Design》杂志撰写专文中提到,EtherCAT的分散式处理器架构拥有频宽、同步、以及物理方面的弹性,配合集中控制以及分散式网路的各项优点。事实上,某些采用这种技术的处理器能以20 kHz的取样与更新率,同时控制多达64个高度协调的运动轴━包括位置、速度、电流??路,以及通讯作业。


三、工业物联网的长期可行性

从最初作为一种区域网路技术以来,乙太网路已经度过未成熟阶段的历练。旧型现场汇流排元件至今仍有小规模生产,PCI的风险则是重蹈工业标准架构(ISA)被淘汰的路径,反观乙太网路,仍持续演进着,并做好准备推动以IP为中心的工业物联网。


包括时效性网路方面的改进,除了将重新定义IEEE 1588,还将促进网路统合的可能性,并使乙太网路成为当前与未来运动控制的理想选择。但这并不是说现场汇流排与PCI将被摒弃━随着自动化产业朝工业物联网迈进,只有乙太网路的各项优势会持续累积,且更为彰显。


叁考资料

[1] Paul Brooks. “Using EtherNet/IP for Motion Control.” Industrial IP Advantage, October 2015.


[2] “Working Successful Motion Control via Standard Ethernet.” Industrial Ethernet Book, Vol. 48, No. 71.


[3] Jason Goerges. “EtherCAT Enables High Performance Motion Control.” Machine Design, November 2010.


刊头图(source:Linksys)


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