基于工業(yè)以太網(wǎng)的運動控制系統(tǒng)

1 引言

　　當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，給制造業(yè)帶來了新的變化和重大影響。網(wǎng)絡(luò)向控制領(lǐng)域的滲透引起了控制結(jié)構(gòu)的改革，提高了控制效果，相應(yīng)的也進(jìn)一步促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（networked control systems，簡稱ncs），即信號經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)拈]環(huán)控制系統(tǒng)[1-3]。它是計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與控制技術(shù)發(fā)展和融合的產(chǎn)物，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化、節(jié)點智能化的發(fā)展趨勢。

　　歐美運動控制廠商陸續(xù)發(fā)布了基于100mb/s以太網(wǎng)的分布式智能控制系統(tǒng)，提出“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點。其特點是：

　?。?）類似internet的結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)；

　?。?）對用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達(dá)一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用；

　?。?）可連接到internet，實現(xiàn)整個工廠全球化聯(lián)網(wǎng)；

　?。?）以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)場總線，內(nèi)部和外部的通信在此沒有什么區(qū)別，集線器技術(shù)被集成在每個控制器中，通過分配地址空間將內(nèi)部通信從外部通信中分離出來。

2 以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的不足

　　高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)雖然縮短了響應(yīng)時間，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能，但并沒有完全解決其在工業(yè)控制中的問題。

　?。?）沒有根本解決不確定性

　　雖然目前以太網(wǎng)的傳輸速度大幅度提高，但它僅僅是上平均速度的提高，這對嚴(yán)格的實時控制系統(tǒng)來說是不可靠的。交換機(jī)的引入會增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，而且交換機(jī)不能保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境中正常工作。即使增加以太網(wǎng)的帶寬，系統(tǒng)的效率也不會隨著帶寬的提高而線性增長。例如，具有6個16biti/o的系統(tǒng)，其巡回時間是1.9ms,其中數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳遞時間為0.69ms,剩余的1.21ms是軟件延遲時間。由于軟件延遲時間不隨帶寬變化，因此在100mbps的快速以太網(wǎng)上，該系統(tǒng)的巡回時間是0.69/10+1.21=1.28ms?？梢钥闯鼍W(wǎng)絡(luò)速度提高到1000%，而巡回速度只提高了33%。

　?。?）帶寬利用率不高

　　如果建一個有6個i/o節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點有16bit的i/o，則該網(wǎng)絡(luò)的總通信量是6*2*72*8=6912bit，因為以太網(wǎng)實際幀長度為72個字節(jié)。而can總線的有效幀長只有64bit，且沒有最小數(shù)據(jù)包長度限制。相同的遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)can只需6*2*64=768bit的通信量，是以太網(wǎng)效率的9倍。即使以太網(wǎng)最小幀長度為64個字節(jié)也足以使只有16 bit的 i/o不堪重負(fù)。

　?。?）安全性不高

　　以太網(wǎng)不能給現(xiàn)場設(shè)備供電，沒有冗余，不能及時恢復(fù)，一處故障可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。與internet/intranet連接雖然可以實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)的接合，大大降低企業(yè)成本，但信息網(wǎng)絡(luò)的故障可能會導(dǎo)致工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)也不能正常工作，增大故障率，且黑客的存在使得控制網(wǎng)絡(luò)的信息安全受到了威脅。

　?。?）應(yīng)用層定義正在形成新的互聯(lián)壁壘

　　以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場控制相結(jié)合的一個重要出發(fā)點是以太網(wǎng)有良好的互聯(lián)性，當(dāng)前眾多廠商開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)在上層協(xié)議，特別是應(yīng)用層上未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。例如,若要將modbus profibus、devicenet、controlnet、canopen協(xié)議轉(zhuǎn)換到tcp/ip上，把多種不同的協(xié)議應(yīng)用于同一網(wǎng)絡(luò)，并讓它們與同一主機(jī)在同一時間對話，則每種協(xié)議都要有一個driver。因此，供應(yīng)商設(shè)計了不同的協(xié)議，并把它們統(tǒng)稱為工業(yè)ethernet網(wǎng)，但是它并未真正解決通用標(biāo)準(zhǔn)的問題。

3 基于ethernet的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計原理

　　在網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)的運行過程中，所有控制設(shè)備都是以網(wǎng)絡(luò)形式連接的，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的調(diào)速及控制參數(shù)的設(shè)定等。由于現(xiàn)場總線可以把多個設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備與計算機(jī)的通訊和控制。所以采用現(xiàn)場總線可以方便地建立遠(yuǎn)程多機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。

　　現(xiàn)場總線運動控制系統(tǒng)一般由多個分布傳動點構(gòu)成，其交/直流調(diào)速系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)主要由變送器、交/流伺服驅(qū)動器、交/流伺服電機(jī)、現(xiàn)場總線、plc控制器或獨立式運動控制器、控制計算機(jī)等構(gòu)成。在此網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步構(gòu)成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。