對運(yùn)動控制而言，應(yīng)用程序給數(shù)字總線帶來了可靠性

作者：Dan Hebert PE高級技術(shù)編輯時(shí)間：2010-04-13 來源：電子產(chǎn)品世界

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　　數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的分布式控制通常需要對來自不同廠商的運(yùn)動控制器進(jìn)行混合和匹配，以最大限度地提高性能。美國國家儀器 DAQ/視覺/運(yùn)動產(chǎn)品部經(jīng)理Christian Fritz指出：“常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)允許客戶對每個(gè)任務(wù)選擇最佳機(jī)動控制器，隨著數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的分布式控制發(fā)展，驅(qū)動器不僅需要交換相關(guān)控制數(shù)據(jù)，而且需要傳輸狀態(tài) 信息和設(shè)置參數(shù)。只需改變配置，客戶就可以改變連接到控制器的電機(jī)類型，例如從感應(yīng)到永磁伺服電機(jī)。”

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/107902.htm

　　數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的分布式控制可以對許多運(yùn)動部件的機(jī)器提供特殊優(yōu)勢，如機(jī)器人。在這些情況下，數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的布線降低意味著設(shè)計(jì)師只需要運(yùn)行單排線，而不是大量硬電線。

　　ABB機(jī)器人公司制造焊接和其他機(jī)器人，其中許多機(jī)器人使用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)分布式控制(如圖2)。 ABB機(jī)器人公司產(chǎn)品部經(jīng)理Per Carlsson指出：“隨著數(shù)字通信的發(fā)展，我們可以將驅(qū)動組件分布在遠(yuǎn)離主控制器的位置，如在機(jī)器人內(nèi)部或機(jī)器人手臂上。”

　　好東西來之不易

　　當(dāng)涉及到原始速度時(shí)，沒有什么能與硬電線相比，因此從硬電線到數(shù)字的改變需要特別注意速度要求。位于俄亥俄州，梅森的 Intelligrated公司控制和軟件開發(fā)部經(jīng)理Jeffrey Hanna說： “我們的主要挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)總線以保持其在所要求的更新速率上。”

　　集成供應(yīng)商提供倉儲、分配、郵政、包裹和生產(chǎn)環(huán)境的材料處理解決方案。它生產(chǎn)傳輸、定寸、堆積和排序的機(jī)械設(shè)備。其系統(tǒng)通常涵蓋非常大的地區(qū)，使數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)尤其具有挑戰(zhàn)性。

　　公司的運(yùn)動系統(tǒng)使用至少80個(gè)伺服電機(jī)和變頻驅(qū)動器，所有這些設(shè)備都通過Profibus總線連接。“盡管我們的要求不包含多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動，但他們需要非常嚴(yán)格的速度控制，我們經(jīng)常需要多個(gè)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，”Hanna繼續(xù)說，“根據(jù)需求，我們設(shè)計(jì)具有1毫秒，2毫秒或5毫秒更新速率的網(wǎng)絡(luò)。Profibus-DP有固定的信息格式，基于網(wǎng)絡(luò)速度、節(jié)點(diǎn)數(shù)量和數(shù)據(jù)容量的更新速率是可預(yù)測的和確定性的。我們以1.5到12Mbps 速度運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)。電纜長度可能與銅材料有關(guān)，因此從控制器到網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們使用光纖以滿足速度要求。”

數(shù)字運(yùn)動總線優(yōu)于硬電線的優(yōu)勢

1. 更少的布線
2. 增加的帶寬
3. 更適合于分布式控制
4. 所需維修更少
5. 更好的抗噪聲
6. 更好的診斷
7. 更易化的軟件/固件運(yùn)動控制器更新
8. 更精確的同步
9. 增加/減少控制器更靈活
10. 降低設(shè)置時(shí)間

盡管Hanna描述的配置沒有同步要求，其他運(yùn)動控制系統(tǒng)也是如此。“對數(shù)字運(yùn)動總線的時(shí)鐘周期同步可以采用一種或兩種方式實(shí)現(xiàn)”， Siemens公司運(yùn)動控制器產(chǎn)品部經(jīng)理Zuri Evans解釋說，“第一種方式是發(fā)送一個(gè)中斷事件給控制器讀取輸入或設(shè)置輸出。該方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)不允許高優(yōu)先權(quán)任務(wù)的中斷，如運(yùn)動控制，因此中斷必須等到直到高優(yōu)先權(quán)任務(wù)完成，其將產(chǎn)生抖動。”

　　為了減少抖動，分布式設(shè)備有自己的高速率系統(tǒng)時(shí)鐘，其與控制時(shí)鐘同步。Evans繼續(xù)說：“當(dāng)設(shè)置輸入時(shí)，分布式設(shè)備捕獲時(shí)間戳。然后該設(shè)備在同步數(shù)字現(xiàn)場總線上發(fā)送該時(shí)間戳，控制器推算事件發(fā)生時(shí)的時(shí)間位置。這使得抖動達(dá)到少于1毫米的精度。這也允許控制器推算出事件發(fā) 生時(shí)多軸所在的位置，不只是一個(gè)軸。”

實(shí)現(xiàn)數(shù)字總線的挑戰(zhàn)

1. 滿足速度要求
2. 選擇合理的總線
3. 尋找兼容組件
4. 培訓(xùn)人員
5.克服惰性

另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)涉及到合理的電纜屏蔽。集成運(yùn)動公司的Mullins指出：“我們必須

使用正確的電纜和布線方法，以確保數(shù)字總線不被電氣噪聲妥協(xié)，我們應(yīng)該緊密關(guān)注制造商推薦的屏蔽措施。”

Mullins說，另一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是需要對不支持通用數(shù)字總線協(xié)議的不同運(yùn)動控制器進(jìn)行集成。他補(bǔ)充說：“在這種情況下，數(shù)字總線轉(zhuǎn)換器模塊可以被使用，但其提高了成本和復(fù)雜性。”

　　如果只有一個(gè)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)并且如果所有控制組件與該網(wǎng)絡(luò)連接，那么集成將變得很容易，但是情況并非如此。“因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可以改變，所以設(shè)備互操作性通常是一個(gè)與運(yùn)動總線相關(guān)的問題，” Kollmorgen 產(chǎn)品生產(chǎn)線經(jīng)理Josh Jensen 指出，“不同的網(wǎng)絡(luò)具有不同程度的功能驗(yàn)證和設(shè)備互操作性測試。這可能會導(dǎo)致延遲并產(chǎn)生費(fèi)用，但假設(shè)堅(jiān)持相同的規(guī)格選擇兩個(gè)設(shè)備時(shí)，區(qū)別可能并不明顯。” 為了解決該問題，Jensen說Kollmorgen公司保持SynqNet互操作實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)對所有設(shè)備的組合進(jìn)行測試。

　　數(shù)字化可以做到這一切嗎?

　　從理論上來說，一個(gè)具有良好設(shè)計(jì)的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)不需要任何輔助硬電線，但實(shí)際上情況并非總是如此。“大多數(shù)驅(qū)動器讓使能輸入端采用硬電線，因此即使總線通信中斷，驅(qū)動器可能被關(guān)閉。”先進(jìn)機(jī)械自動化公司的WoyaK指出。

　　盡管實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的數(shù)字安全總線是可能的，但在所有應(yīng)用中，這并沒有任何意義。“盡管許多廠商提供了安全數(shù)字總線，一些用戶還是喜歡硬電線安全電路，因?yàn)椴恍枰幊?，或許還因?yàn)檩^低的硬件成本，”集成運(yùn)動公司的Mullins指出，“使用安全數(shù)字總線的優(yōu)點(diǎn)對大系統(tǒng)來說是很顯著的，安全運(yùn)動功能在系統(tǒng)中由應(yīng)用程序來滿足。”

　　添加安全功能到運(yùn)動總線通常是成本和性能的問題，而不是技術(shù)可行性問題。CAN 自動化公司管理部負(fù)責(zé)人Holger Zeltwanger說：“在CANopen和許多其他運(yùn)動總線上，如果有足夠的帶寬，您可以將安全相關(guān)信息與非安全相關(guān)信息混合。借助于兩個(gè)網(wǎng)段，某些系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可能更傾向于獨(dú)立的安全和非安全消息，其通過網(wǎng)關(guān)或路由器互連接。”