运动控制网络的最新进展分析

发布时间:2010-11-25

采用以太网、安全功能以及更多成熟方案的分布式作业方式正不断撬动着高速运动控制网络的带宽,这已成为自动化及运动控制网络的最主要的发展趋势。

通过网络实现运动轴之间的分布式控制和精确同步,可以为多轴协调运动领域提供强有力的保障能力。动领域提供强有力的保障能力。

得益于SERCOS技术二十年来的不懈推广,网络化已然成为运动控制领域的重要因素之一。不过,如今随着SERCOS III和PROFINet IRT(等时同步实时)等主要技术角色日益获得更为广泛的认可,似乎也就不存在更多的选择或更有效的其他可用解决方案了。

自动化网络转向工业以太网

“运动控制网络不是什么新鲜玩意儿,真正时兴的是由运动控制专用网络技术向实时网络转移,那才是针对机器控制目标的方方面面所做的完整设计,其中也包括运动控制。”Baldor公司以太网运动控制产品部门的产品经理David Greensmith认为,“由于是针对运动控制目标来构思这些网络,因而对于现场总线应用、分布式控制和输入/输出设备而言 ,就未必都能适合。”

Greensmith认为工业以太网的高带宽

足以集现场总线和运动控制总线于

一身,构建一个统一的完整体系,进而诞生一个超乎完整的通讯系统,可以将诸如固件更新、配置和诊断等功能都由同一个网络完成。他说这将创造出“全网透明”,并具备通过单一通讯访问节点进行配置、操作以及维护设备和系统的能力。

Rockwell Automation的项目经理Jeff Faris同意上述说法,并认为:“运动控制网络不会独立存在”。客户应用正在不断演进,所包含的技术层面也已超出运动控制,而且机器正变得越来越模块化,还必须响应客户需求的可伸缩性,这一点在印刷和包装行业尤为突出。

Faris认为诸如机器安全、智能感知、机器视觉和信息跟踪等功能也是这类自动化系统的重要组成部分,不过客户对于机器能够采用单一网络的预期增长迅速。“这些都源自对某种自动化网络的预期,然而共认的标准将是以太网。”他这样认为。

更强大的联网特性

网络技术发展的一个关键因素就是网络技术本身所包含的日益成熟的控制功能。

IEEE- 1588是一项曾经被用作广域透明时钟的技术,最近已成为Ethernet IP标准所引用的重要技术之一。该技术有能力通过高速网络,使不同的分布式设备拥有精确同步的时间基准。Faris认为采用该技术的突破点在于定义了一种机制,并验证了在同一网络上的多个不同节点间建立高水平同步时钟的可能性。

Aerotech公司产品经营主管Joseph A. Profeta III博士认为,一个明显的趋势就是技术正在转向分散化体系结构和分布式智能控制CONTROL ENGINEERING China版权所有,这使得构建更加先进的复杂解决方案成为可能。“许多公司正在转向这种体系结构,将系统中的智能环节逐步外推至终端。”他说,“为此则要求更快的网络和更加智能化的节点。”

Profeta认为伴随着网络为智能驱动器提供高效通讯能力的技术进步,分布式运动同步也可以获得原本由集中式控制所能达到的水平。至于I/O设备,也会变得更加智能,而且能够通过网络传递更多的状态信息。

“我们正在软件方面付出着比以往任何时候都更多的努力,”他说,“低成本FPGA和DSP技术允许我们编写的软件提供更高的柔性、智能以及更多的可配置选项。”

机器安全是下一个新领域

许多供应商都提及并认为机器安全功能将是运动控制网络的又一个重要附加功能。

“我们发觉控制工程网版权所有,可以为目前已经制定完成的网络解决方案添加机器安全功能,这是一个强有力的发展趋势,”B&R自动化公司的 Helmut Kirnstoetter说,“在过去两到三年间,分散式体系结构的进展已经促进了这类产品的发展,转向机器安全将会是数字化运动控制网络的下一个解决步骤。”

运动控制网络产品聚焦

“运动控制网络发展”的一个重要组成部分就是产品创新,这足以展现自动化和运动控制网络的发展和方向。下面给出一些当前的产品和技术实例,以管窥日益进步的运动控制网络解决方案的发展趋势。

基于工业以太网的实时分布式通讯

B&R 自动化公司可以为机器制造业提供具备总线接入能力的ACOPOS系列伺服驱动器,其功率范围宽达400W到64KW。采用以太网Powerlink技术,可以在使用同一网络的单一线路中操作多达240个轴。当被控轴采用多路操作时,仍可以达到400 μs的刷新速率。

分散化操作是ACOPOS驱动的一个关键特性,这得益于内建在驱动器内部的运动控制器,以及可以在驱动器之间通过网络交互信息。以太网Powerlink技术向网络提供广播信息,每个网络节点只允许接收专门为其配置的可接收信息,信息包含当前位置控制工程网版权所有,并通过网络以200到400mic μsec的固定间隔在驱动器之间进行交换。

ACOPOS伺服驱动支持所有标准电机类型的操作,比如同步电机、带反馈系统或不带的异步电机、直线电机以及直接驱动电机等。

SYNQNET输入模块提供快速位置捕获

Danaher Motion公司的最新高速输入模块允许32路高速数字输入CONTROL ENGINEERING China版权所有,可充分利用该公司ZMP 3 U控制器的快速位置捕获功能。该模块可提供延迟时间低于350纳秒的硬件输入锁存速度,以及高达16路的同步高速输入捕获单元,所有输入均来自直接连接的10MHz FPGA。

通过为基于时间的位置捕获单元增加高速输入,SynqNet具备了一种将某个具体节点所发生的事件向网络上的任何其他位置提供报告的有效方式,这也非常适用于某些重要的SynqNet特性,比如锁相控制,以及在FPGA层面获得时钟同步,进而获得严格的协调运动的能力。该输入模块的目标市场为高速套准应用,也可以为需要使用和交换多个位置捕获信息的运行中设备调整提供一种有效方法。

具备多种现场总线接口特性的驱动器

来自Beckhoff自动化公司的数字伺服驱动在紧凑的外形尺寸中集成了功率电子回路。小巧的尺寸,集成的EMC滤波器,以及带插入式接点的接插件等,无不令其在控制柜中的安装

使用变得简洁而且节约工本。

内部的32位微处理器可以提供高品质控制,采样间隔时间缩短至62 μs。多种现场总线连接能力不仅允许驱动器方便地集成进EtherCAT网络,而且也可以融入多种其他类型的控制联网环境,包括 PROFIBUS,SERCOS,CANopen,DeviceNet 以及工业以太网。

EtherCAT技术方案可以在硬件中实现数据交换,并通过采用分布式时钟获得尽可能低的系统同步抖动,因而能够达到很高的性能。从站硬件采用ASIC或者FPGA,可以省去每个节点处原本用于读写以太网分组报文所需的缓冲,而代之以当数据帧通过从站节点时,由每个EtherCAT从站读写各自的数据,这样一来,只会给报文增加极小的纳秒级延时。该公司声称,通过在帧传输过程中读写数据,使得该技术有可能在100μs之内控制100个伺服轴,或者在30μs之内操作 1000个I/O点。

模块化驱动器支持伺服和矢量变频模式

来自Siemens公司的S120 交流驱动器将Sinamics S120系统扩充为可同时满足单轴和多轴应用的模块化系统,并支持伺服和矢量变频工作模式。这种独特的驱动器设计将功率驱动和智能控制分开,增加了功率部件和控制器的有效组合方式,因而具备更高的适应性和可伸缩性。

内建的“便捷定位”功能专门针对常见于自动装配机械和材料处理系统中所需的定位任务而设计。板级机器安全集成技术,包括“安全切断”和“安全刹车”等,有助于保护操作人员和机器本身免受伤害或损坏。通讯接口所支持的协议包括PROFIBUS和PROFINET,可提供远程访问、高速通讯以及向现存网络和自动化系统集成等网络解决方案。

可用的驱动器分为功率范围从0.25到1马力的单相230V供电,和功率范围从0.5到400马力的三相460V供电两个系列,可选的功率模块包括紧凑型积木式结构(0.25到125马力)或者机架式单元(150到400马力)。

针对模块化智能伺服的新型I/O模块

网络化策略是ELAU公司模块化智能伺服技术的一项关键特征。可快速连接的动力电缆串行于集中供电模块和分布式驱动模块之间;另一条快速连接电缆将分布式模块连接起来,在伺服模块间形成直线或树状网络拓扑(以代替菊花链环形拓扑),该网络是采用SERCOS协议构成的运动控制总线。供电和I/O信号也在同一条电缆中控制工程网版权所有,而且无需编码器反馈电缆,因为驱动已经与电机集成在一起。SERCOS通讯协议运行于铜缆之上,就如同SERCOS III即将采取的方式,这可以省去光缆、复杂端接以及光电接收器和发送器等。

不久之前,ELAU公司开发出一种I/O模块,可以作为该公司iSH系列模块化伺服的一种可选配模块,足以取代分布式I/O模块和单另的设备总线电缆。可选配I/O模块之所以能够取代单另的分布式I/O模块和设备总线控制工程网版权所有,正是得益于运控总线的应用。每个模块能够接入的传感器或执行器数量最多达到八个,接入方式采用流行的M12插塞式接插件,八个连接都能够根据需要定义为输入或者输出。

具备以太网POWERLINK的交流伺服

兼容工业以太网的MotiFlex系列三相交流驱动器出自Baldor公司,该产品集单相供电的驱动器、机器控制器和软件开发环境于一体,三相驱动上述附加特性意味着用户能够在构建工业以太网系统的同时,根据从小到大的负载,为每个轴选用最适合的电机驱动技术,无论是旋转或直线类型的无刷伺服电机,还是异步矢量变频电机,都可以通过软件选取,而且该公司还声称将要支持直流伺服电机。

机器制造商们正试图转向全电动体系结构,该方法可提供以软

件为中心的高度可重构系统。单一的机器控制器可以管理不同的系统元件,比如I/O设备、绝对式编码器、具备以太网Powerlink接口的DS402系列位置伺服驱动、步进系统以及多达16个轴的插补等。采用以太网Powerlink协议实现的应用系统可以和标准以太网实现无缝网络对接。作为Baldor公司开发环境的一部分,ActiveX软件工具可向用户免费提供,利用该工具,开发人员可以创建基于Windows的PC应用程序,通过工业以太网与人机界面等实时运动控制硬件实现通讯,或编制远程监控软件。

分布式以太网运动控制网络

出自Aerotech公司的Ensemble系统是一款针对中端到高性能应用的多轴控制器,可通过10/100 Base T工业以太网或USB接口实现高速通讯。

通过采用高速工业以太网,以CAT6类电缆传输信号并使用标准RJ45插头,实现了一种全新的系统架构,即中央控制器计算运行轨迹,然后利用网络通讯控制多个智能驱动器,由驱动器完成位置、速度和电流的闭环控制及电机的换相控制,总线信号的同步程度可以达到1微秒量级。

Ensemble系统可以控制无刷、有刷或者步进

电机,及其任意组合的工作台,简洁的参数配置界面还允许轻松地集成第三方的电机和工作台。控制器的编码器接口包括数字TTL正交信号输入或模拟编码器信号输入。多台Ensemble控制器可以由单台Windows PC机通过工业以太网或USB进行控制,并允许一台PC主机操控多达10个轴以上的运动。

扩展范围的KINETIX 2000系列伺服驱动

Kinetix 2000系列伺服驱动器出自Rockwell Automation公司,其可伸缩性架构适用于处理相对宽泛的应用需求控制工程网版权所有,功率等级从300W到3KW不等,另有附加的功率等级可以为 OEM制造商和最终用户提供更为完备的运动控制解决方案和选择余地控制工程网版权所有,目标应用领域为小型包装机械。

一套简单的动力连接轨充当着安装和连接系统的作用,不仅可以使设计和安装工作变得快捷而简单控制工程网版权所有,而且可以将连线工作量和维护成本降至最低。SERCOS接口提供了单路数字化光纤连接,可以方便地与Allen-Bradley公司的Logix系列控制器平台进行集成,构建多轴应用系统。另一个可选配的连线接口模块可用来节省多达100个终端接线。

小巧的驱动模块加上其他节省空间的特性共同造就了精巧的电气安装外形。简洁的模块化设计可以减少总体接线数量控制工程网版权所有,进而降低接线成本。Kinetix系列伺服电机采用了智能电机技术,可自动识别电机与驱动的接入关系是否正确,从而大大降低试运行时间。

可伸缩平台提高了接入能力

Bosch Rexroth公司推出的IndraLogic PLC平台可同时提供DeviceNet和EtherNet IP接入能力,允许用户选用各自的主导现场总线,从而最大限度地降低工程改造量。

满足一致性接入要求的DeviceNet端口可用作Rexroth公司运动和PLC控制器的总线扫描器,进而操控该公司的配电盘安装型Inline系列I/O模块、具备IP67防护等级的Fieldline I/O系统以及IndraDrive伺服和主轴驱动平台。

能够自主提供显式报文的Ethernet IP网络适配器功能可由CNC和PLC控制器的本地以太网端口实现,除此之外,还可以用Profibus DP作为标准现场总线平台。

IndraLogic系列PLC系统可提供一种高柔性的控制平台和设计能力,可以采用IEC 61131-3软件和开放式接口,方便地构建集中式或分布式自动化解决方案。该系统包括基于PC的PLC系统、基于控制器的PLC系统、或者基于驱动器的运控逻辑系统。对于DeviceNet 和Ethernet IP两种技术的最新支持提高了系统接入的灵活性,使之适用于更宽范围的特殊应用需求。

AMKASYN紧凑型控制器

AMK 驱动公司最新推出的AMKASYN系列控制器是针对实时机器视觉和控制需求提供的一体化控制器和联网解决方案,这些紧凑型控制器包括一套PLC和集成的机器视觉功能,相关功能已全部融入到采用CoDeSys编程界面的PLC开发环境中,允许快速访问PLC的所有状态和编程变量。系统采用ACC总线(基于 CANopen)或者实时工业以太网实现与驱动器和I/O模块的实时通讯。实时总线系统可提供轴间同步操控,并允许一直深入到驱动器层面的集成通讯和诊断功能。

加强型端接方式可提供高达IP65的防护等级CONTROL ENGINEERING China版权所有,足以抵御水滴飞溅和灰尘。有不同设计结构和配置的控制器可供选择,包括多种外形尺寸、不同的显示分辨率、以及采用触摸屏或按键的不同控制方式等。

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