工業(yè)以太網(wǎng)在運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用

文:2017年第5期

    現(xiàn)場(chǎng)總線曾經(jīng)一度成為熱搜的名詞,可惜由于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)在太不統(tǒng)一,加上信息技術(shù)的快速發(fā)展,工業(yè)以太網(wǎng)逐漸在多樣化的十幾種的現(xiàn)場(chǎng)總線中脫穎而出,每一個(gè)用戶更期待的是一個(gè)統(tǒng)一、開(kāi)放的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范。但事實(shí)并非如此,IEC61158認(rèn)可的八種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)作為工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展的結(jié)果,形成了四種不同的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,分別為FoundationFieldbus和WorldFIP向FoundationFieldbusHSE發(fā)展;ControlNet和DeviceNet向Ethernet/IP發(fā)展;Interbus和Modbus向IDA發(fā)展;Profibus向ProfiNet發(fā)展。這四種工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),都有其支持廠商和相應(yīng)產(chǎn)品。在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域,2011年,現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議在新運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)連接領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位,而以太網(wǎng)僅占12%的市場(chǎng),約180萬(wàn)新的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)連接。到了2016年,新以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接超過(guò)了25%的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品。

    目前有多種用于提供實(shí)時(shí)功能的以太網(wǎng)方案。例如,通過(guò)較高級(jí)的協(xié)議層禁止CSMA/CD存取過(guò)程,并使用時(shí)間片或輪詢過(guò)程來(lái)取代它。其它方案使用專用交換機(jī),并采用精確的時(shí)間控制方式分配以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。盡管這些解決方案能夠比較快和比較準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)包傳送到所連接的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn),但帶寬的利用率卻很低,特別是對(duì)于典型的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備,因?yàn)榧词箤?duì)于非常小的數(shù)據(jù)量,也必須要發(fā)送一個(gè)完整的以太網(wǎng)幀。而且,重新定向到輸出或驅(qū)動(dòng)控制器,以及讀取輸入數(shù)據(jù)所需的時(shí)間主要取決于執(zhí)行方式。其中,EtherCat以高速數(shù)據(jù)傳輸和快速響應(yīng)時(shí)間著名,2016年前它的成員數(shù)持續(xù)高速增長(zhǎng)。EtherCAT技術(shù)突破了其它以太網(wǎng)解決方案的這些系統(tǒng)限制,不必再像從前那樣在每個(gè)連接點(diǎn)接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包,然后進(jìn)行解碼并復(fù)制為過(guò)程數(shù)據(jù)。當(dāng)幀通過(guò)每一個(gè)設(shè)備(包括底層端子設(shè)備)時(shí),EtherCAT從站控制器讀取對(duì)于該設(shè)備十分重要的數(shù)據(jù)。同樣,輸入數(shù)據(jù)可以在報(bào)文通過(guò)時(shí)插入至報(bào)文中。

    正是由于EtherCAT并不是要將所有的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)全部改成以太網(wǎng),而是要將原來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層定義的數(shù)據(jù)信息封包在以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層內(nèi),大幅度提高了運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性,其應(yīng)用范圍會(huì)越來(lái)越廣。

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