0引言

　　實(shí)時(shí)通信技術(shù)正在成為潮流，EthernetPOWERLINK技術(shù)是其中最早被開發(fā)和投入使用的實(shí)時(shí)通信技術(shù)，從它的應(yīng)用中我們可以知道，實(shí)時(shí)通信的重大意義以及給我們帶來的巨大利益。今天，EthernetPOWERLINK技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)機(jī)器控制領(lǐng)域，提供高速高精度的生產(chǎn)設(shè)備控制，本文主要概述幾類典型的行業(yè)應(yīng)用案例。

　　1EthernetPOWERLINK的起源

　　從EthernetPOWERLINK的起源就可以看到，EthernetPOWERLINK技術(shù)是為了實(shí)際的應(yīng)用需求而產(chǎn)生的，它不是一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室研究的技術(shù)，而是一個(gè)在2001年就被投入使用的技術(shù)，當(dāng)時(shí)，某知名乳制品制造商計(jì)劃開發(fā)一個(gè)大型的生產(chǎn)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中有超過2000多個(gè)I/O點(diǎn)分布在40個(gè)I/O站上，而且有50個(gè)伺服軸，為了生產(chǎn)系統(tǒng)的高速運(yùn)行，需要所有的數(shù)據(jù)刷新周期不能大于5mS，當(dāng)時(shí)，B&R為了這個(gè)系統(tǒng)開發(fā)了EthernetPOWERLINK技術(shù)，當(dāng)時(shí)達(dá)到的指標(biāo)是2.4mS。

　　2EthernetPOWERLINK在CNC與機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　在工業(yè)應(yīng)用中，存在著很多對(duì)于實(shí)時(shí)性要求非常高的環(huán)境，例如：CNC和機(jī)器人系統(tǒng)、高動(dòng)態(tài)同步的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與測(cè)量、安全系統(tǒng)。流程工業(yè)中的監(jiān)控系統(tǒng)如SCADA、樓宇的BAS系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)刷新的要求通常在100mS以上的級(jí)別，而輸送系統(tǒng)、回路調(diào)節(jié)如壓力、溫度、液位、流量通常在mS到數(shù)十個(gè)mS這個(gè)級(jí)別，而CNC與機(jī)器人則在uS～幾個(gè)10mS這個(gè)級(jí)別，對(duì)于高速同步的應(yīng)用則可能在uS級(jí)。圖1示出了不同控制類型對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

　　圖1不同控制類型對(duì)實(shí)時(shí)性的要求

　　對(duì)于CNC系統(tǒng)而言，插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果需要通過總線送給各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，我們知道：

　　ds=V*dt

　　ds-加工精度

　　V-加工速度

　　Dt-刷新周期

　　我們從這個(gè)簡(jiǎn)單的公式中可以看到，例如我們對(duì)于加工速度為0.1mm的應(yīng)用而言，其進(jìn)給速度為0.1m/s的話，那么它的刷新速度需要達(dá)到1mS，插補(bǔ)周期越小則其加工的精度越高，而如果想在精度和進(jìn)給速度方面都要提高的話，則刷新周期就必須降低，通常高端的CNC機(jī)床的刷新周期都在uS級(jí)。

　　對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)更是如此，當(dāng)系統(tǒng)給定設(shè)定曲線后，機(jī)器人系統(tǒng)要將這些值轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的動(dòng)作路徑，根據(jù)不同的機(jī)器人類型如SCARA,并行SCARA、全關(guān)節(jié)型機(jī)器人而言，這是不同形式的齊次方程求解的過程，結(jié)果將會(huì)送給每個(gè)伺服軸作為其旋轉(zhuǎn)角度的參量，同樣道理如果希望機(jī)器人的加工精度和速度得到提高其變換計(jì)算的速度與數(shù)據(jù)刷新的周期都必須得到大幅度提高。

　　在沒有EthernetPOWERLINK技術(shù)之前，機(jī)器人系統(tǒng)的制造商使用的是專用的CNC和機(jī)器人系統(tǒng)，其內(nèi)部的總線均為專用的總線系統(tǒng)，刷新周期甚至高達(dá)100uS以下，但是，這個(gè)是考慮到位置環(huán)運(yùn)算也是由主站執(zhí)行的情況，而對(duì)于今天的智能型伺服驅(qū)動(dòng)器例如B&R的ACOPOS而言，位置環(huán)的計(jì)算都在本地執(zhí)行，EthernetPOWERLINK完全可以滿足其插補(bǔ)計(jì)算的高速響應(yīng)要求。

　　圖2基于EthernetPOWERLINK和ACOPOS控制的機(jī)械手

　　在Staubli、ABB、Comau等知名的機(jī)器人制造商的系統(tǒng)中，EthernetPOWERLINK成為了數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)的首選。

　　2EthernetPOWERLINK在高速高精度同步運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　2.1印刷套色與電子齒輪同步

　　對(duì)于高動(dòng)態(tài)同步控制而言，多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之間緊密的同步關(guān)系需要高速的總線提供各個(gè)軸的實(shí)時(shí)位置、速度等，由分布的運(yùn)動(dòng)單元自行計(jì)算其自身的位置環(huán)、速度環(huán)控制，例如在印刷機(jī)械的套色中，色標(biāo)檢測(cè)到偏差(∆l1,∆l2,∆l3,∆l4,∆l5)后直接送至當(dāng)?shù)氐奶幚韱卧M(jìn)行濾波、線性化、編碼處理通過EthernetPOWERLINK的實(shí)時(shí)通信發(fā)送至CPU的套色算法處理單元，該單元通過耦合和解耦運(yùn)算再將每個(gè)伺服需要調(diào)整的相位角∆θ1,∆θ2,∆θ3,∆θ4,∆θ5發(fā)送給每個(gè)伺服軸，伺服軸自身計(jì)算并作速度和位置環(huán)計(jì)算來控制電機(jī)的執(zhí)行，這個(gè)過程中，EthernetPOWERLINK提供了數(shù)據(jù)采集和指令下達(dá)的高速數(shù)據(jù)傳輸，使得各個(gè)伺服印刷單元之間的套色同步性得到保障。

　　圖3基于EthernetPOWERLINK和ACOPOS的印刷機(jī)套色控制

　　通常，對(duì)于速度在300m/min的印刷系統(tǒng)而言，保持高于+/-0.1mm的印刷精度，其套色任務(wù)處理的周期在mS級(jí)，而為了保證這工藝計(jì)算的執(zhí)行，則通信周期必須達(dá)到uS級(jí)-即高一個(gè)數(shù)量級(jí)的方式傳遞才能確保控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性處理。

　　除了包含套色工藝的計(jì)算下，對(duì)于印刷機(jī)還要保持各個(gè)伺服軸之間的精確電子齒輪同步關(guān)系，出現(xiàn)偏差就是在為伺服單元提供一個(gè)微小的相位調(diào)整，而實(shí)際上它是通過一個(gè)設(shè)定的目標(biāo)值通過速度的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)沒有偏差時(shí)，各個(gè)伺服軸之間也要嚴(yán)格遵循所設(shè)定的位置關(guān)系，例如電子齒輪同步，均需要通過EthernetPOWERLINK來傳遞數(shù)據(jù)。

　　EthernetPOWERLINK技術(shù)在印刷領(lǐng)域里包括凹版無軸傳動(dòng)、瓦楞紙開槽印刷、圓壓圓模切、寬幅柔版、窄幅柔版、衛(wèi)星式柔版、報(bào)紙印刷等大型印刷系統(tǒng)里得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)而言，在各個(gè)領(lǐng)域的同步控制里，印刷機(jī)對(duì)于通信的實(shí)時(shí)性要求較為苛刻。

　　2.2EthernetPOWERLINK在塑料機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

　　圖4基于EthernetPOWERLINK和ACOPOS控制的注塑機(jī)

　　在這個(gè)系統(tǒng)里，通過高速的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EthernetPOWERLINK，系統(tǒng)的開合模、射膠、熔膠、坐進(jìn)退實(shí)現(xiàn)了整個(gè)注塑過程的高速精度定位與同步，除了運(yùn)動(dòng)控制的定位控制本身需要高速的通信，另外，射膠、保壓等需要高精度的閉環(huán)控制，對(duì)于高速的全電動(dòng)注塑機(jī)而言，其閉環(huán)控制任務(wù)周期通常在1～2mS,那么，為了保證射膠和保壓的閉環(huán)精度，則通信的周期也必須達(dá)到uS級(jí)才可以。

　　同樣道理在全電動(dòng)吹瓶機(jī)中，除了各個(gè)伺服軸的控制，壁厚控制的閉環(huán)算法也需要高速的通信來提供保證，以確保產(chǎn)品的高品質(zhì)。

　　在流延膜生產(chǎn)線、高速分切機(jī)以及化纖紡絲等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的機(jī)器上，POWERLINK均有上佳發(fā)揮。

　　2.3EthernetPOWERLINK在紡織機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

　　細(xì)紗超長車，對(duì)于傳統(tǒng)的細(xì)紗機(jī)而言，其錠子數(shù)通常在500個(gè)，而考慮生產(chǎn)效率與質(zhì)量等因素，1500錠的細(xì)紗超長車系統(tǒng)也被開發(fā)了出來。

　　在這個(gè)系統(tǒng)中前、中、后羅拉的長度較長，為了解決羅拉在旋轉(zhuǎn)過程中的機(jī)械扭曲，系統(tǒng)采用了在羅拉兩端的伺服驅(qū)動(dòng)，即系統(tǒng)由三組，每組3個(gè)軸的系統(tǒng)構(gòu)成，這樣兩端的伺服系統(tǒng)必須保持高速的同步，否則就會(huì)造成紗線成型質(zhì)量的偏差，它們與主軸構(gòu)成跟隨的電子齒輪同步，而羅拉與鋼領(lǐng)板之間構(gòu)成電子凸輪曲線關(guān)系也需要EthernetPOWERLINK提供更高的凸輪關(guān)系的同步數(shù)據(jù)，這些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系必須依賴于EthernetPOWERLINK的數(shù)據(jù)通信才能實(shí)現(xiàn)羅拉兩端同步、羅拉與鋼領(lǐng)板的電子凸輪紗線成型算法、以及與主軸的同步跟隨關(guān)系，另外，在系統(tǒng)突然掉電的情況下，EthernetPOWERLINK還要保證各個(gè)軸之間的同步停車。

　　圖5基于EthernetPOWERLINK和ACOPOS控制的1500錠細(xì)紗超長車

　　其它如在高速特里科經(jīng)編機(jī)的EBC（電子送經(jīng)）和ELS（電子橫移）控制中，尤其是在ELS中，針床的梳櫛之間的距離只有毫米級(jí)，而要在微小的空間里移動(dòng)，并且編織出花形變化非常大的織物，各個(gè)直線電機(jī)的極高動(dòng)態(tài)響應(yīng)是其它總線無法實(shí)現(xiàn)的，其它如漿紗機(jī)的多單元同步、碳纖維高速卷繞頭、多軸向經(jīng)編機(jī)等等都有POWERLINK的應(yīng)用。

　　3結(jié)束語

　　EthernetPOWERLINK的大量使用顯示了實(shí)時(shí)通信技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景，除了高動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，POWERLINK也可以應(yīng)用于其它對(duì)于冗余、熱插拔、安全性有所要求的系統(tǒng)中。

　　隨著機(jī)器控制的要求越來越高，EthernetPOWERLINK技術(shù)也將繼續(xù)進(jìn)展并得到更加廣泛的應(yīng)用。

　　宋華振（1972~），男，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司市場(chǎng)部經(jīng)理、工程師。多年從事工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施工作。加入貝加萊公司后曾從事銷售工作，在銷售工作中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)任市場(chǎng)部經(jīng)理，主要從事市場(chǎng)營銷策劃和市場(chǎng)分析工作。