多軸運動控制系統(tǒng)和實時通信網(wǎng)絡(luò)

1、多軸運動控制系統(tǒng)和實時通信網(wǎng)絡(luò)貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司 葉莘在現(xiàn)代機械制造中，多軸運動控制已經(jīng)越來越普遍， 用電子方式來實現(xiàn)機械運動軸之間 協(xié)調(diào)同步，取代了傳統(tǒng)的機械凸輪和齒輪， 給機械設(shè)計制造帶來了巨大的靈活性。 以往只有 通過復(fù)雜的機械設(shè)計和加工才能實現(xiàn)的運動過程，現(xiàn)在可以通過軟件編程輕松實現(xiàn)。而且， 使用電子運動控制，精度更高，動態(tài)性能更好，沒有機械損耗，使維護變得方便而簡單。用 戶可以實現(xiàn)更加靈活的，模塊化的機械結(jié)構(gòu)。在幾乎所有的機械制造領(lǐng)域中，特別如紡織機械，印刷機械，包裝機械，塑料機械，食 品機械等，多軸運動控制的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，成為高性能，高品質(zhì)機械制造的重要標志。運動

2、控制的核心是驅(qū)動系統(tǒng)， 數(shù)據(jù)傳輸方式也逐漸由模擬量發(fā)展成基于總線的數(shù)字信號 傳輸。為了有效協(xié)調(diào)同步各個軸的運動過程， 實現(xiàn)高精度的多軸運動控制， 一個實時高效的 數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。本文將討論高精度多軸運動控制對通信網(wǎng)絡(luò)提出了什么樣的要求。 然后以全球首個真正 實時的工業(yè)以太網(wǎng) ETHERNET Powerlink 為例，介紹一個完全符合這些要求的運動控制網(wǎng) 絡(luò)。1. 多軸運動控制的模式和發(fā)展趨勢在多軸運動控制中，各個廠商提供的控制理念和模式不盡相同， 各種類型都有其優(yōu)缺點， 用戶要根據(jù)自己的實際需求來選擇方案。大體來說，控制模式可以從 2 個層面上區(qū)分：驅(qū)動單元和總體架構(gòu)。從單個驅(qū)動單

3、元 來看，可以從智能集成度劃分等級，從總體控制架構(gòu)來看，有分布式和集中式 2 種模式不同的解決方案對通信網(wǎng)絡(luò)的要求也不一樣，下面我們先介紹一下上面提到的控制模 式，以及它們分別對通信系統(tǒng)的要求。驅(qū)動單元：非智能型和全智能型對于單軸的驅(qū)動器來說， 可以對它內(nèi)部的智能集成度來進行劃分。 驅(qū)動系統(tǒng)的核心作用 是按照控制要求驅(qū)動電機?？煽氐奈锢砹坑腥齻€：扭矩，速度，位置。 傳感器把這三個物 理量反饋到控制系統(tǒng)， 由控制系統(tǒng)進行計算和輸出， 實現(xiàn)對這三個量的閉環(huán)控制， 從而實現(xiàn) 運動控制。眾多廠商提供的驅(qū)動器按智能集成度大體可以分成三種類型：1. 開環(huán)式驅(qū)動器2. 自帶電流閉環(huán)控制，速度閉環(huán)控制，有時也

4、帶位置閉環(huán)控制的驅(qū)動器3. 集成運動控制系統(tǒng)的全智能型驅(qū)動器第一種開環(huán)式的驅(qū)動器是一個單純的執(zhí)行機構(gòu)， 它本身只是一個放大器， 把控制信號放 大輸出給相應(yīng)功率的電機完成運動過程，所有的控制協(xié)調(diào)功能都由外部控制系統(tǒng)實現(xiàn)。第二種驅(qū)動器自身集成了最多 3 層疊加的閉環(huán)控制。最底層是電流閉環(huán)，用來調(diào)制輸 出扭矩，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)速度閉環(huán)， 最上一層為位置閉環(huán)。 這里的位置閉環(huán)只是相對于電機 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置而言。 如果要實現(xiàn)某種特定運動過程， 比如在設(shè)定速度下精確定位， 還需要 外部的智能設(shè)備（運動控制系統(tǒng)）。第三種類型是集成運動控制系統(tǒng)的驅(qū)動器， 系統(tǒng)本身除了有三層閉環(huán)控制的功能外， 也 集成了運動控制

5、系統(tǒng)， 具有很高的智能，客戶可以直接對其進行編程。 機械行業(yè)應(yīng)用中的典 型運動過程， 如包裝機械，印刷機械，塑料機械中的常見的機械動作，被優(yōu)化成軟件工藝 模塊集成到驅(qū)動器內(nèi)。用戶不需要再對系統(tǒng)進行復(fù)雜的編程， 直接給相應(yīng)的工藝模塊賦予參 數(shù)就可以實現(xiàn)這些復(fù)雜動作。有些驅(qū)動器內(nèi)甚至還集成 PLC 功能。這類驅(qū)動器不需要外部 的控制系就可以單獨完成復(fù)雜的運動控制。集中式和分布式圖1:幾種不同的驅(qū)動器類型從控制系統(tǒng)架構(gòu)來看，多軸運動控制可分為集中式和分布式。 如果用上述第一 驅(qū)動器（低智能型），多軸運動控制則被集中完成，由一個運動控制單元（如運動控制卡） 控制多個低智能型驅(qū)動器完成多軸運動控制。第二

6、種中央控制單無運動勒爭軸號跡計算動計篇非皆柜世呃動囲1非智繼型嶇動黔2圖2:集中式多軸運動控制集中式多軸運動控制在機器人領(lǐng)域比較常見，通常由一個運算能力強大的中央控制系統(tǒng)來協(xié)調(diào)計算各個驅(qū)動系統(tǒng)單元，完成復(fù)雜的三維動作。使用上述第三種驅(qū)動器（高智能集成型），相應(yīng)的多軸控制任務(wù)可以直接分布到各個驅(qū) 動單元中去，實現(xiàn)完全分布式的多軸運動控制。晉能型驅(qū)動器1智能型驅(qū)動器2智能型驅(qū)動器n圖3:分布式多軸運動控制分布式多軸運動控制的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在模塊化的機械制造當(dāng)中，每個機械單元可以獨立工作，用戶可以對機械進行靈活的配置，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。驅(qū)動器中集成安全功能在涉及到人員和物品安全的領(lǐng)域，安全功能必須得到保證

7、，國際上已經(jīng)出臺了相應(yīng)的法律法規(guī)，在不同的機械制造行業(yè)中， 越來越多的設(shè)備中必須配備專門處理安全任務(wù)的驅(qū)動器。 國際上已經(jīng)為此制定了設(shè)備安全方面的重要標準IEC 61508。可以預(yù)見，今后很多設(shè)備必須符合這個標準才能夠投放到市場當(dāng)中去。帶有集成安全功能的標準智能驅(qū)動器是目前的發(fā)展趨勢，帶有安全功能 的驅(qū)動器可以在緊急情況下，自動將設(shè)備減速到一個非危險狀態(tài)， 或安全地停止整個設(shè)備。 甚至在其他控制 系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，安全功能也必須得到保證。2. 多軸運動控制對通信網(wǎng)絡(luò)的要求數(shù)據(jù)量，通信周期，時間同步性多軸運動控制對通信網(wǎng)絡(luò)最核心的要求是實時性，除此之外，也需要考慮以下因素：? 數(shù)據(jù)交換的頻繁

8、度，（通信周期），? 各個站點之間的通信關(guān)系，? 數(shù)據(jù)包的大小，? 站點間的時間同步精確度，在集中式的控制模式中，有時候甚至電流（扭矩）的閉環(huán)控制也是由外部中央控制系統(tǒng) 完成。交換的數(shù)據(jù)主要是傳感器反饋的實際值和主控單元發(fā)出的設(shè)定值，這些數(shù)據(jù)被放在在很小的數(shù)據(jù)包里，很頻繁地在穿梭在主控單元和各驅(qū)動器之間，系統(tǒng)偶爾可能要讀取一下如驅(qū)動器溫度等診斷參數(shù)。這樣，通信周期越短越好，通常在50us或更小。通信關(guān)系是主控單元對各個驅(qū)動器單元間的雙向通信，驅(qū)動器單元之間無需數(shù)據(jù)交換。中央夢鉆運 動控制單元非智能驅(qū)動器1非習(xí)能鑾動器3HF1Tal 二=UEH丄匸=«Tt非智龍蠱動器2非智能驅(qū)動強n圖

9、4 :集中式運動控制中的典型數(shù)據(jù)交換在分布式控制模式中，位置，速度，電流閉環(huán)在各驅(qū)動器單元內(nèi)部完成，為了協(xié)調(diào)各軸 的動作，需要交換的數(shù)據(jù)包就相對要大一些，主要包含位置，速度，電流等信息。由于像閉 環(huán)控制這樣的對運行周期時間和精度都要求很高的任務(wù)已經(jīng)在驅(qū)動器單元內(nèi)部完成，它們之間的數(shù)據(jù)交換就可以相對慢一些，速度信息通常每400us左右交換一次，位置信息1 - 2ms交換一次即可。各站點之間通信關(guān)系可以是任意的，主控系統(tǒng)和驅(qū)動器單元，以及驅(qū)動器單元間應(yīng)該可以任意點對點通信。圖5 :分布式運動控制中的典型數(shù)據(jù)交換不管使用哪一種模式， 通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)都必須具有很高的時間同步精度。 主控系統(tǒng)和驅(qū)動器 單元必

10、須通過這個網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高精度同步。 所以， 網(wǎng)絡(luò)本身的實時性對控制質(zhì)量有著直接的影 響。維護和診斷 在對設(shè)備的檢測維護過程中，上位系統(tǒng)必需可以對驅(qū)動器中任何變量和參數(shù)進行訪問， 需要時還要進行修改。 所以， 通信系統(tǒng)除了傳輸同步信息外， 還要為這類非同步信息留下空 間。集中式控制模式中的絕大部分相關(guān)參數(shù)已經(jīng)存在主控單元中， 各驅(qū)動器單元的診斷數(shù)據(jù) 主要是一些少量的狀態(tài)信息， 顯示系統(tǒng)是否正常運行。 所以， 通信網(wǎng)絡(luò)在集中控制模式中不 需要為診斷信息預(yù)留很多帶寬。分布式控制模式正好相反， 由于控制智能被分散到各個驅(qū)動器單元， 相應(yīng)數(shù)據(jù)也是存儲 在各個驅(qū)動器中， 驅(qū)動單元各自獨立完成復(fù)雜的運動過程，

11、自行對運動過程做出響應(yīng)， 各驅(qū) 動器中存儲了大量信息， 比如凸輪曲線， 診斷信息等。 為了讓用戶可以更方便地訪問相關(guān)數(shù) 據(jù)，很多高智能驅(qū)動器內(nèi)部甚至可以集成 Web 服務(wù)器，這樣，用戶可以直接用 Web 瀏覽 器對系統(tǒng)進行遠程訪問。 所以， 在一個分布式的控制模式中通信網(wǎng)絡(luò)必須給診斷數(shù)據(jù)，參數(shù)下載等非同步信息預(yù)留比較大的帶寬空間。同步信息：需要周期性交換的信息，如位置，速度，扭矩等，需要高同步精度。非同步 信息：無需周期性交換的信息，如參數(shù)下載，狀態(tài)參數(shù)讀取等，沒有同步精度要求。 通信協(xié)議的高層抽象化為了讓客戶能夠更加方便地對網(wǎng)絡(luò)中的控制單元 （包括除驅(qū)動器以外等其它設(shè)備） 進行 編程， 組態(tài)

12、和維護， 需要對通信網(wǎng)絡(luò)的低層協(xié)議進行抽象化。 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備具有的功能和參 數(shù)都由一個標準協(xié)議來進行描述。用戶可以通過標準編程接口（APIs ）訪問網(wǎng)絡(luò)中不同廠家的設(shè)備， 而不需要考慮設(shè)備在通信上， 功能上的具體細節(jié)。 新接入的設(shè)備可以通過清楚定 義的通信接口被自動識別，被設(shè)置參數(shù)，自動集成到整體系統(tǒng)中來。集成安全通信在一個整體控制架構(gòu)中，涉及到安全功能的控制設(shè)備（安全PLC ，安全驅(qū)動設(shè)備等）目前通常是單獨布線， 自成獨立的安全通信網(wǎng)絡(luò)。 如果把安全設(shè)備和其它設(shè)備整合到現(xiàn)有系 統(tǒng)架構(gòu)中來， 和主控系統(tǒng)共用一個通信網(wǎng)絡(luò)， 可以大大減少對設(shè)備組態(tài)， 布線和維護的成本， 同時提高設(shè)備的柔性和靈活性

13、。 當(dāng)然， 安全性能在這種架構(gòu)中必須也能得到充分的保證， 如 果安全設(shè)備間的通信連接出現(xiàn)故障，系統(tǒng)必須能及時發(fā)現(xiàn)。在涉及安全的部分中， 系統(tǒng)必需自動周期性檢核控制系統(tǒng)和通信是否無故障運行。 系統(tǒng) 要識別任何通信中斷， 數(shù)據(jù)包丟失或錯誤， 需要的話將整個設(shè)備停到一個安全的狀態(tài)下。 控 制系統(tǒng)必須以極高的概率排除設(shè)備對人員或物資產(chǎn)生危險的可能性。按照 IEC 61508 和相關(guān)標準 IEC 62061 ，ISO 13849 的規(guī)定，使用標準工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 的通訊技術(shù)不足以獲得所需的可靠性和安全等級。使用標準工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒂锌赡軄G 失，沖突或者亂序。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，達到安全性的要求，安全網(wǎng)絡(luò)

14、在應(yīng)用層定義了 附加的數(shù)據(jù)檢核，包括監(jiān)控 Watchdog 定時器，檢測報文編號，確認順序和標記，以及額外 的數(shù)據(jù)一致性檢核。圖6 : IEC 61508安全標準為了把這些安全功能集成到現(xiàn)有的現(xiàn)場總線和通信網(wǎng)絡(luò)中來，近幾年已經(jīng)有一些帶有保護和監(jiān)測機制的，符合安全標準的專用通信協(xié)議被開發(fā)出來。安全的訪問機制對于設(shè)備的遠程維護監(jiān)控來說，簡單透明的訪問機制是非常有利的。用戶可以直接用 Modem或者寬帶通過互聯(lián)網(wǎng)直接對設(shè)備上對任何一個控制單元進行訪問維護。理想情況下 設(shè)備中的通信系統(tǒng)可以直接使用互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，在智能驅(qū)動系統(tǒng)中集成的Web服務(wù)器就可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)被訪問，提供相應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)。

15、但是這種通信的透明度在實際情況下會帶來很多問題，網(wǎng)絡(luò)中的不安全因素 （病毒，木馬，蠕蟲等）會給現(xiàn)場運行的設(shè)備帶來危險。所以，在滿足遠程訪問要求的同時，一個安全 的訪問機制是必不可少的。外部網(wǎng)絡(luò)中無論是人為或非人為因素造成的故障不應(yīng)該影響現(xiàn)場 設(shè)備的正常運行。對于多軸運動控制通信系統(tǒng)來說，通信故障造成的偏差不僅影響控制質(zhì)量， 甚至也會造成設(shè)備損壞和對人員的傷害。統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為了節(jié)省開發(fā)維護的成本，在整體控制架構(gòu)中使用的網(wǎng)絡(luò)類型越少越好。最佳情況下，一個通信網(wǎng)絡(luò)，可以滿足運動控制系統(tǒng)對高速實時通信的要求，也可以用來作為其它非同步數(shù)據(jù)的通信介質(zhì)（10,人機界面，數(shù)據(jù)監(jiān)控采集等 ）。以太網(wǎng)作為一個成

16、熟的通信介質(zhì)， 可以滿足用戶的多種需求。3. ETHERNET Powerli nk 提供完整的解決方案以上提到了多軸運動控制系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)的要求，下面將以ETHERNET Powerlink 為例，介紹一個已經(jīng)得到驗證的，成熟的解決方案。ETHERNET Powerlink（以下簡稱 EPL ）是由奧地利貝加萊（B&R）工業(yè)自動化公司于2001年推出的全球首個實時工業(yè)以太網(wǎng)標準。這個標準推出后即被公開，任何公司單位 個人都可以免費獲取。由一個中立性的組織EPSG對這個標準進行維護，目前已經(jīng)有全球超過200知名工控企業(yè)加入這個組織，包括大家熟悉的 ABB , Alstom , Hirs

17、hmann , P + F ,Wago 等。EPL建立在標準快速以太網(wǎng) IEEE802.3的基礎(chǔ)之上，協(xié)議運行在一個獨立的網(wǎng)絡(luò)域中， 所謂實時域（Real - Time Domain ）。這樣就可以保證對實時性要求極高的通信要求（如單個實時域多軸運動控制）不會被與之連接的非實時通信網(wǎng)絡(luò)（如辦公室網(wǎng)絡(luò)）所影響。內(nèi)最多可以同時接入 240個站點。實rm同步段實時數(shù)據(jù)交換EPL是一個嚴格周期性的通信協(xié)議，它可以保證所有在實時域內(nèi)的站點以小于1US的時間精度相互同步。其中一個站點作為管理站控制整個實時域的時間特性。每個通信周期開始時，管理站會發(fā)出一個非常精確的同步信號 SoC （Start of Co

18、mmu ni cation ）。之后EPL協(xié)議為所有站點預(yù)留了一個時間槽，用來進行同步信息的通信，這個階段被 稱作同步段。在同步段，網(wǎng)絡(luò)中的每個站點都會被分配得到一個專用的時間槽，有時多個站點也可以共用一個時間槽（ Multiplex模式），以便充分利用帶寬。同步段結(jié)束后，協(xié)議還預(yù)留了一個時間段作為非同步信息（參數(shù)診斷，下載等）通信段。非同步信息對實時性沒有要求，所以每個同步周期只有唯一一個站點可以發(fā)出非同步信息就可以滿足要求。通信周期站點圖7 :每個站點都被分到一個時間槽，每個通信周期都預(yù)留非同步數(shù)據(jù)段通信機制采用廣播形式， 所有站點都可以同時接受信息，這樣，可以實現(xiàn)多個站點中的橫向數(shù)據(jù)交換

19、，如驅(qū)動單元間的直接數(shù)據(jù)交換。這樣，集中式和分布式兩種控制模式的要求都可以得到滿足。EPL的報文格式完全符合IEEE802.3標準幀格式，使用市場上任何一種以太網(wǎng)芯片就可以方便地實現(xiàn)EPL協(xié)議，成本非常低廉。使用市場上完全以軟件方式實現(xiàn)的EPL系統(tǒng)，結(jié)合標準報文，最短通信周期可以達到 100us。單個報文最長可以有 1500個字節(jié)的有效數(shù) 據(jù)長度。通信周期的最短時間， 時間槽的數(shù)量，以及單幀報文的長短都可以由用戶自由設(shè)置。通過對這類參數(shù)的設(shè)定，EPL可以適合不同場所不同類型的應(yīng)用要求，特別在多軸運動控制 領(lǐng)域，可以滿足集中和分布2種控制模式對網(wǎng)絡(luò)通信的要求。EPL的具體參數(shù)如下：公開的協(xié)議，知

20、識產(chǎn)權(quán)完全開放符合IEEE 802.3, IP-協(xié)議，CANopen 和其它多種國際標準以標準以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的高實時性數(shù)據(jù)交換可實現(xiàn)100卩s通信周期 和1卩s的網(wǎng)絡(luò)抖動（Jitter）可實現(xiàn)任意靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)用TCP/UDP/IP 協(xié)議實現(xiàn)透明通信現(xiàn)場已經(jīng)有超過 15萬個節(jié)點的應(yīng)用可用標準以太網(wǎng)硬件模塊實現(xiàn)；無需設(shè)計專用芯片標準化組織已經(jīng)有超過200家知名企業(yè)作為會員非同步數(shù)據(jù)可使用 TCP/UDP/IP在非同步段，數(shù)據(jù)可以依舊使用標準 IP-報文格式傳輸，標準應(yīng)用也可以在 EPL協(xié)議 堆棧上輕松實現(xiàn)，如 Web服務(wù)器，e-mail服務(wù)等。如果給一個 EPL站點賦予IP地址，就 可以通過互

21、聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在世界任何一端直接訪問此站點。圖&無論哪個網(wǎng)絡(luò)層面都可以直接訪問EPL站點在EPL站點傳輸非同步數(shù)據(jù)之前，先報告給管理站，管理站通過一個優(yōu)先分配清單來 統(tǒng)一調(diào)配分給各站的非同步時間段。應(yīng)用層（第7層）使用CANOpne協(xié)議在協(xié)議的應(yīng)用層，EPL直接使用靈活的 CANOpen作為通信和設(shè)備描述的協(xié)議。由于EPL使用的是快速以太網(wǎng)作為其通信介質(zhì)，它的通信速率可以比CAN總線快將近100倍,使用的卻是同一種應(yīng)用層接口。EPSG 組織和 CiA(CAN in Automation) 合作，把 CANopn 種的 DS301 和 DS302 規(guī)約移植到EPL中來。每一種符合 EPL標準的

22、設(shè)備都由一個統(tǒng)一的設(shè)備模型來描述。設(shè)備模型 的核心部分是通過對象字典(Object Dictionary )對設(shè)備功能進行描述。對象字典分為兩部分，第一部分包括基本的設(shè)備信息，例如設(shè)備ID，制造商，通信參數(shù)等等。第二部分描述了特殊的設(shè)備功能。一個16位的索引和一個8位的子索引唯一確定了對象字典的入口。通過對象字典的入口可以對設(shè)備的”應(yīng)用對象"進行基本網(wǎng)絡(luò)訪問，設(shè)備的 ”應(yīng)用對象"可以是輸入輸出信號，設(shè)備參數(shù)，設(shè)備功能和網(wǎng)絡(luò)變量等等。圖9: EPL設(shè)備模型符合 CANopen標準需要高同步精度的時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過過程數(shù)據(jù)對象PDO(Process Data Object) 進行

23、數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)中每個站點都可以讀取PDO，并對它進行處理。PDO的數(shù)據(jù)內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始階段就被設(shè)置好。所以數(shù)據(jù)傳輸本身可以實現(xiàn)時間優(yōu)化，而且不帶附加數(shù)據(jù)(幀頭尾等)。EPL可以在一幀同步報文中最多傳輸1490個字節(jié)，而CAN總線最多只有8個字節(jié)。參數(shù)下載，診斷數(shù)據(jù)等非時間關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以放在服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO )中傳輸。在非同步段的SDO的傳輸遵循 客戶端/服務(wù)器 模式。網(wǎng)絡(luò)中任何一個 EPL站點都可以通過對象字 典(Object Dictionary )訪問另一個站點的 SDO。數(shù)據(jù)量的大小沒有限制。 通過使用UDP/IP 報文格式也可以直接從互聯(lián)網(wǎng)上訪問SDO。丁已臼?怕飾卞|:和瓚T ransporl:Nelwk DLL圖 10 : EPL 可以用 UDP 傳輸 CANopen SDO通過協(xié)議應(yīng)用層上和 CANopen兼容，EPL滿足了網(wǎng)絡(luò)高層抽象化的要求。而且在CAN總線和EPL共存的網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以使用統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議和編程接口。安全工業(yè)以太網(wǎng)EPL