实时通信技术在机械制造业的应用

　　一、生产效率的提升带来了对网络的巨大需求

　　随着生产技术的提高，运动控制技术与机器人技术也得到了更为广泛的应用，传统的总线愈发无法满足高速高精度加工的系统需求，而随着IT技术的快速发展，工业以太网得到了快速的发展，然而，由于其CSMA/CD的冲突检测机制造成的无法实现数据交换的确定性使其无法在高实时性领域使用，为了解决这一问题，各主流的自动化公司均开发了基于以太网技术的实时以太网技术，其中2001年，由始创公司B&R开发的Ethernet POWERLINK最早投入使用，接着由SIEMENS,Rockwell AB及Bosch Rexroth等也开发了PrifiNet,Ethernet/IP和SERCOSIII等，以及由Beckhoff开发的EtherCAT技术。

　　二、实时以太网的应用领域

　　1.CNC和机器人

　　传统的CNC和机器人均是由专用的控制系统来实现，这包括了诸如SIEMENS的820,840D等CNC系统，由于需要大量的轴间插补运算，另一方面，原有的CNC系统其速度环和位置环计算由于均是通过由主站来进行计算的，因此，其对数据通信的要求极其高，因此，传统的SIEMENS和Fanuc均使用了其自主开发的内部总线来实现，而今天随着智能伺服系统和工业实时以太网的发展，这一系统架构设计将逐步得到改进，例如Staubli的机器人系统就采用了Ethernet POWERLINK技术，使得其能够在通用的硬件平台上实现路径转换的计算，通过高速的实时以太网技术传递到各个执行单元，从而实现机器人的高速高精度运转。

　　2高速同步关系处理

　　在很多传统的机械行业，随着控制要求的愈发提高，越来越多的独立驱动技术被得到应用，这使得机器运行更加具有灵活性，能够更为快速的实现工艺切换和性能的提升，下面举两个较为典型的例子作以说明。

　　2.1印刷无轴传动系统

　　由于传统的机械长轴会造成系统机械结构的复杂性以及高维护的特点，并且另一方面，系统的生产工艺切换也将由于订单的不同需要机械调整，这将使得整个生产系统的性能降低，这使得无轴传动-更为确切的说是属于电子轴技术，例如在凹版印刷、柔版印刷、瓦楞纸开槽印刷等系统中，传统的机械长轴为独立驱动的伺服轴所代替，然而，这时候轴与轴之间的关系将依赖于高速的通信系统来实现其运动关系的同步，以及偏差的调整，在这个领域里，SERCOSIII和Ethernet POWERLINK则占据主导的低位，由于印刷需要高速纠偏使得通信的刷新速度极其重要，在高速运行系统下，印刷机的控制周期必须达到微秒级，否则就无法实现高速的调整。

　　2.2全电动注塑机

　　全电动注塑机同样是一个需要高速通信的过程，由于射胶、合模、坐进退、熔胶、保压等阶段需要保持轴之间的高速顺序切换，以及保压切换过程中的高速刷新任务都需要通信系统提供极高的刷新，一般这个任务等级在1mS以下。

　　3. 安全系统

　　安全系统越快的响应速度则能够更好的保护人身的安全，更短的刹车距离显然会对人体造成潜在风险的降低，因此每个实现工业实时以太网的技术均为安全系统提供了通信解决方案，这包括了Profi Safe,Ethernet IP Safe，以及由B&R开发的openSAFETY，openSAFETY与其它Safety技术在技术实现上均遵循IEC61508，然而不同在于openSAFETY是一个可以运行在其它任何总线上的安全通信应用层协议，目前它已经通过测试在ProfiNet、Ethernet IP、Modbus、SERCOSIII上得到运行。

　　4.过程控制

　　过程控制虽然对于系统刷新的速度要求不高，但是，一方面，对于冗余和多CPU之间的通信则提出了非常高的要求，因为，这些功能是必须满足系统的高可靠运行而必须的设计，另一方面，对于更多的传动系统加入的过程应用而言，传动对于系统刷新速度的要求也必须得到更高的级别。

　　5.工厂自动化FA

　　工厂自动化是另一个方面，虽然并非是连续生产，然而，要去实现与企业级的互联，从生产的设备到设备互联，仍然需要高透明的工厂设计，那么实时以太网则能够满足从生产的运动控制到整个生产线与管理系统的集成，实现真正意义的一网到底-从而构建透明工厂，使得整个工厂的控制和状态检测能够完整的集成在统一的系统架构之下。

　　三、实时以太网的评估参数

　　1.抖动

　　为了保证各个运动轴之间的同步性，在控制指令发出后(例如:POWERLINK是通过同步帧广播的形式去给出同步信号的)，各个轴之间执行任务会存在一个时间偏差，这个是影响系统同步性的关键指标，通常，主流的实时以太网技术保持在100nS以内，通常，使用者会混淆这个概念，并非是传输速度很高就同步性高，因为系统的抖动构成了同步性的关键因素。

　　2.是否支持直接交叉通信

　　对于那些需要高速处理的任务而言，直接交叉通信是一个非常有用而关键的功能设计，这与通信机制有关，采用集束帧方案的以太网技术无法实现这一点是因为它采取的是一种数据列车的方案，而像Ethernet POWERLINK和SERCOSIII则可以实现交叉通信，直接交叉通信可以使得从站之间可以进行通信，这有两个方面的好处，一方面，这可以降低主站的任务负载，从站之间可以互相通信来实现同步，尤其是对于那些实现电子齿轮同步、跟随、安全系统而言非常有用，因为无需通过主站的执行，使得系统的效率得到了大幅度的提高，另一方面，直接交叉通信也使得系统设计更为灵活，在编程方面就无需太多的关心轴与轴之间的通信关系，而是直接的去控制节点即可。

　　3.任务周期

　　通常，Profinet RT和Ethernet IP只能实现在mS级的任务周期，这对于印刷无轴传动、全电动注塑机等应用而言尚无法很好的满足，由于Prifinet IRT和Ethernet IP/CIP尚未正式发布，因此，目前市面上能够达到uS级任务的工业以太网主要是Ethernet POWERLINK、SERCOSIII和EtherCAT，通常以40个伺服轴和50个I/O站进行的数据刷新来看，基本上可以在600uS～800uS，EtherCAT虽然宣称更低的任务周期，但是，由于是理论计算值，实际值仍然是在600uS以上。

　　这一指标将会影响同步循环，会对生产系统的速度和精度造成影响，例如，对于高精度的液压同步而言，当需要在0.01mS以下精度的同步时，任务周期必须在400uS以下方能保证这一精度。

　　4.冗余与多组同步

　　是否能够实现冗余设计对于流程工业而言至关重要，并且多CPU通信的同步也是流程工业中DCS系统的重要考量，POWERLINK支持冗余设计，包括环形和半环形冗余设计，另外，也支持多CPU之间的高速同步。

　　四、实时以太网的未来发展

　　1标准以太网

　　尽管目前很多以太网技术在产生，然而，有些网络仍然采用ASIC这样的私有技术来实现，包括EtherCAT目前在从站仍然采用非标准的IEEE802.3，显然，标准以太网技术是未来的发展，因为，为了实现对原有总线技术的替代才产生工业以太网技术，然而，采用ASIC技术则使得技术走回了原有的私有技术的老路，因此，未来，工业实时以太网仍然会沿着标准网络的路前行，否则将会仍然面临被市场淘汰的危险。

　　2安全集成

　　未来的以太网技术必然将安全技术集成，并使其成为一个不可分割的整体。

　　3一网到底的设备互联

　　为了满足整个工厂的数据采集，并通过数据采集提供的数据对整个生产过程进行分析和优化，这样的话才能更好的提高企业的生产与运营效率。

　　Ethernet提供了这一可能，而像Ethernet IP、POWERLINK和Profinet RT则是基于标准以太网而设计的，并支持异步通信和TCP/IP通信任务，这使得一网到底的概念具有实现的可行，在实时数据和非实时的诊断、服务、管理数据之间也建立起一个互联的可能。