了解运动控制网络

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所属分类:工业4.0

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每个驱动器都直接连接到控制器,在严格的点对点基础上进行了时间自动化。长时间的布线花费钱,花费时间安装,噪音增加,频繁失败 - 或者更糟的是,产生了令人沮丧的间歇性故障。输入工业现场总线,允许设备通过网络进行数字通信。改变简化了机器集成,使用和维护。机器内部不需要爬行来诊断驱动器错误,OEM和维护人员可以简单地插入网络上的任何端口以访问所有内容。已经建立了许多协议,为运动控制应用提供了各种属性。我们来考虑一下。
术语现场总线是电气总线上现场设备输出的连接。早期设备将机器可编程逻辑控制器(PLC)与各种组件相连接。早期版本是巨大的进步,但是在带宽,网络大小,节点数量以及可以交换的数据量方面仍然受到限制。然后出现以太网,这为工业网络带来了好处和挑战。
在正面方面,工业以太网比早期现场总线快了数量级。速度从每秒几千比特到每秒数百兆比特甚至千兆比特。可以传输的数据量从几个字节增加到足以支持大数据分析的水平。它还展示了在标准以太网物理介质,交换机等方面的改进和降价方面捎带的承诺。
问题是标准以太网对运动控制不够确定。为了理解为什么,我们应该从开放系统互连(OSI)结构开始。
层:7 - 应用; 6 - 演示; 5 - 会议; 4 - 运输; 3 - 网络; 2 - 数据链接; 1 - 物理学通过层次建模通信
OSI模型将网络通信作为分层架构呈现如下:
层1:物理层,例如RS 232RS 485,IEEE 802.3(以太网),CAN总线,IEEE 802.11(无线以太网)等。
层2:数据链路层,其控制节点到节点的通信
层3:网络层,使得消息能够跨越网络(例如,IP)从节点到节点传播
第4层:传输层,其将数据打包发送到下一层(例如,传输控制协议(TCP)用户数据报协议(UDP)等)
第5层:管理通信会话以交换数据的会话层
第6层:表示层,涉及网络和应用之间的数据转换
第7层:应用层,其中许多工业以太网协议存在

您可以将模型作为一套俄罗斯的嵌套娃娃来看待。来自设备的数据从应用层开始,附加的路由信息​​,例如在每个层添加头标,直到到达物理层时,传输不仅传输数据,还包含关于它来自哪里的完整信息去,以及如何在途中交出。该信息使其能够被发送到适当的目的地并逐层解包,直到接收设备能够收集信息。以这种方式,例如,PC可以将作业发送到打印机。
理论上,PLC应该能够使用相同的技术来从编码器收集数据或将命令发送到驱动器。不幸的是,这不是那么容易。
为OSI模型的第1层和第2层定义了以太网协议(IEEE 802.3)。虽然许多人将以太网与TCP / IP通信相关联,但它们实际上不是以太网标准的一部分。它们是第3层和第4层协议,如上所述; 此外,它们不是唯一的解决方案来执行这些任务,只是最广为人知的。
以太网上的TCP / IP在互联网上运行良好,但对于高度同步的运动而言存在问题。对于初学者来说,TCP / IP是以尽力而为的方式提供的。网络上的每个节点都有权随时发送。为了防止数据包干扰,该标准包括具有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA / CD)。如果两个节点同时尝试发送一个数据包,则会检测到它们中的一个被延迟,直到总线清除为止。这可能会为传输增加几百毫秒的延迟。这对于在YouTube上下载猫视频并不是问题,但是对于每分钟300瓶的封盖机,高度同步的动作可能会造成灾难。

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控制器局域网


消息传递时间的变化被称为抖动。对于硬实时应用,抖动应低于1μs。为了达到这一水平的决定论,业界已经开发了许多不同的以太网方法。
CAN
控制器局域网(CAN)是具有多点功能的多主串行总线系统。首先由博世开发,将汽车应用中的控制器连接起来,将CAN现场总线发布到自动化(CiA)中的CAN,并按照ISO 11898标准化。CAN现场总线(现称为Classical CAN)提供高达500 kbps的数据速率,长达40米(实际实施时间会更短)。将数据速率切换到125 kbps将长度缩短到500米。数据字段限制为8个字节。该标准主要涵盖OSI模型中的层1和层2(物理层和数据链路层)。
CAN是一种事件驱动与时钟驱动协议,因此没有指定的周期时间。位时间抖动为±1 CAN时间量程(网络时间间隔)。消息级抖动是消息的最大长度减去一位。网络的节点数量因设备和网络拓扑而异。实际上,线性拓扑可以容易地支持64个节点,但仔细设计,可以更高。
最近,CiA升级了原始标准版本,以创建CAN灵活数据速率标准(CAN FD)协议。数据链路层现在支持比1Mbps快的数据速率和64字节的数据字段。当只有一个节点正在传输时,节点之间不需要同步,这样可以实现临时的速度提升。折衷的是在发送确认(ACK)槽位之前需要重新同步节点。
CANopen
为了增加更高级别的连接性,CiA开发了CANopen。CANopen协议占用OSI模型的第7层,利用CAN数据链路规范进行数据传输。它是一种混合的主 - 从和对等架构,其中网络上的任何节点都可以与其他节点进行通信并控制其他节点,同时它们作为不同主节点的从属设备。可以为网络中的每个节点分配优先级,以便在发生数据冲突的情况下,以最重要的节点为准。
CANopen基于面向对象的具有标准化通信对象(COB)的数据模型。每个CANopen设备都包含三个要素:协议栈来处理网络上的CAN通信,用于内部控制的应用软件和处理硬件的接口以及CANopen对象字典。对象字典定义其使用的数据类型,并包含有关设备的所有相关数据,包括面向应用的参数和通信参数。
对象字典不仅仅包含静态值。例如,条目可以写入设备的对象字典,以使其开启。相反,可以使用最新的操作参数更新对象字典。
要访问对象库,CANopen使用其软件堆栈中的一对协议:服务数据对象(SDO)和进程数据对象(PDO)。SDO使其他节点能够一次将数据读取或写入单个节点。虽然它可以用于动态数据,但最适合配置。要读/写高优先级控制和状态数据,PDO提供了更好的解决方案。协议栈中的其他组件包括网络管理工具,错误控制功能,以及同步和时间戳等特殊功能。
CANopen的数据速率高达1 Mbps,标称总线长度可达25米。将速度降至10 kbps,长度可达5000米。CANopen最多支持127个节点; 如果每个节点成为主节点,则可能的总节点数为10,000。
CC-Link
CC-Link是三菱电机 1997年开发的现场总线,并于2000年发布给CC-Link合作伙伴协会(CLPA)。它基于RS 485物理层的修改版本,最多可连接64个节点它提供10 Mbps的最高速度,并支持低至10 ms的周期时间。
CC-Link IE
2007年,CLPA发布了一种称为CC-Link IE的确定性工业以太网协议,具有称为CC-Link IE Field Motion的同步运动变体。基于全双工铜或光纤总线,CC-Link IE Field Motion通过主从架构提供同步通信。CC-Link IE Field是第7层协议。虽然它在第1层和第2层使用千兆位以太网,但它并不使用TCP / IP或UDP / IP作为第3层和第4层任务。为了防止数据冲突,它使用令牌传递,其中主机以用户定义的顺序串行地向每个节点发送“令牌”。任何时候只有拥有令牌的节点才能将数据放入网络。
CC-Link IE Field Motion支持通过专用带宽进行循环通信的硬实时运动。它分别为按需数据的非循环传输(“瞬时”消息传递)分配带宽。
物理层建议,该协议以1 Gbps的最大数据速率运行。每个网络可以连接多达254个节点,电缆长度可达铜线上100米,光纤上550米。它与星级,线路,混合星形和线路以及环网络兼容。
共同工业协议(CIP)
最初由Allen-Bradley开发,现在是罗克韦尔自动化,通用工业协议(CIP)是一个与媒体无关的工业自动化标准系列。它定义了自动化的综合通信服务,包括控制,运动,安全,同步等。它构成了一个应用层,可以在各种不同的物理和传输层上实现,如DeviceNet,以太网工业协议(EtherNet / IP)等。
CIP基于生产者 - 消费者模式,而不是源 - 目的地方法。生产者是生产数据的现场设备,而消费者是使用该数据的设备; 一些设备可以同时使用。主要优点是,如果多个消费者需要相同的数据,则生产者只需要传输一次,无论网络上有多少消费者。这提高了带宽效率,并且能够使用各种层次结构,例如主从,从主多主机,目标到始发者和点对点。
CIP是一种面向对象的协议,其中每个设备与对象的集合相关联,详细描述其特征,性能以及如何在整个网络之间进行通信。该协议包含三种类型的对象:所需对象,应用程序对象和供应商特定的对象。所需的对象包括身份对象(每个设备的电子铭牌的类型),消息路由器对象(指导对象通信)和网络对象(描述连接对象所需的网络细节)在网络中)。
应用程序对象描述了设备封装数据的方式。电机的应用对象可能包括尺寸,额定电流和速度。设备可能需要组合多个对象来创建对象配置文件。为了简化实现,CIP协议包括预定义应用对象和配置文件库。对象可以分组成组件,使得可以为不同的行为建立规则; 例如,可能会创建一个程序集,以100 ms的间隔监视驱动器的当前仪表的输出,而另一个组件可能被建立为仅在超过某个触发点时捕获值。用户只需选择最适合其需求的装配体。
供应商特定的对象使制造商能够定制超出库中可用的对象。
CIP包括两个关键扩展,使其适用于运动控制:CIP Sync和CIP Motion。基于IEEE 1588精确时间协议标准,CIP Sync是与CIP对象模型一起工作的分布式时钟。CIP Motion具有包含驱动控制功能的运动配置文件。示例包括驱动器配置,状态和诊断属性和服务; 单播控制到驱动器通信; 组播对等通信,以使从属于多个分布式控制器的驱动器中的位置和速度同步等。
DeviceNet
在20世纪90年代由Allen Bradley开发,DeviceNet是一款专为连接工业控制器和I / O设备而设计的数字现场总线。该协议可以支持常规集中控制或通过对等连接进行分布式控制的主从架构。最多可连接64个节点,最高速度为500 kbps。虽然它不是为运动而设计的,但它可以成为简单运动系统中连接编码器等任务的经济解决方案。
DeviceNet在CAN规范的第1层和第2层之上实现CIP。CIP处理层5到7,而DeviceNet负责网络和传输层任务。物理层在同一总线上提供通信和高达24 VDC,8 A的电源。

用于控制自动化技术的 EtherCAT以太网(EtherCAT)是专为高速,高度同步操作而设计的实时工业以太网协议。最初由Beckhoff Automation于2002年开发,于2003年转交给EtherCAT技术集团。它是IEC 61158涵盖的开放标准。它提供100μs或更高的周期,抖动小于或等于1μs。
EtherCAT是第1层和第2层协议。在层2中,它仅使用MAC层来识别节点位置并传送给它们。专为实时应用而设计,可以精确调度节点到节点的通信。同时,它可以携带标准的以太网流量,例如与监控和数据采集(SCADA)系统或制造执行系统(MES)进行通信。为了完成标准的以太网通信,协议将以太网帧嵌入到EtherCAT帧内,并在接收设备上解包。被称为Switchport的专用硬件设备将数据嵌入EtherCAT段。
EtherCAT基于主从架构。主机按顺序发送到每个从节点的电报。每个从设备都具有一个能够以硬件处理帧的专用控制器。当电报到达时,从设备读取适用的数据,实时插入自己的数据,并将其传递给下一个节点。在总线结束时,信号返回,由全双工总线提供。
使每个数据包在返回之前通过每个节点确实在每个节点引入了少量的延迟,并且必须在调度中进行补偿。时间基于分布式时钟。第一个从节点用作主时钟,将其分配到网络中的其他节点。该协议校正传播延迟以维持抖动规范。
该协议支持100 Mbps的标称数据速率,90%的利用率。每个主人可以支持65,535个奴隶。每个从站还可以控制轴并处理I / O,从而实现更大的网络实现。
EtherCAT需要在从设备中使用专门的处理器。该协议可与CANopen和SERCOS III互操作,使EtherCAT网络可以与CANopen和启用SERCOS-III的设备进行接口和通信。
EtherNet / IP
EtherNet / IP是工业网络协议,可将CIP适配到标准以太网。EtherNet / IP在会话,演示和应用层(层5到7)中使用CIP,同时利用第1层和第2层的以太网。它还利用了第3层和第4层的TCP / IP和UDP / IP。这使得它不仅使用标准的以太网设备,而且携带互联网流量和机器数据。为了实现硬实时运动所需的确定性,EtherNet / IP使用CIP Motion。
EtherNet / IP将通信分为明确的消息传递和隐式消息。显式消息涉及对非实时通信的请求/回复,并通过TCP / IP进行。这种类型的通信的示例包括配置参数和缓慢变化的数据的采集。隐式消息传递涉及从远程I / O设备传输的控制数据的实时I / O。这种类型的通信通过UDP / IP传输。
通过利用CIP Motion和CIP Sync,EtherNet / IP可以实现多达100个轴的毫秒更新速率,并且抖动小于100 ns。
以太网POWERLINK
以太网POWERLINK是一种基于软件的工业以太网协议。由 B&R工业自动化公司于2001年开发,2003年发布到以太网POWERLINK标准化组(EPSG),以太网POWERLINK是一款第7层协议,可提供适用于运动控制应用的硬实时性能。它基于以太网和CANopen协议构建,同时对于高度同步的运动同时具有足够的确定性,并在标准TCP / IP帧中发送非实时数据,如用户信息。
在功能上,以太网POWERLINK提供了一种混合主从式和对等架构。网络具有控制时钟/通信调度的管理节点和被称为受控笔记的多个从节点。管理节点发出时钟信号以同步通信。接下来,在设定的时间表上,它向所有节点发送可以包括命令和请求信息的轮询消息。作为响应,每个节点发出一个自己的帧。该传输不仅返回到管理节点,而且返回到网络中的所有其他节点。
以太网POWERLINK的一个重要属性是每个节点本身可以​​作为一个管理节点。这使得它能够向其他从节点发送命令/请求,以创建嵌套网络的架构。
每个帧由用于实时消息的同步部分和传输标准TCP / IP以太网的异步部分组成。因此,系统可以同步地在多个帧中发送等时段中的路径命令和非时间敏感数据,如异步区中的摄像机图像。
以太网POWERLINK以100 Mbps的标准以太网速度运行,最短循环时间为200μs,抖动约为20 ns。每个管理节点最多可以控制259个节点。因为每个受控节点都可以作为管理节点,所以以太网POWERLINK网络可以支持的实际设备数量要高得多。它是一种开源标准,尽管受控节点设备确实需要可以在FPGA上或通过专用芯片的软件中实现的硬件。
PROFIBUS PROFIBUS
由德国公司和大学的合作于1987年推出,PROFIBUS使用主从架构以12 Mbps的速度发送数据。它是基于RS-485物理层。该协议分为两类:用于分散外设的PROFIBUS DP和PROFIBUS PA,用于过程自动化。我们将此讨论限制在用于运动控制的PROFIBUS DP。有趣的是,PROFIBUS DP也可用于过程控制。这在制造中特别有用,其中离散和基于过程的自动化经常并行发生。
PROFIBUS涵盖了第1层和第2层。在操作中,PROFIBUS主站轮询从站节点,发送数据并从一个节点请求数据。总线的周期时间由该过程的持续时间定义。由于这些消息是总线上唯一的信号,主节点调度通信,因此这是一个完全确定性的解决方案。
支持的节点数量受RS-485芯片上的驱动程序的约束:每个段32个节点,每个网络128个节点。为了实际的目的,大多数网络都支持几段,并将多个网络耦合在一起,以获得更高的节点数。
PROFINET
PROFINET是基于生产者 - 消费者架构的交换分组网络协议。生产者节点轮询消费者节点,但与PROFIBUS不同,不限于以恒定的间隔进行。重要的是要注意,PROFINET不使用PROFIBUS现场总线或协议。PROFINET基于以太网层1和第2层解决方案,并占用第7层。它存在多个变体; PROFINET IRT是运动控制社区最感兴趣的。
为了避免网络和传输层引入的延迟,PROFINET有自己的Ethertype。当设备检测到帧中的PROFINET Ethertype时,它会绕过网络层和传输层,将数据直接发送到应用层。这样就避免了TCP / IP协议引入的延迟和抖动。没有该类型的流量经过标准流程。这使得网络能够支持硬实时运动控制通信和较少时间关键的数据,例如配置数据或诊断。抖动小于1μs。
为了实现同步运动,PROFINET IRT使用IEEE 1588-2008。与定义嵌套控制系统分布式时钟的IEEE 1588不同,IEEE 1588-2008描述了主时钟和驱动器之间的单一控制环路。这个透明时钟减少了可以用更复杂的架构引入的延迟。该协议还使用调度来均衡来自各个节点的分组的到达时间。主机首先将数据包发送到最远的节点,以减少抖动。
因为它们不需要TCP / IP传输所需的头信息,所以PROFINET实时帧往往很小。与更大的“尽力而归”的TCP / IP帧相比,该协议利用带宽预留来保证实时帧的可用性。这使得能够确定性地与运动轴进行通信,同时保持开放状态,直到从HMI发送的包括打印作业在内的所有经典以太网流量都被打开。
SERCOS
由上世纪八十年代由德国机床联盟开发的串行实时通信系统(SERCOS)是用于硬实时运动应用的光纤自动化总线。1995年,它被标准化为IEC 61491.基于环形拓扑,SERCOS的运行速度高达16 Mbps。该网络每个环路最多支持254个设备,周期时间低至62.5μs,抖动小于1μs。
SERCOS使用主从架构。主机向所有节点发送主同步电报。接下来,在用户定义的序列中,每个节点依次传送其数据。当这完成时,主机发出主数据电报,其中包含分配位置中每个节点的数据。
为了确保互操作性,该标准规定了500多个数据块和运动控制功能。网络可以长达50米,塑料光纤和250米玻璃纤维。
SERCOS III
SERCOS III是一种基于光纤的工业以太网协议,能够连接多达511个器件,抖动为±10 ns。此外,用户可以在给定的安装中具有多个网络。SERCOS III可以在从站到从站和控制器到控制器(机器到机器)两种模式下工作。它支持各种拓扑,包括线路或环路。该协议在第1层和第2层使用快速以太网,为用户选择双绞线或总线的光纤。
SERCOS网络中的主站发送同步报文,启动实时通信周期,范围从31.5μs到65 ms。周期越长,可以查询的节点数越多。一旦传输完成,主机将释放剩余的周期时间,以使总线用作统一通信通道。在此期间,TCP / IP甚至EtherNet / IP等其他类型的数据可以使用总线。当循环完成时,主站恢复控制。
今天的工业网络解决方案为OEM和终端用户提供了多种选择。首先确定网络的大小以及通信类型和频率的要求。对上述现场总线的仔细调查将揭示最佳解决方案。

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