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    葉 莘
男，工程碩士，（貝加萊北京辦事處經(jīng)理，北京 100028）,畢業(yè)于德國埃爾蘭根－紐倫堡大學。

    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)調同步，取代了傳統(tǒng)的機械凸輪和齒輪，給機械設計制造帶來了巨大的靈活性。以往只有通過復雜的機械設計和加工才能實現(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，模塊化的機械結構。

    在幾乎所有的機械制造領域中，特別如紡織機械，印刷機械，包裝機械，塑料機械，食品機械等，多軸運動控制的應用已經(jīng)非常廣泛，成為高性能，高品質機械制造的重要標志。

    運動控制的核心是驅動系統(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。

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：驅動單元和總體架構。從單個驅動單元來看，可以從智能集成度劃分等級，從總體控制架構來看，有分布式和集中式2種模式。

    不同的解決方案對通信網(wǎng)絡的要求也不一樣，下面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。

    1.1  驅動單元：非智能型和全智能型

    對于單軸的驅動器來說，可以對它內部的智能集成度來進行劃分。驅動系統(tǒng)的核心作用是按照控制要求驅動電機。可控的物理量有三個：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。眾多廠商提供的驅動器按智能集成度大體可以分成三種類型（如圖1所示）。

    集中式多軸運動控制在機器人領域比較常見，通常由一個運算能力強大的中央控制系統(tǒng)來協(xié)調計算各個驅動系統(tǒng)單元，完成復雜的三維動作。
使用上述第三種驅動器（高智能集成型），相應的多軸控制任務可以直接分布到各個驅動單元中去，實現(xiàn)完全分布式的多軸運動控制，如圖3所示。

圖 3  分布式多軸運動控制

    在分布式控制模式中，位置、速度、電流閉環(huán)在各驅動器單元內部完成，為了協(xié)調各軸的動作，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已經(jīng)在驅動器單元內部完成，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。各站點之間通信關系可以是任意的，主控系統(tǒng)和驅動器單元以及驅動器單元間應該可以任意點對點通信，如圖5所示。

    不管使用哪一種模式，通信網(wǎng)絡系統(tǒng)都必須具有很高的時間同步精度。主控系統(tǒng)和驅動器單元必須通過這個網(wǎng)絡實現(xiàn)高精度同步。所以，網(wǎng)絡本身的實時性對控制質量有著直接的影響。

    2.2  維護和診斷

    在對設備的檢測維護過程中，上位系統(tǒng)必需可以對驅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參數(shù)已經(jīng)存在主控單元中，各驅動器單元的診斷數(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)絡在集中控制模式中不需要為診斷信息預留很多帶寬。

    分布式控制模式正好相反，由于控制智能被分散到各個驅動器單元，相應數(shù)據(jù)也是存儲在各個驅動器中，驅動單元各自獨立完成復雜的運動過程，自行對運動過程做出響應，各驅動器中存儲了大量信息，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數(shù)據(jù)，很多高智能驅動器內部甚至可以集成Web服務器，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)絡必須給診斷數(shù)據(jù)，參數(shù)下載等非同步信息預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。

    2.3  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)絡中的控制單元（包括除驅動器以外等其它設備）進行編程、組態(tài)和維護，需要對通信網(wǎng)絡的低層協(xié)議進行抽象化。網(wǎng)絡中的設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)絡中不同廠家的設備，而不需要考慮設備在通信上，功能上的具體細節(jié)。新接入的設備可以通過清楚定義的通信接口被自動識別，被設置參數(shù)，自動集成到整體系統(tǒng)中來。

    2.4  集成安全通信

    在一個整體控制架構中，涉及到安全功能的控制設備（安全PLC，安全驅動設備等）目前通常是單獨布線，自成獨立的安全通信網(wǎng)絡。如果把安全設備和其它設備整合到現(xiàn)有系統(tǒng)架構中來，和主控系統(tǒng)共用一個通信網(wǎng)絡，可以大大減少對設備組態(tài)、布線和維護的成本，同時提高設備的柔性和靈活性。當然，安全性能在這種架構中必須也能得到充分的保證，如果安全設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備對人員或物資產生危險的可能性。

    按照IEC 61508和相關標準IEC 62061，ISO 13849的規(guī)定，使用標準工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議的通訊技術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)絡在應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、確認順序和標記及額外的數(shù)據(jù)一致性檢核。

    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。

    2.5  安全的訪問機制

    對于設備的遠程維護監(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)直接對設備上任何一個控制單元進行訪問維護。理想情況下設備中的通信系統(tǒng)可以直接使用互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，在智能驅動系統(tǒng)中集成的Web服務器就可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)被訪問，提供相應的系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)。

    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)絡中的不安全因素（病毒、木馬、蠕蟲等）會給現(xiàn)場運行的設備帶來危險。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)絡中無論是人為或非人為因素造成的故障不應該影響現(xiàn)場設備的正常運行。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量，甚至也會造成設備損壞和對人員的傷害。

    2.6  統(tǒng)一的網(wǎng)絡架構

    為了節(jié)省開發(fā)維護的成本，在整體控制架構中使用的網(wǎng)絡類型越少越好。最佳情況下，一個通信網(wǎng)絡，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（IO，人機界面，數(shù)據(jù)監(jiān)控采集等）。以太網(wǎng)作為一個成熟的通信介質，可以滿足用戶的多種需求。

3 ETHERNET Powerlink 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，Hirshmann，P＋F，Wago 等。

    EPL建立在標準快速以太網(wǎng)IEEE802.3的基礎之上，協(xié)議運行在一個獨立的網(wǎng)絡域中，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（如多軸運動控制）不會被與之連接的非實時通信網(wǎng)絡（如辦公室網(wǎng)絡）所影響。 單個實時域內最多可同時接入240個站點。

    3.1  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 Communication）。

    之后EPL協(xié)議為所有站點預留了一個時間槽，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。

    同步段結束后，協(xié)議還預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，如圖6所示。

圖 6  同步段實時數(shù)據(jù)交換

    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，如驅動單元間的直接數(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置。通過對這類參數(shù)的設定，EPL可以適合不同場所不同類型的應用要求，特別在多軸運動控制領域，可以滿足集中和分布2種控制模式對網(wǎng)絡通信的要求。EPL的具體參數(shù)如下：

    * 公開的協(xié)議，知識產權完全開放

    * 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)為基礎的高實時性數(shù)據(jù)交換

    * 可實現(xiàn)100μs 通信周期 和 <1?s 的網(wǎng)絡抖動（Jitter） 

    * 可實現(xiàn)任意靈活的網(wǎng)絡拓撲結構

    * 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)點的應用 

    * 可用標準以太網(wǎng)硬件模塊實現(xiàn); 無需設計專用芯片

    * 標準化組織已經(jīng)有超過200家知名企業(yè)作為會員

    3.2  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，標準應用也可以在EPL協(xié)議堆棧上輕松實現(xiàn)，如Web服務器，e-mail服務等。如果給一個EPL站點賦予IP地址，就可以通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在世界任何一端直接訪問此站點，如圖7所示。

    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)一調配分給各站的非同步時間段。

    3.3  應用層（第7層）使用CANopne協(xié)議

    在協(xié)議的應用層，EPL直接使用靈活的CANOpen作為通信和設備描述的協(xié)議。由于EPL使用的是快速以太網(wǎng)作為其通信介質，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標準的設備都由一個統(tǒng)一的設備模型來描述，如圖8所示。設備模型的核心部分是通過對象字典（Object Dictionary）對設備功能進行描述。對象字典分為兩部分，第一部分包括基本的設備信息，如設備ID、制造商、通信參數(shù)等。第二部分描述了特殊的設備功能。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備的“應用對象”進行基本網(wǎng)絡訪問，設備的“應用對象”可以是輸入輸出信號、設備參數(shù)、設備功能和網(wǎng)絡變量等。

 圖7  無論哪個網(wǎng)絡層面都可以直接訪問EPL站點

圖 9  EPL可以用UDP傳輸CANopen SDO

    需要高同步精度的時間關鍵數(shù)據(jù)通過過程數(shù)據(jù)對象PDO(Process Data Object)進行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡中每個站點都可以讀取PDO，并對它進行處理。PDO的數(shù)據(jù)內容在網(wǎng)絡系統(tǒng)的初始階段就被設置好。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)等非時間關鍵數(shù)據(jù)可以放在服務數(shù)據(jù)對象（SDO）中傳輸。在非同步段的SDO的傳輸遵循 客戶端/服務器 模式。網(wǎng)絡中任何一個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，如圖9所示。

圖 10  EPLsafety 報文自動動態(tài)地適應有效數(shù)據(jù)的長短