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葉 莘
男，工程碩士，（貝加萊北京辦事處經理，北京 100028）,畢業于德國埃爾蘭根－紐倫堡大學。
在現代機械制造中，多軸運動控制已經越來越普遍，用電子方式來實現機械運動軸之間協調同步，取代了傳統的機械凸輪和齒輪，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的運動過程，現在可以通過軟件編程輕松實現。而且，使用電子運動控制，精度更高，動態性能更好，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，數據傳輸方式也逐漸由模擬量發展成基于總線的數字信號傳輸。為了有效協調同步各個軸的運動過程，實現高精度的多軸運動控制，一個實時高效的數字通信網絡是必不可少的。
本文將討論高精度多軸運動控制對通信網絡提出了什么樣的要求。然后以全球首個真正實時的工業以太網ETHERNET Powerlink為例，介紹一個完全符合這些要求的運動控制網絡。
1 多軸運動控制的模式和發展趨勢
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，各種類型都有其優缺點，用戶要根據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，由控制系統進行計算和輸出，實現對這三個量的閉環控制，從而實現運動控制。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）。
（1）開環式的驅動器是一個單純的執行機構，它本身只是一個放大器，把控制信號放大輸出給相應功率的電機完成運動過程，所有的控制協調功能都由外部控制系統實現。
（2）驅動器自身集成了最多3層疊加的閉環控制。最底層是電流閉環，用來調制輸出扭矩，在此基礎上實現速度閉環，最上一層為位置閉環。這里的位置閉環只是相對于電機轉子的旋轉位置而言。如果要實現某種特定運動過程，比如在設定速度下精確定位，還需要外部的智能設備（運動控制系統）。
（3）集成運動控制系統的驅動器，系統本身除了有三層閉環控制的功能外，也集成了運動控制系統，具有很高的智能，客戶可以直接對其進行編程。機械行業應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，被優化成軟件工藝模塊集成到驅動器內。用戶不需要再對系統進行復雜的編程，直接給相應的工藝模塊賦予參數就可以實現這些復雜動作。有些驅動器內甚至還集成PLC功能。這類驅動器不需要外部的控制器就可以單獨完成復雜的運動控制。
1.2 集中式和分布式
從控制系統架構來看，多軸運動控制可分為集中式和分布式。如果用上述第一，第二種驅動器（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動器完成多軸運動控制，如圖2所示。
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域比較常見，通常由一個運算能力強大的中央控制系統來協調計算各個驅動系統單元，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
分布式多軸運動控制的優勢主要體現在模塊化的機械制造當中，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，實現柔性生產。
1.3 驅動器中集成安全功能
在涉及到人員和物品安全的領域，安全功能必須得到保證, 國際上已經出臺了相應的法律法規，在不同的機械制造行業中，越來越多的設備中必須配備專門處理安全任務的驅動器。國際上已經為此制定了設備安全方面的重要標準IEC 61508。可以預見，今后很多設備必須符合這個標準才能夠投放到市場當中去。
帶有集成安全功能的標準智能驅動器是目前的發展趨勢，帶有安全功能的驅動器可以在緊急情況下，自動將設備減速到一個非危險狀態，或安全地停止整個設備。甚至在其他控制系統出現故障的情況下，安全功能也必須得到保證。
2 多軸運動控制對通信網絡的要求
2.1 數據量、通信周期、時間同步性
多軸運動控制對通信網絡最核心的要求是實時性，除此之外，也需要考慮以下因素：
* 數據交換的頻繁度（通信周期）；
* 各個站點之間的通信關系 ；
* 數據包的大小；
* 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）的閉環控制也是由外部中央控制系統完成。交換的數據主要是傳感器反饋的實際值和主控單元發出的設定值，這些數據被放在在很小的數據包里，很頻繁地穿梭在主控單元和各驅動器之間，系統偶爾可能要讀取一下如驅動器溫度等診斷參數。這樣，通信周期越短越好，通常在50us或更小。通信關系是主控單元對各個驅動器單元間的雙向通信，驅動器單元之間無需數據交換， 如圖4所示。
圖 4 集中式運動控制中的典型數據交換
在分布式控制模式中，位置、速度、電流閉環在各驅動器單元內部完成，為了協調各軸的動作，需要交換的數據包就相對要大一些，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在驅動器單元內部完成，它們之間的數據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。
圖 5 分布式運動控制中的典型數據交換
不管使用哪一種模式，通信網絡系統都必須具有很高的時間同步精度。主控系統和驅動器單元必須通過這個網絡實現高精度同步。所以，網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，上位系統必需可以對驅動器中任何變量和參數進行訪問，需要時還要進行修改。所以，通信系統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已經存在主控單元中，各驅動器單元的診斷數據主要是一些少量的狀態信息，顯示系統是否正常運行。所以，通信網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，相應數據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據，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瀏覽器對系統進行遠程訪問。所以，在一個分布式的控制模式中通信網絡必須給診斷數據，參數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，如參數下載，狀態參數讀取等，沒有同步精度要求。
2.3 通信協議的高層抽象化
為了讓客戶能夠更加方便地對網絡中的控制單元（包括除驅動器以外等其它設備）進行編程、組態和維護，需要對通信網絡的低層協議進行抽象化。網絡中的設備具有的功能和參數都由一個標準協議來進行描述。用戶可以通過標準編程接口（APIs）訪問網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。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，自動集成到整體系統中來。
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絡。如果把安全設備和其它設備整合到現有系統架構中來，和主控系統共用一個通信網絡，可以大大減少對設備組態、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故障，系統必須能及時發現。
在涉及安全的部分中，系統必需自動周期性檢核控制系統和通信是否無故障運行。系統要識別任何通信中斷，數據包丟失或錯誤，需要的話將整個設備停到一個安全的狀態下。控制系統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的規定，使用標準工業網絡協議的通訊技術不足以獲得所需的可靠性和安全等級。使用標準工業網絡傳輸的信息有可能丟失、沖突或者亂序。為了保證數據的完整性，達到安全性的要求，安全網絡在應用層定義了附加的數據檢核，包括監控Watchdog定時器、檢測報文編號、確認順序和標記及額外的數據一致性檢核。
為了把這些安全功能集成到現有的現場總線和通信網絡中來，近幾年已經有一些帶有保護和監測機制的，符合安全標準的專用通信協議被開發出來。
2.5 安全的訪問機制
對于設備的遠程維護監控來說，簡單透明的訪問機制是非常有利的。用戶可以直接用Modem或者寬帶通過互聯網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可以直接使用互聯網的通信協議，在智能驅動系統中集成的Web服務器就可以直接通過互聯網被訪問，提供相應的系統狀態和參數。
但是這種通信的透明度在實際情況下會帶來很多問題，網絡中的不安全因素（病毒、木馬、蠕蟲等）會給現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。外部網絡中無論是人為或非人為因素造成的故障不應該影響現場設備的正常運行。對于多軸運動控制通信系統來說，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 統一的網絡架構
為了節省開發維護的成本，在整體控制架構中使用的網絡類型越少越好。最佳情況下，一個通信網絡，可以滿足運動控制系統對高速實時通信的要求，也可以用來作為其它非同步數據的通信介質（IO，人機界面，數據監控采集等）。以太網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對通信網絡的要求，下面將以ETHERNET Powerlink 為例，介紹一個已經得到驗證的，成熟的解決方案。
ETHERNET Powerlink （以下簡稱EPL）是由奧地利貝加萊（B&R）工業自動化公司于2001年推出的全球首個實時工業以太網標準。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，目前已經有全球超過200知名工控企業加入這個組織，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IEEE802.3的基礎之上，協議運行在一個獨立的網絡域中，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絡（如辦公室網絡）所影響。 單個實時域內最多可同時接入240個站點。
3.1 同步段實時數據交換
EPL是一個嚴格周期性的通信協議，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，管理站會發出一個非常精確的同步信號SoC (Start of Communication）。
之后EPL協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，協議還預留了一個時間段作為非同步信息（參數診斷，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 同步段實時數據交換
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，可以實現多個站點中的橫向數據交換，如驅動單元間的直接數據交換。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芯片就可以方便地實現EPL協議，成本非常低廉。使用市場上完全以軟件方式實現的EPL系統，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個字節的有效數據長度。
通信周期的最短時間，時間槽的數量，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種控制模式對網絡通信的要求。EPL的具體參數如下：
* 公開的協議，知識產權完全開放
* 符合IEEE 802.3, IP-協議, CANopen 和其它多種國際標準
* 以標準以太網為基礎的高實時性數據交換
* 可實現100μs 通信周期 和 <1?s 的網絡抖動（Jitter）
* 可實現任意靈活的網絡拓撲結構
* 用TCP/UDP/IP 協議實現透明通信
* 現場已經有超過15萬個節點的應用
* 可用標準以太網硬件模塊實現; 無需設計專用芯片
* 標準化組織已經有超過200家知名企業作為會員
3.2 非同步數據可使用TCP/UDP/IP
在非同步段，數據可以依舊使用標準IP－報文格式傳輸，標準應用也可以在EPL協議堆棧上輕松實現，如Web服務器，e-mail服務等。如果給一個EPL站點賦予IP地址，就可以通過互聯網協議在世界任何一端直接訪問此站點，如圖7所示。
在EPL站點傳輸非同步數據之前，先報告給管理站，管理站通過一個優先分配清單來統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協議
在協議的應用層，EPL直接使用靈活的CANOpen作為通信和設備描述的協議。由于EPL使用的是快速以太網作為其通信介質，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規約移植到EPL中來。每一種符合EPL標準的設備都由一個統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”進行基本網絡訪問，設備的“應用對象”可以是輸入輸出信號、設備參數、設備功能和網絡變量等。
圖7 無論哪個網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據通過過程數據對象PDO(Process Data Object)進行數據交換。網絡中每個站點都可以讀取PDO，并對它進行處理。PDO的數據內容在網絡系統的初始階段就被設置好。所以數據傳輸本身可以實現時間優化，而且不帶附加數據（幀頭尾等）。
EPL 可以在一幀同步報文中最多傳輸1490個字節，而CAN總線最多只有8個字節。參數下載，診斷數據等非時間關鍵數據可以放在服務數據對象（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。數據量的大小沒有限制。通過使用UDP/IP 報文格式也可以直接從互聯網上訪問SDO，如圖9所示。
圖 10 EPLsafety 報文自動動態地適應有效數據的長短
通過協議應用層上和CANopen兼容，EPL滿足了網絡高層抽象化的要求。而且在CAN總線和EPL共存的網絡中，用戶可以使用統一的應用層協議和編程接口。
3.4 安全工業以太網
EPLsaftety 是EPL最新的協議擴展。EPLsafety是一個已經得到在EPL網絡上運行安全性認證的協議。它達到了IEC 61508 中的SIL 3等級，在減少數據量的情況下甚至可以達到SIL 4 等級。
有關安全功能的數據被包在EPLsafety協議中傳輸。EPLsafety報文的長短始終保持和應用中所需的安全功能有效數據量相符，如圖10所示。協議的檢核功能動態地適應傳輸的數據量。IEC61508 安全標準在任何情況下都可以得到滿足，而所需的安全系統傳輸帶寬卻可以保持在最小。
EPLsafety 充分利用了以太網報文結構中的提供的最多1500字節的協議框架。多個安全功能的信息可以同時被放在一個EPLsafety Container （數據塊）中，由一個以太網報文傳輸。和EPL一樣，EPLsafety也支持網絡站點間的點對點通信，無需通過主控制單元。
4 結語
通過ETHERNET Powerlink， 我們可以看到以太網在工業應用上的廣闊前景。EPL本身具有的實時性，安全性和兼容性使得它在除機械制造外很多的領域都得到了很多關注。作為全球第一個實時工業以太網，已經在機械自動化中得到大量的應用。在過程自動化，如電力，運輸，鐵路等領域，ETHERNET Powerlink也越來越多地被應用到現場中去，真正成為一個通用的工業以太網。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號