使用EtherNet / IP进行运动控制

标准以太网可以满足协调运动和工厂信息服务集成的最高性能要求。所有这些都在同一条线上。在云顶娱乐4008自动化领域,我们遇到了网络问题:我们的网络需要花费大量的时间和金钱来设计,安装和维护。并不是说任何一个网络过于复杂或耗时。但事实是; 我们有太多不同的网络。这加起来了。
采取任何给定的云顶娱乐4008机器 - 有一个网络向用户提供信息(通常是以太网),一个与I / O和变频器(通常是Profibus或ControlNet)通信的网络,一个与更简单的设备通信的网络,如传感器和控制装置(通常是ASi或DeviceNet),与伺服系统(通常是SERCOS)通信的网络,安全网络(通常是SafetyBus P)和专有网络,用于在必须分配运动时同步控制器。每个网络都需要不同的安装人员,培训,软件,工具等。单独的差异列表是巨大的。
所以,让我们用这种努力做些更好的事情。我们不是管理所有这些网络,而是减少这种努力,并将更多时间集中在理解和使用我们网络提供的信息上。
以太网融合
融合将成为未来十年云顶娱乐4008自动化成本节约的主要动力。云顶娱乐4008以太网的承诺是多个网络将汇聚成一个网络,可以安装一次,需要一套培训工具。但是自动化方面也有一些要求:简单地说,如果以太网没有向今天的运动解决方案迈出重要的一步,那么即使它基于以太网,也必须有其他东西。
将DCS,PLC,驱动控制器和运动控制器融合到可编程自动化控制器中是其中的一部分。I / O,传感器,执行器,运动和安全网络与以太网的融合将是另一个主要部分。将信息融合到从设备开始并通过控制系统传播到供应链的单个数据库中是另一个。CIP Motion™是一系列协调活动之一,旨在帮助实现这些优势并让他们自由地为问题构建创新解决方案,而不是担心云顶集团国际娱乐网址如何运作。
伺服或感应电机?
在我们当前的云顶娱乐4008环境中,转移理解和使用我们网络提供的信息的努力也很复杂。让我们看一个简单的任务:用旋转轴将零件从A点移动到B点。
该轴应连接到伺服电机还是感应电机?它们在机械上相似,可以决定性能和适合度。对于电气相似的伺服或变频驱动器也是如此。但是当我们通过网络返回控制器时,我们发现伺服控制和频率控制使用完全不同的语言和语法; 配置文件是不同的。关于哪个电机连接到轴的决定往往会影响软件应用工程师所需的技能组合!
但现在我们已经“融合” - 将所有这些服务迁移到单个网络,即以太网。这种单一网络不仅降低了安装和维护成本,而且大大提高了设施的灵活性和适应性。这些都是我们在制造领域所追求的目标。
决定论问题
今天的CIP Motion的EtherNet / IP实现基准测试100轴与所有轴的1 ms运动规划器更新协调。进一步的要求包括通过SERCOS协调连接到其控制器的轴与通过以太网连接到其控制器的轴的能力。最后,该解决方案必须允许低性能感应电动机与使用相同轮廓的高性能伺服电动机协调。所有这一切都必须在不改变以太网的四个较低层的情况下实现,使用标准的,未经修改的以太网和TCP / UDP / IP。
为了实现这一目标,已经开发了两种云顶集团国际娱乐网址:
  • CIP Sync™:IEEE1588精确时钟同步映射到CIP对象模型; 和
  • CIP Motion:一组应用配置文件,设计用于在驱动器内关闭位置,速度和扭矩环(例如V / Hz,矢量和伺服控制型驱动器)。
为了理解这两种云顶集团国际娱乐网址如何协同工作,我们必须首先记住在闭环计算中有两个主要的测量:位置(或速度或扭矩)的变化(delta)和时间的变化(delta)。测量不准确会导致计算不准确和控制不稳定。
传统的网络运动控制解决方案使用网络上的预定时隙来允许线路上的每个设备成为与其他设备通信的“时隙”或时间表。当每个驱动器或伺服控制器计算其调节控制的时间时,内部用于该控制功能的“delta-t”值由数据本身的传送时间确定。因此,不可预测的数据传递导致循环的“delta-t”项中的错误和差的运动性能。使用以太网进行运动控制的反对者正确地指出,未经修改的以太网不能允许在系统中提供足够的数据传输可预测性。因此,不能将数据的传递视为用于调节精确运动或驱动控制的基础组件。
要使用未经修改的以太网,必须从网络基础设施中取出此确定性问题,并将其置于正在通信的终端设备中。现在很容易看出设备的时钟同步增加了价值。当发送消息时,传输的时间被编码到信号中。由于终端设备中的时钟紧密同步,因此消息接收时间内的少量抖动并不重要,因为可以准确计算时间的变化。
这引出了一个问题'需要什么级别的时间同步?' 当然答案是“这取决于!” 对于伺服控制系统,需要100纳秒的时钟同步。对于性能较低的变频驱动器,可以接受几十微秒量级的同步电平。
片上IEEE 1588
IEEE1588的一个吸引人之处在于它被设计为可扩展的解决方案,可以跨多种不同的网络类型进行部署。该算法可以在以太网应用级软件的较低级别中进行软编码,也可以加速或硬编码以驱动中断例程。
随着CIP Sync将IEEE1588映射到云顶娱乐4008设备中,这使用户无需遵守单个时基。不同的设备可以使用最适合其应用的时基,而不受子网上最快或最慢设备的限制。
实验表明,IEEE1588的“软”版本可以提供大约5us的同步,这对于变频驱动器来说已经足够了。当然,IEEE1588的实现本身不能实现运动控制。需要CIP Sync才能了解设备中必须使用的时间。
现在,简单的计算表明,可实现100轴/ 1 ms目标,用于跨多个控制器和多个变频和伺服驱动器进行协调运动控制。
值得注意的是,云顶娱乐4008自动化和运动控制并不是唯一需要精确时钟同步的应用。如今,全球以太网市场增长最快的部分是语音服务和语音交换。NTP(网络时间协议)将不提供在高度分布式分组交换系统中重建数据所需的准确度,并且GPS通常实施成本太高。
同样,随着测试和测量领域从IEEE-488(或GPIB)过渡到以太网,以太网上的数据时间同步和标记至关重要。军事和发电应用也在进行中。英特尔等公司将IEEE1588加速器电路构建到其通信芯片中,以服务于这些市场。
超过10亿个以太网节点的安装基础确保以太网将继续发展。EtherNet / IP利用未经修改的以太网,因此能够利用标准未修改以太网的发展。上面讨论的发展是21世纪的发展。如果EtherNet / IP已经修改了标准以太网,那么这些开发将无法实现,并且未修改的以太网上的运动控制的承诺将无法实现。
这种对未经修改的以太网的承诺还提供了超过100MBps到1GBps以太网甚至10GBps以太网的清晰迁移路径,因此甚至更高的轴数应用,或者更重要的是,网络上更有价值的信息。
软件集成
现在可以实现网络融合的成本节约,并且本身就是选择CIP Motion的充分理由。但是,我们还发现需要使软件更易于使用,并使伺服和变频驱动器真正实现互操作。
此门的第一个关键是IEEE1588的可扩展特性,它允许性能较低的设备接受较低级别的同步精度,因此通信和处理器选择的可变性更大。
第二个关键是驱动器配置文件(描述通过网络查看设备的数据和行为的设备的表示),其同时完成足以允许关闭位置速度和扭矩环,同时足够灵活用于任何类型驱动器的配置和参数化。
第三个也是最关键的关键是一个软件工具,其中运动路径定义完全从轴的驱动器定义中抽象出来。正是这种抽象允许工程师编程和配置精确的位置和速度曲线,既不知道也不关心什么类型的驱动器和哪种类型的电机连接到旋转轴。
这允许运动控制规程和变频驱动控制规则收敛。可以说它甚至开始允许标准变频控制和伺服控制应用之间的重叠。重叠是好的,因为没有重叠,存在间隙,这导致不灵活。最终,CIP Motion的优势将终结于变频驱动器或伺服驱动器被误用的应用,因为软件工具不允许它们一起工作。
CIP Motion在云顶娱乐4008自动化的城市神话中打了一个洞。神话:标准以太网不能用于运动控制,因此需要开发基于以太网的东西; 将时间片算法添加到设备的固件或硬件,或简单地使用CAT5电缆和标准以太网网关构建专用网络。
这很重要,因为即使在今天,用户也开始遇到当前实施中的限制。他们希望在一个网络上使用超过32个轴进行协调运动控制。他们希望同步连接到不同SERCOS环或连接到不同控制器的轴。他们想要一个用于变频和伺服驱动器的通用编程和配置环境。他们希望与旋转机器集成的离散输入和输出。他们希望将摄像机安装在机器内部。许多供应商已经开发出解决所有这些问题的专有云顶集团国际娱乐网址,但使用CIP Motion的EtherNet / IP是第一个使用完全标准的以太网来解决所有这些问题的供应商。
为了实现这些用户利益,ODVA增强并继续增强CIP(通用云顶娱乐4008协议)和EtherNet / IP规范,以满足四个关键运动控制要求:
  • 控制器驱动接口;
  • 控制器到控制器通信;
  • 设备之间的精确时间同步(或CIP同步)
为了实现以太网的优势,还有来自“以运动为中心”的世界以外的需求:
  • 标准基础设施组件必须可用;
  • ISO-OSI 7层模型的以太网实现的第1层和第2层可能不会改变;
  • 应使用现有标准,而不是进一步发展的基础; 和
  • 该解决方案必须适用于标准的现成芯片。
应用程序开发人员社区也有要求:
  • 网络必须能够以1ms的更新速率支持100个轴;
  • 位置环必须在小于125微秒的时间基础上闭合;
  • 任何轴都可以是可变频率或具有完全网络配置的伺服驱动器;
  • 必须能够使离散信号与运动轴同步; 和
  • I / O,视频和语音流量必须在与运动流量相同的以太网上传输。
这些发展不会将运动控制的地位视为云顶娱乐4008自动化中的一门独特学科。相反,他们将设置自由工程师来开发更具创新性和高度集成的解决方案,从而提高控制系统和机器提供的用户利益水平。网络只是解决方案的一部分,而不是问题的一部分。

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