基于工业以太网的运动控制系统

1  引言
               
　　当前网络技术的迅速发展，给制造业带来了新的变化和重大影响。网络向控制领域的渗透引起了控制结构的改革，提高了控制效果，相应的也进一步促进了网络技术的发展。网络控制系统（networked control systems，简称ncs），即信号经过网络进行传输的闭环控制系统[1-3]。它是计算机技术、通信技术与控制技术发展和融合的产物，体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势。
               
　　欧美运动控制厂商陆续发布了基于100mb/s以太网的分布式智能控制系统，提出“网络就是控制器”的观点。其特点是：
               
　　（1）类似internet的结构，对数据的实时传输不需要编程，不需要考虑网络的层次结构；
               
　　（2）对用户来说，只有一组数据和一个程序，所有数据在网络中只需表达一次，程序和数据均可以重复使用，网络扮演真正服务器的作用；
               
　　（3）可连接到internet，实现整个工厂全球化联网；
               
　　（4）以太网既是连接到各种智能模块的系统总线，又是连接现场设备的现场总线，内部和外部的通信在此没有什么区别，集线器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间将内部通信从外部通信中分离出来。
           
2  以太网在工业应用中的不足
               
　　高速以太网的出现虽然缩短了响应时间，提高了网络的性能，但并没有完全解决其在工业控制中的问题。
               
　　（1）没有根本解决不确定性
               
　　虽然目前以太网的传输速度大幅度提高，但它仅仅是上平均速度的提高，这对严格的实时控制系统来说是不可靠的。交换机的引入会增加网络的复杂程度，而且交换机不能保证在恶劣的工业环境中正常工作。即使增加以太网的带宽，系统的效率也不会随着带宽的提高而线性增长。例如，具有6个16biti/o的系统，其巡回时间是1.9ms,其中数据在网络上的传递时间为0.69ms,剩余的1.21ms是软件延迟时间。由于软件延迟时间不随带宽变化，因此在100mbps的快速以太网上，该系统的巡回时间是0.69/10+1.21=1.28ms。可以看出网络速度提高到1000%，而巡回速度只提高了33%。

　　（2）带宽利用率不高
               
　　如果建一个有6个i/o节点的网络，每个节点有16bit的i/o，则该网络的总通信量是6*2*72*8=6912bit，因为以太网实际帧长度为72个字节。而can总线的有效帧长只有64bit，且没有最小数据包长度限制。相同的远程i/o系统can只需6*2*64=768bit的通信量，是以太网效率的9倍。即使以太网最小帧长度为64个字节也足以使只有16 bit的 i/o不堪重负。
               
　　（3）安全性不高
               
　　以太网不能给现场设备供电，没有冗余，不能及时恢复，一处故障可能会导致整个系统的瘫痪。与internet/intranet连接虽然可以实现控制网络与数据信息网络的接合，大大降低企业成本，但信息网络的故障可能会导致工业控制网络也不能正常工作，增大故障率，且黑客的存在使得控制网络的信息安全受到了威胁。
               
　　（4）应用层定义正在形成新的互联壁垒
               
　　以太网与工业现场控制相结合的一个重要出发点是以太网有良好的互联性，当前众多厂商开发的工业以太网在上层协议，特别是应用层上未形成统一的标准。例如,若要将modbus profibus、devicenet、controlnet、canopen协议转换到tcp/ip上，把多种不同的协议应用于同一网络，并让它们与同一主机在同一时间对话，则每种协议都要有一个driver。因此，供应商设计了不同的协议，并把它们统称为工业ethernet网，但是它并未真正解决通用标准的问题。

    3  基于ethernet的网络控制系统设计原理
               
　　在网络运动控制系统的运行过程中，所有控制设备都是以网络形式连接的，可以实现远距离的调速及控制参数的设定等。由于现场总线可以把多个设备连接成网络，并按公开、规范的通信协议，实现网络上的设备与计算机的通讯和控制。所以采用现场总线可以方便地建立远程多机调速系统。
               
　　现场总线运动控制系统一般由多个分布传动点构成，其交/直流调速系统网络化设计如图1所示。该网络化系统主要由变送器、交/流伺服驱动器、交/流伺服电机、现场总线、plc控制器或独立式运动控制器、控制计算机等构成。在此网络化系统基础上，通过远程网络进一步构成远程控制系统。[page]

            图1  交/直流调速系统网络化设计框图

            图2  网络运动控制系统实物图
   

　　图2为假设的远程网络控制实物连接图，远程控制技术比其它形式的网络更快、更有效，尤其在需要使用被控端计算机上的软件程序时更为突出。当在远程会话过程中运行软件程序时，实际的进程是在被控端计算机上执行的。只有输入和输出信息（如键盘、鼠标和屏幕信息）在控制端（主机）和被控端（从机）计算机间进行交换。

　　远程的web用户发出控制指令和设置参数给本地的被控制系统，本地的控制系统执行该指令，并将执行情况返回给web用户。客户端只需安装通用的浏览器，用户在客户端通过浏览器，向伺服系统的web服务器提出控制请求。web服务器对用户进行身份验证，并根据用户的请求，执行相应cgi(common gateway interface)或asp(active server page)扩展程序与伺服系统的控制计算机通信，伺服系统执行命令，并把运行过程和结果提交给web服务器。web服务器利用http协议把运行结果通过主页形式返回给客户端。控制计算机还可以把运行过程中的数据和结果存入web服务器的实时数据库，以便用户查询。
           
4  网络伺服系统的硬件线路介绍 
               
　　南工大网络化伺服实验系统硬件连接线路如图3所示，该系统的硬件要求：
           
　　工业pc机(pentium 4)、双绞线回路、匹配电阻(120欧姆数量2)、伺服驱动器bassoon(数量4)、伺服电动机(数量4)、二轴工作台(数量2)、运动控制器(maestro 数量3)、交换机一台、工业触摸屏(pws6600c-s)、24v电源一个、交流接触器一个、交流滤波器一个、控制柜一个。其中，非熔丝断路器用来保护电源线，过电流时切断电路；噪声滤波器起防止外部杂波进入电源线的作用，并且可以减轻电机产生的杂波对外界的干扰；磁力接触器的作用是接通/断开电机的主电源；电抗器是为了减少主电源中的谐波。

            图3   硬件线路连接图
 

               
　　bassoon内部电子原器件需要24v电源驱动，同时散热风扇也需要一个24v直流电源供电，因此本系统采用了一个24v开关电源。bassoo交流伺服驱动器，经过pwm逆变后输出三相uvw驱动电机。
               
　　由图3的硬件线路图可知，上位pc机通过以太网和运动控制单元maestro相连，maestro的can接口与下面的具有can接口(j8、j9)的伺服驱动用相双绞线连接，构成多轴分布式运动控制系统。由于双绞线有所谓近端串扰，即在发送线对和接受线对之间存在电磁耦合干扰，因此需要在两端各加一个120ω的终值电阻。

    5  结束语
               
　　ethernet是当前流行的网络通讯技术，但它仅定义了网络的物理层，在多年前己放弃了为运动控制接口建立标准的多供应商协议。同时以太网采用的是异步通讯机制，如果要将它用于运动控制必须增加光交换器，其成本将提高的很多。本文提出的以太网和现场总线相结合的方案是目前网络化运动控制系统的主选方式[5]。现场总线可以很好地满足控制系统对实时响应的较高要求，同时使现场总线还使得系统具有很好的扩展性能。以太网是目前最流行的因特网接入方案之一，它在发挥现场总线优点的同时解决了现场总线难以接入因特网的问题。