现场总线运动控制技术应用动态

作者：信息来源:应用行业 2006-11-9

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一、现场总线控制网络——信息技术发展在运动控制领域的延伸现场总线作为现场控制网络技术，被视为公用数据网络在运动控制领域的延伸，它的兴起为自控技术本身的发展提供了新的机遇。现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信号。现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统，提高了控制系统运行的可靠性，丰...

一、现场总线控制网络
——信息技术发展在运动控制领域的延伸
     现场总线作为现场控制网络技术，被视为公用数据网络在运动控制领域的延伸，它的兴起为自控技术本身的发展提供了新的机遇。
     现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设备，能节省大量线缆、槽架、连接件。减少系统设计、安装、维护的工作量。
     现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统，提高了控制系统运行的可靠性，丰富了控制设备的信息内容。
     为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通了现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系,便于实现管控一体化
     控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地远程自动控制。
1、现场总线

一种控制系统框架
现场总线控制系统是建立在现场总线技术基础上的网络结构扁平化，具有开放性、可互操作性、常规控制功能彻底分散、有统一的控制策略组态方法的新一代的分散型控制系统。

2、现场总线运动控制系统的典型应用：
  1 PC+独立数字运动控制器+执行机构=开放式运动控制系统
  2 触摸屏+独立数字控制器+执行机构=开放式运动控制系统
    上述两种结构是伺服控制系统的发展方向，也是运动控制技术的发展方向。
    它能充分利用PC 机和触摸屏的资源，由第三方软件完成用户应用程序开发，将生成的程序指令传送给运动控制器，由控制器不断转译产生更新的位置命令（运动曲线）并通过通信总线下传给驱动器，电机驱动器将控制电流传送给电机，

样完成命令所需定位。在一个多轴系统中，一个控制器可以控制多个电机或驱动器。伺服电机是主要的执行部件，完成具体动作。
总线将分散的有通信能力的测量控制设备、驱动控制设备作为网络节点，连接成能相互沟通信息，共同完成自控任务的控制网络

现场总线控制总线数据传输方式

二、现场总线运动控制系统发展趋势

现场总线发展中的新军————以太网
工业自动化系统正向网络化、智能化的实时控制方面发展，因此通信已成为关键，用户对统一的通信协议和网络的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技术的飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架，但目前的现场总线尚不能满足这些要求。至于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题，已由于智能集线器的使用、主动切换功能的实现、优先权的引入以及双工的布线等，基本上得到了解决。通过提高数据传输速率，仔细地选择网络的拓扑结构及限制网络负载等，可将发生数据冲突的概率降到最低。
目前世界上已有一些

际组织从事推动以太网进入控制领域的工作，如IEEE（美国电气和电子工程师协会）正在着手制订现场总线和以太网通信的新标准。该标准将使网络能看到“对象”。IAONO（工业自动化开放网络联盟）最近与ODVA和IDA集团就共同推进Ethernet和TCP/IP达成共识。
      ODVA于2000年3月17日发布了一个为在工厂基层使用以太网服务的工业标准。
      FF于2000年3月29日公布了高速以太网（100Mb/s）的最终技术规范（FSI1.0）。
      工业以太网协会与美国的ARC、Advisory Group等单位合作，开展工业以太网关键技术的研究。目前1000Mb/s以太网的发展已进入实用阶段。由以上分析可知，以太网进入工业控制领域是一个不可忽视的发展趋势。
现场总线应用前沿——嵌入式网络化运动控制系统（NCS）
     运动控制（伺服）就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动

数进行运动。开放式结构的运动控制系统是一种模块化、可重构、可扩充的软硬件系统。
2000 年11月国际权威制造技术研究机构德国UHILFSJKGH 研究院的院

VIHFGQWGH DA教授，在上海召开的第一届国际机械工程会议上作了题为“网络生产——制造业全球化的前景”的大会报告，强调了网络生产在制造业中发展的重大影响和作用，指出了制造全球化、制造敏捷化和制造虚拟化均离不开制造网络化的支撑环境。
嵌入式运动控制器

上图给出了嵌入式运动控制器的体系结构，从图中可以看出将运动控制器划分为网络通信模块和运动控制模块两个主要部分。其中，网络通信模块直接与Internet连接，并按照预先确定的通信协议从控制台那里取得控制命令，然后将命令交给运动控制模块。运动控制模块则直接和电动机驱动器相连，它在对命令进行分析和判断之后，产生相应的电动机控制信号传送给电动机。另外，命令执行的结果也会返回给网络通信模块，由它再通过网络返回给控制台。
嵌入式运动控制器主要特点
1. 运动轴扩展
    用子板（Daughter Board）在控制器上进行运动轴扩展。
    可用Fiber Optic Network将多个控制器联网，可以控制更多轴。
    步进轴（脉冲+方向）、伺服轴（模拟量指令+位置反馈）可混合配置。
2. 数字量输入、输出扩展
3. 模拟量输入、输出扩展
4. 位置反馈接口扩展（A/B/Z、SSI、SIN/COS）
5. 现场总线接口扩展：CAN、SERCOS、EtherNet、ProfiBus、DeviceNet、    ModBUS、HostLink等
  “嵌入式以太网的现场设备以及嵌入的Internet服务器不久都将成为现实”这个来自Siemens Energy & Automation的网络产品经理Horst Kohlbert的预言提示工业以太网即将进入现场控制级。
      以太网是未来控制网络的最佳解决方案，将会成为主导现场总线，但现场总线技术也绝对不会轻易退出已有的市场，各种现场总线之间可以互相取长补短，进一步完善。各种现场总线均有一定的技术侧重面和应用领域互补性较强，在某一方面更具权威。
      多种现场总线总线共存，不利于用户的投资，不利于生产厂商的投资。众多的总线标准就等于没有标准。
现场总线技术的百花齐放与兴盛发展

网络化运动控制系统（NCS）
网络控制系统要求用于控制领域的现场总线是具有高网络性能的数字式互连网络，具有互操作性和开放性。数字式互连是网络的基本特征。互操作性要求采用统一的标准和协议来实现。开放性指技术公开且被广泛应用。而现在多种现场总线标准并存已成定局。不同公司为了各自的利益，把持着标准的制定工作，使现场总线不易广泛应用。目前，以太网技术是最符合网络控制系统现场总线特点的技术，因此许多公司已经将以太网引入到工业控制网络中。

网络就是控制器”
     德国Jetter AG公司的自动化系统、以色列ELMO公司的MAESTRO、英国TRIO公司的立意新颖，它是基于100Mb/s以太网的分布式智能控制系统，宣称“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）从传感器到工厂管理层，只有一条以太网总线进行直接通信；
（4）可连接到Internet，实现整个工厂全球化联网；
（5）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。
嵌入以太网的I/O
     早在1998年，Foxboro公司就成功地将其Micro-I/A自动化系统中的以太网I/O用于德国Bayer AG公司的氯碱分厂，以太网将所有现场设备、控制器和PC机工作站集成为一个高可靠、低成本的实时控制的信息网络。近年来，一些公司已推出不少以太网I/O产品，举例如下：
（1）Opto 22从1998年第四季度起开始提供以太网I/O产品，并不断扩展和改进其产品，如开发符合802.11和802.11b的无线电访问以太网产品和用于管理的SNMP以太网产品；
（2）National Instruments的Field Point I/O能提供现场设备到以太网的链接；
（3）SixNet提供嵌入以太网芯片的I/O模块；
（4）Optimation（Hutsrille, Ala）发布内装以太网的I/O新产品；
（5）Automation direct.com和Omron Electric联合宣布的以太网I/O新产品已面市；
（6）GE Fanuc Automation在2000年的美国国家周上宣告其所有的自动化产品均支持与以太网的链接；
（7）Zonework（Temecala, Calif）推出其第一套产品，声称是使传统的自动化控制器能访问以太网的基础结构；
  （8）Action公司的子公司Busware公布以太网的E系列I/O模块，如图3所示。
     此外，现在已有嵌入以太网芯片的智能现场总线设备问世，如Schneider Electric的Altivar 58变频器，不仅能连接到本公司的PLC系列，亦能连接到内装有Web服务器的第三方控制器。通过该控制器，还可远程存取Altivar 58变频器的各种数据。
     高速以太网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。
2 带宽利用率不高。
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。且在这64个字节中，18个字节是被以太网自己使用的，TCP/IP的数据报头也要占用40个字节，因此用户只能使用剩下的6个字来存放数据。
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。
4 在应用层没有统一的标准。
工业Ethernet网虽可以将Profibus、Devicnet、modbus、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，但是它并未真正解决通用标准的问题。
TCP/IP