多轴运动控制系统和实时通信网络

多轴运动控制系统和实时通信网络
贝加莱工业自动化（上海）有限公司叶莘
在现代机械制造中，多轴运动控制已经越来越普遍，用电子方式来实现机械运动轴之间协调同步，取代了传统的机械凸轮和齿轮，给机械设计制造带来了巨大的灵活性。

以往只有通过复杂的机械设计和加工才能实现的运动过程，现在可以通过软件编程轻松实现。

而且，使用电子运动控制，精度更高，动态性能更好，没有机械损耗，使维护变得方便而简单。

用户可以实现更加灵活的，模块化的机械结构。

在几乎所有的机械制造领域中，特别如纺织机械，印刷机械，包装机械，塑料机械，食品机械等，多轴运动控制的应用已经非常广泛，成为高性能，高品质机械制造的重要标志。

运动控制的核心是驱动系统，数据传输方式也逐渐由模拟量发展成基于总线的数字信号传输。

为了有效协调同步各个轴的运动过程，实现高精度的多轴运动控制，一个实时高效的数字通信网络是必不可少的。

本文将讨论高精度多轴运动控制对通信网络提出了什么样的要求。

然后以全球首个真正实时的工业以太网ETHERNET Powerlink为例，介绍一个完全符合这些要求的运动控制网络。

1. 多轴运动控制的模式和发展趋势
在多轴运动控制中，各个厂商提供的控制理念和模式不尽相同，各种类型都有其优缺点，用户要根据自己的实际需求来选择方案。

大体来说，控制模式可以从2个层面上区分：驱动单元和总体架构。

从单个驱动单元来看，可以从智能集成度划分等级，从总体控制架构来看，有分布式和集中式2种模式不同的解决方案对通信网络的要求也不一样，下面我们先介绍一下上面提到的控制模式，以及它们分别对通信系统的要求。

驱动单元：非智能型和全智能型
对于单轴的驱动器来说，可以对它内部的智能集成度来进行划分。

驱动系统的核心作用是按照控制要求驱动电机。

可控的物理量有三个：扭矩，速度，位置。

传感器把这三个物理量反馈到控制系统，由控制系统进行计算和输出，实现对这三个量的闭环控制，从而实现运动控制。

众多厂商提供的驱动器按智能集成度大体可以分成三种类型：
1. 开环式驱动器
2. 自带电流闭环控制，速度闭环控制，有时也带位置闭环控制的驱动器
3. 集成运动控制系统的全智能型驱动器
第一种开环式的驱动器是一个单纯的执行机构，它本身只是一个放大器，把控制信号放大输出给相应功率的电机完成运动过程，所有的控制协调功能都由外部控制系统实现。

第二种驱动器自身集成了最多3层叠加的闭环控制。

最底层是电流闭环，用来调制输出扭矩，在此基础上实现速度闭环，最上一层为位置闭环。

这里的位置闭环只是相对于电机转子的旋转位置而言。

如果要实现某种特定运动过程，比如在设定速度下精确定位，还需要外部的智能设备（运动控制系统）。

第三种类型是集成运动控制系统的驱动器，系统本身除了有三层闭环控制的功能外，也集成了运动控制系统，具有很高的智能，客户可以直接对其进行编程。

机械行业应用中的典型运动过程，如包装机械，印刷机械，塑料机械中的常见的机械动作，被优化成软件工艺模块集成到驱动器内。

用户不需要再对系统进行复杂的编程，直接给相应的工艺模块赋予参数就可以实现这些复杂动作。

有些驱动器内甚至还集成PLC功能。

这类驱动器不需要外部的控制系就可以单独完成复杂的运动控制。

图1：几种不同的驱动器类型
集中式和分布式
从控制系统架构来看，多轴运动控制可分为集中式和分布式。

如果用上述第一，第二种驱动器（低智能型），多轴运动控制则被集中完成，由一个运动控制单元（如运动控制卡）
控制多个低智能型驱动器完成多轴运动控制。

图2：集中式多轴运动控制
集中式多轴运动控制在机器人领域比较常见，通常由一个运算能力强大的中央控制系统来协调计算各个驱动系统单元，完成复杂的三维动作。

使用上述第三种驱动器（高智能集成型），相应的多轴控制任务可以直接分布到各个驱动单元中去，实现完全分布式的多轴运动控制。

图3：分布式多轴运动控制
分布式多轴运动控制的优势主要体现在模块化的机械制造当中，每个机械单元可以独立工作，用户可以对机械进行灵活的配置，实现柔性生产。

驱动器中集成安全功能
在涉及到人员和物品安全的领域，安全功能必须得到保证, 国际上已经出台了相应的法律法规，在不同的机械制造行业中，越来越多的设备中必须配备专门处理安全任务的驱动器。

国际上已经为此制定了设备安全方面的重要标准IEC 61508。

可以预见，今后很多设备必须符合这个标准才能够投放到市场当中去。

带有集成安全功能的标准智能驱动器是目前的发展趋势，带有安全功能的驱动器可以在紧急情况下，自动将设备减速到一个非危险状态，或安全地停止整个设备。

甚至在其他控制系统出现故障的情况下，安全功能也必须得到保证。

2. 多轴运动控制对通信网络的要求
数据量，通信周期，时间同步性
多轴运动控制对通信网络最核心的要求是实时性，除此之外，也需要考虑以下因素：
•数据交换的频繁度，（通信周期），
•各个站点之间的通信关系，
•数据包的大小，
•站点间的时间同步精确度，
在集中式的控制模式中，有时候甚至电流（扭矩）的闭环控制也是由外部中央控制系统完成。

交换的数据主要是传感器反馈的实际值和主控单元发出的设定值，这些数据被放在在很小的数据包里，很频繁地在穿梭在主控单元和各驱动器之间，系统偶尔可能要读取一下如驱动器温度等诊断参数。

这样，通信周期越短越好，通常在50us或更小。

通信关系是主控单元对各个驱动器单元间的双向通信，驱动器单元之间无需数据交换。

图4：集中式运动控制中的典型数据交换
在分布式控制模式中，位置，速度，电流闭环在各驱动器单元内部完成，为了协调各轴的动作，需要交换的数据包就相对要大一些，主要包含位置，速度，电流等信息。

由于像闭环控制这样的对运行周期时间和精度都要求很高的任务已经在驱动器单元内部完成，它们之间的数据交换就可以相对慢一些，速度信息通常每400us左右交换一次，位置信息1－2ms 交换一次即可。

各站点之间通信关系可以是任意的，主控系统和驱动器单元，以及驱动器单元间应该可以任意点对点通信。

图5：分布式运动控制中的典型数据交换
不管使用哪一种模式，通信网络统都必须具有很高的时间同步精度。

主控系统和驱动器单元必须通过这个网络实现高精度同步。

所以，网络本身的实时性对控制质量有着直接的影响。

维护和诊断
在对设备的检测维护过程中，上位系统必需可以对驱动器中任何变量和参数进行访问，需要时还要进行修改。

所以，通信系统除了传输同步信息外，还要为这类非同步信息留下空间。

集中式控制模式中的绝大部分相关参数已经存在主控单元中，各驱动器单元的诊断数据主要是一些少量的状态信息，显示系统是否正常运行。

所以，通信网络在集中控制模式中不需要为诊断信息预留很多带宽。

分布式控制模式正好相反，由于控制智能被分散到各个驱动器单元，相应数据也是存储在各个驱动器中，驱动单元各自独立完成复杂的运动过程，自行对运动过程做出响应，各驱动器中存储了大量信息，比如凸轮曲线，诊断信息等。

为了让用户可以更方便地访问相关数据，很多高智能驱动器内部甚至可以集成Web服务器，这样，用户可以直接用Web浏览器对系统进行远程访问。

所以，在一个分布式的控制模式中通信网络必须给诊断数据，参数下载等非同步信息预留比较大的带宽空间。

同步信息：需要周期性交换的信息，如位置，速度，扭矩等，需要高同步精度。

非同步信息：无需周期性交换的信息，如参数下载，状态参数读取等，没有同步精度要求。

通信协议的高层抽象化
为了让客户能够更加方便地对网络中的控制单元（包括除驱动器以外等其它设备）进行编程，组态和维护，需要对通信网络的低层协议进行抽象化。

网络中的设备具有的功能和参数都由一个标准协议来进行描述。

用户可以通过标准编程接口（APIs）访问网络中不同厂家的设备，而不需要考虑设备在通信上，功能上的具体细节。

新接入的设备可以通过清楚定义的通信接口被自动识别，被设置参数，自动集成到整体系统中来。

集成安全通信
在一个整体控制架构中，涉及到安全功能的控制设备（安全PLC，安全驱动设备等）目前通常是单独布线，自成独立的安全通信网络。

如果把安全设备和其它设备整合到现有系统架构中来，和主控系统共用一个通信网络，可以大大减少对设备组态，布线和维护的成本，同时提高设备的柔性和灵活性。

当然，安全性能在这种架构中必须也能得到充分的保证，如果安全设备间的通信连接出现故障，系统必须能及时发现。

在涉及安全的部分中，系统必需自动周期性检核控制系统和通信是否无故障运行。

系统要识别任何通信中断，数据包丢失或错误，需要的话将整个设备停到一个安全的状态下。

控制系统必须以极高的概率排除设备对人员或物资产生危险的可能性。

按照IEC 61508和相关标准IEC 62061，ISO 13849的规定，使用标准工业网络协议的通讯技术不足以获得所需的可靠性和安全等级。

使用标准工业网络传输的信息有可能丢失，冲突或者乱序。

为了保证数据的完整性，达到安全性的要求，安全网络在应用层定义了附加的数据检核，包括监控Watchdog定时器，检测报文编号，确认顺序和标记，以及额外的数据一致性检核。

图6：IEC 61508 安全标准
为了把这些安全功能集成到现有的现场总线和通信网络中来，近几年已经有一些带有保护和监测机制的，符合安全标准的专用通信协议被开发出来。

安全的访问机制
对于设备的远程维护监控来说，简单透明的访问机制是非常有利的。

用户可以直接用Modem或者宽带通过互联网直接对设备上对任何一个控制单元进行访问维护。

理想情况下设备中的通信系统可以直接使用互联网的通信协议，在智能驱动系统中集成的Web服务器就可以直接通过互联网被访问，提供相应的系统状态和参数。

但是这种通信的透明度在实际情况下会带来很多问题，网络中的不安全因素（病毒，木马，蠕虫等）会给现场运行的设备带来危险。

所以，在满足远程访问要求的同时，一个安全的访问机制是必不可少的。

外部网络中无论是人为或非人为因素造成的故障不应该影响现场设备的正常运行。

对于多轴运动控制通信系统来说，通信故障造成的偏差不仅影响控制质量，甚至也会造成设备损坏和对人员的伤害。

统一的网络架构
为了节省开发维护的成本，在整体控制架构中使用的网络类型越少越好。

最佳情况下，一个通信网络，可以满足运动控制系统对高速实时通信的要求，也可以用来作为其它非同步数据的通信介质（IO，人机界面，数据监控采集等…）。

以太网作为一个成熟的通信介质，可以满足用户的多种需求。

3. ETHERNET Powerlink 提供完整的解决方案
以上提到了多轴运动控制系统对通信网络的要求，下面将以ETHERNET Powerlink 为例，介绍一个已经得到验证的，成熟的解决方案。

ETHERNET Powerlink （以下简称EPL）是由奥地利贝加莱（B&R）工业自动化公司于2001年推出的全球首个实时工业以太网标准。

这个标准推出后即被公开，任何公司单位个人都可以免费获取。

由一个中立性的组织EPSG对这个标准进行维护，目前已经有全球超过200知名工控企业加入这个组织，包括大家熟悉的ABB，Alstom，Hirshmann，P＋F，Wago 等。

EPL建立在标准快速以太网IEEE802.3的基础之上，协议运行在一个独立的网络域中，所谓实时域（Real－Time－Domain）。

这样就可以保证对实时性要求极高的通信要求（如
多轴运动控制）不会被与之连接的非实时通信网络（如办公室网络）所影响。

单个实时域内最多可以同时接入240个站点。

同步段实时数据交换
EPL是一个严格周期性的通信协议，它可以保证所有在实时域内的站点以小于1us的时间精度相互同步。

其中一个站点作为管理站控制整个实时域的时间特性。

每个通信周期开始时，管理站会发出一个非常精确的同步信号SoC (Start of Communication）。

之后EPL协议为所有站点预留了一个时间槽，用来进行同步信息的通信，这个阶段被称作同步段。

在同步段，网络中的每个站点都会被分配得到一个专用的时间槽，有时多个站点也可以共用一个时间槽（Multiplex模式），以便充分利用带宽。

同步段结束后，协议还预留了一个时间段作为非同步信息（参数诊断，下载等）通信段。

非同步信息对实时性没有要求，所以每个同步周期只有唯一一个站点可以发出非同步信息就可以满足要求。

图7：每个站点都被分到一个时间槽，每个通信周期都预留非同步数据段
通信机制采用广播形式，所有站点都可以同时接受信息，这样，可以实现多个站点中的横向数据交换，如驱动单元间的直接数据交换。

这样，集中式和分布式两种控制模式的要求都可以得到满足。

EPL的报文格式完全符合IEEE802.3标准帧格式，使用市场上任何一种以太网芯片就可以方便地实现EPL协议，成本非常低廉。

使用市场上完全以软件方式实现的EPL系统，结合标准报文，最短通信周期可以达到100us。

单个报文最长可以有1500个字节的有效数据长度。

通信周期的最短时间，时间槽的数量，以及单帧报文的长短都可以由用户自由设置。

通过对这类参数的设定，EPL可以适合不同场所不同类型的应用要求，特别在多轴运动控制领域，可以满足集中和分布2种控制模式对网络通信的要求。

EPL的具体参数如下： 公开的协议，知识产权完全开放
符合IEEE 802.3, IP-协议, CANopen 和其它多种国际标准
以标准以太网为基础的高实时性数据交换
可实现100µs 通信周期和 <1µs 的网络抖动（Jitter）
可实现任意灵活的网络拓扑结构
用TCP/UDP/IP 协议实现透明通信
现场已经有超过15万个节点的应用
可用标准以太网硬件模块实现; 无需设计专用芯片
标准化组织已经有超过200家知名企业作为会员
非同步数据可使用TCP/UDP/IP
在非同步段，数据可以依旧使用标准IP－报文格式传输，标准应用也可以在EPL协议堆栈上轻松实现，如Web服务器，e-mail服务等。

如果给一个EPL站点赋予IP地址，就可以通过互联网协议在世界任何一端直接访问此站点。

图8：无论哪个网络层面都可以直接访问EPL站点
在EPL站点传输非同步数据之前，先报告给管理站，管理站通过一个优先分配清单来统一调配分给各站的非同步时间段。

应用层（第7层）使用CANOpne协议
在协议的应用层，EPL直接使用灵活的CANOpen作为通信和设备描述的协议。

由于EPL使用的是快速以太网作为其通信介质，它的通信速率可以比CAN总线快将近100倍，使用的却是同一种应用层接口。

EPSG组织和CiA(CAN in Automation)合作，把CANopn种的DS301和DS302规约移植到EPL中来。

每一种符合EPL标准的设备都由一个统一的设备模型来描述。

设备模型的核心部分是通过对象字典（Object Dictionary）对设备功能进行描述。

对象字典分为两部分，第一部分包括基本的设备信息，例如设备ID，制造商，通信参数等等。

第二部分描述了特殊的设备功能。

一个16位的索引和一个8位的子索引唯一确定了对象字典的入口。

通过对象字典的入口可以对设备的"应用对象"进行基本网络访问，设备的"应用对象"可以是输入输出信号，设备参数，设备功能和网络变量等等。

图9：EPL设备模型符合CANopen标准
需要高同步精度的时间关键数据通过过程数据对象PDO(Process Data Object)进行数据交换。

网络中每个站点都可以读取PDO，并对它进行处理。

PDO的数据内容在网络系统的初始阶段就被设置好。

所以数据传输本身可以实现时间优化，而且不带附加数据（帧头尾等）。

EPL 可以在一帧同步报文中最多传输1490个字节，而CAN总线最多只有8个字节。

参数下载，诊断数据等非时间关键数据可以放在服务数据对象（SDO）中传输。

在非同步段的SDO的传输遵循客户端/服务器模式。

网络中任何一个EPL站点都可以通过对象字典（Object Dictionary）访问另一个站点的SDO。

数据量的大小没有限制。

通过使用UDP/IP 报文格式也可以直接从互联网上访问SDO。

图 10：EPL可以用UDP传输CANopen SDO
通过协议应用层上和CANopen兼容，EPL满足了网络高层抽象化的要求。

而且在CAN 总线和EPL共存的网络中，用户可以使用统一的应用层协议和编程接口。

安全工业以太网
EPLsaftety 是EPL最新的协议扩展。

EPLsafety是一个已经得到在EPL网络上运行安全性认证的协议。

它达到了IEC 61508 中的SIL 3等级，在减少数据量的情况下甚至可以达到SIL 4 等级。

有关安全功能的数据被包在EPLsafety协议中传输。

EPLsafety报文的长短始终保持和应用中所需的安全功能有效数据量相符。

协议的检核功能动态地适应传输的数据量。

IEC61508 安全标准在任何情况下都可以得到满足，而所需的安全系统传输带宽却可以保持
在最小。

图 11：EPLsafety 报文自动动态地适应有效数据的长短EPLsafety 充分利用了以太网报文结构中提供的最多1500字节的协议框架。

多个安全功能的信息可以同时被放在一个EPLsafety Container （数据块）中，由一个以太网报文传输。

和EPL一样，EPLsafety也支持网络站点间的点对点通信，无需通过主控制单元。

4. ETHERNET Powerlink，不仅仅是运动控制网络
通过ETHERNET Powerlink，我们可以看到以太网在工业应用上的广阔前景。

EPL本身具有的实时性，安全性和兼容性使得它在除机械制造外很多的领域都得到了很多关注。

作
为全球第一个实时工业以太网，已经在机械自动化中得到大量的应用。

在过程自动化，如电
力，运输，铁路等领域，ETHERNET Powerlink也越来越多地被应用到现场中去，真正成为一个通用的工业以太网。