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实时通信技术在机械制造业的应用

信息时间:2012-09-04 信息来源:西部工控网

      一、生产效率的提升带来了对网络的巨大需求

      随着生产技术的提高,运动控制技术与机器人技术也得到了更为广泛的应用,传统的总线愈发无法满足高速高精度加工的系统需求,而随着IT技术的快速发展,工业以太网得到了快速的发展,然而,由于其CSMA/CD的冲突检测机制造成的无法实现数据交换的确定性使其无法在高实时性领域使用,为了解决这一问题,各主流的自动化公司均开发了基于以太网技术的实时以太网技术,其中2001年,由始创公司B&R开发的Ethernet POWERLINK最早投入使用,接着由SIEMENS,Rockwell AB及Bosch Rexroth等也开发了PrifiNet,Ethernet/IP和SERCOSIII等,以及由Beckhoff开发的EtherCAT技术。

      二、实时以太网的应用领域

      1.CNC和机器人

      传统的CNC和机器人均是由专用的控制系统来实现,这包括了诸如SIEMENS的820,840D等CNC系统,由于需要大量的轴间插补运算,另一方面,原有的CNC系统其速度环和位置环计算由于均是通过由主站来进行计算的,因此,其对数据通信的要求极其高,因此,传统的SIEMENS和Fanuc均使用了其自主开发的内部总线来实现,而今天随着智能伺服系统和工业实时以太网的发展,这一系统架构设计将逐步得到改进,例如Staubli的机器人系统就采用了Ethernet POWERLINK技术,使得其能够在通用的硬件平台上实现路径转换的计算,通过高速的实时以太网技术传递到各个执行单元,从而实现机器人的高速高精度运转。

      2高速同步关系处理

      在很多传统的机械行业,随着控制要求的愈发提高,越来越多的独立驱动技术被得到应用,这使得机器运行更加具有灵活性,能够更为快速的实现工艺切换和性能的提升,下面举两个较为典型的例子作以说明。

      2.1印刷无轴传动系统

      由于传统的机械长轴会造成系统机械结构的复杂性以及高维护的特点,并且另一方面,系统的生产工艺切换也将由于订单的不同需要机械调整,这将使得整个生产系统的性能降低,这使得无轴传动-更为确切的说是属于电子轴技术,例如在凹版印刷、柔版印刷、瓦楞纸开槽印刷等系统中,传统的机械长轴为独立驱动的伺服轴所代替,然而,这时候轴与轴之间的关系将依赖于高速的通信系统来实现其运动关系的同步,以及偏差的调整,在这个领域里,SERCOSIII和Ethernet POWERLINK则占据主导的低位,由于印刷需要高速纠偏使得通信的刷新速度极其重要,在高速运行系统下,印刷机的控制周期必须达到微秒级,否则就无法实现高速的调整。

      2.2全电动注塑机

      全电动注塑机同样是一个需要高速通信的过程,由于射胶、合模、坐进退、熔胶、保压等阶段需要保持轴之间的高速顺序切换,以及保压切换过程中的高速刷新任务都需要通信系统提供极高的刷新,一般这个任务等级在1mS以下。

      3. 安全系统

      安全系统越快的响应速度则能够更好的保护人身的安全,更短的刹车距离显然会对人体造成潜在风险的降低,因此每个实现工业实时以太网的技术均为安全系统提供了通信解决方案,这包括了Profi Safe,Ethernet IP Safe,以及由B&R开发的openSAFETY,openSAFETY与其它Safety技术在技术实现上均遵循IEC61508,然而不同在于openSAFETY是一个可以运行在其它任何总线上的安全通信应用层协议,目前它已经通过测试在ProfiNet、Ethernet IP、Modbus、SERCOSIII上得到运行。

      4.过程控制

      过程控制虽然对于系统刷新的速度要求不高,但是,一方面,对于冗余和多CPU之间的通信则提出了非常高的要求,因为,这些功能是必须满足系统的高可靠运行而必须的设计,另一方面,对于更多的传动系统加入的过程应用而言,传动对于系统刷新速度的要求也必须得到更高的级别。

      5.工厂自动化FA

      工厂自动化是另一个方面,虽然并非是连续生产,然而,要去实现与企业级的互联,从生产的设备到设备互联,仍然需要高透明的工厂设计,那么实时以太网则能够满足从生产的运动控制到整个生产线与管理系统的集成,实现真正意义的一网到底-从而构建透明工厂,使得整个工厂的控制和状态检测能够完整的集成在统一的系统架构之下。

      三、实时以太网的评估参数

      1.抖动

      为了保证各个运动轴之间的同步性,在控制指令发出后(例如:POWERLINK是通过同步帧广播的形式去给出同步信号的),各个轴之间执行任务会存在一个时间偏差,这个是影响系统同步性的关键指标,通常,主流的实时以太网技术保持在100nS以内,通常,使用者会混淆这个概念,并非是传输速度很高就同步性高,因为系统的抖动构成了同步性的关键因素。

      2.是否支持直接交叉通信

      对于那些需要高速处理的任务而言,直接交叉通信是一个非常有用而关键的功能设计,这与通信机制有关,采用集束帧方案的以太网技术无法实现这一点是因为它采取的是一种数据列车的方案,而像Ethernet POWERLINK和SERCOSIII则可以实现交叉通信,直接交叉通信可以使得从

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