旋轉(zhuǎn)頭切割機將對鋼管和鋼筋儲備切割成薄片，廣泛地使用數(shù)字運動網(wǎng)絡(luò)進行診斷。

　　作者:

　　Dan Hebert - PE高級技術(shù)編輯

　　挑戰(zhàn):

　　在自動化技術(shù)成熟之前，我們對標準規(guī)范、預(yù)測性能和假設(shè)的成本開支進行了討論。在發(fā)展階段，設(shè)備制造商、機器人制造商和系統(tǒng)集成商通常不會正眼相對供應(yīng)商，主要因為供應(yīng)商正在招攬幾乎無真實世界應(yīng)用實例的利益來支持其主張

　　解決方案:

　　如果任何自動化組件沒有像運動控制器一樣需要具有廣泛布線的需要。從中央控制器到運動控制器的離散信號可以包括啟動、停止、復(fù)位、表引用指針和其他信號。典型的模擬輸出典型上包括了是速度設(shè)置點和模擬類型。

　　"常規(guī)標準允許客戶對每個任務(wù)選擇最佳機動控制器，隨著數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的分布式控制發(fā)展，驅(qū)動器不僅需要交換相關(guān)控制數(shù)據(jù)，而且需要傳輸狀態(tài)信息和設(shè)置參數(shù)。只需改變配置，客戶就可以改變連接到控制器的電機類型，例如從感應(yīng)到永磁伺服電機。"

　　在自動化技術(shù)成熟之前，我們對標準規(guī)范、預(yù)測性能和假設(shè)的成本開支進行了討論。在發(fā)展階段，設(shè)備制造商、機器人制造商和系統(tǒng)集成商通常不會正眼相對供應(yīng)商，主要因為供應(yīng)商正在招攬幾乎無真實世界應(yīng)用實例的利益來支持其主張。

　　這描述了2007年數(shù)字運動總線的情況，當時相對而言幾乎很少有運動總線的應(yīng)用存在。兩年之后，情況發(fā)生了巨大的變化。盡管在行業(yè)標準方面還有混淆，但關(guān)于利益和成本的爭論已經(jīng)基于應(yīng)用經(jīng)驗而具體化。

　　這種情況造成了設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商和供應(yīng)商間的一致意見。如今與硬電線連接方式相比，大多數(shù)人都認為數(shù)字總線能節(jié)省資金和提高性能。還有一個普遍一致的共識，即盡管數(shù)字總線實現(xiàn)起來不會像早先的一些先驅(qū)技術(shù)那樣困難，但這些利益也不會輕易到來。

　　經(jīng)歷 AutomationXchange

　　在過去兩年的每年5月，來自領(lǐng)先設(shè)備制造商的機械自動化專業(yè)團隊為了一系列戰(zhàn)略，已經(jīng)與領(lǐng)先方案供應(yīng)商面對面約見，一對一會議旨在向OEM’提出最迫切的需要。欲了解更多關(guān)于邀請信息的事件，請訪問AutomationXchange.com，或聯(lián)系項目負責(zé)人Andy Wuebben。

　　連線無處不在

　　如果任何自動化組件沒有像運動控制器一樣具有廣泛布線的需要。從中央控制器到運動控制器的離散信號可以包括啟動、停止、復(fù)位、表引用指針和其他信號。典型的模擬輸出包括了速度設(shè)置點和模擬類型。

　　從運動控制器到中央控制器，離散信號可以包括總警報、警報代碼、執(zhí)行和位置完成。典型的模擬輸入包括了實際速度、扭轉(zhuǎn)力和其他基于信息的值。

　　“與硬電線連接方式相比，數(shù)字總線節(jié)省了資金和提高了性能?！?/p>

　　20根電線和電纜可以運行在中央控制器和運動控制器間。將電線數(shù)與單個機器或機器人或手持材料系統(tǒng)中運動控制器的個數(shù)相乘，電線需求迅速，令人望而生畏。

　　進入數(shù)字運動總線時代后，一根電纜就可以取代大量硬電線——這對簡化系統(tǒng)來說是個很好的功能，但幾乎對具有許多運動控制器的大型和復(fù)雜機器是必需的。

　　連線消失

　　“在更大型的運動控制系統(tǒng)中，設(shè)備間的數(shù)字總線是進行通信的一種最佳方式，硬電線將會導(dǎo)致不必要的復(fù)雜性或與靈活性相比，其需要更多的I/O端口，”位于阿拉巴馬州伯，明翰 先進機械自動化公司電氣工程師Jason Woyak說，“基于數(shù)字總線傳輸?shù)氖銛?shù)據(jù)量優(yōu)于硬電線。

　　先進機械自動化公司制造了大量各類機器，包括印刷機、送料機和堆垛機。它還建立了定制機器，范圍從臺面鋸床機器或滅火器灌裝站到貨車車軸粘合機。

　　某個供應(yīng)商關(guān)于布線開支的意見與Woyak觀點一致，還引用了其他原因走向數(shù)字世界?！霸谟羞B接設(shè)備的系統(tǒng)中，多點數(shù)字 接口如以太網(wǎng)，比點對點布線方案具有更低的生產(chǎn)成本，” Delta 計算機系統(tǒng)公司 (www.deltamotion.com )的市場部經(jīng)理Bill Savela說，“數(shù)字網(wǎng)絡(luò)需要的連接更少，具有更好的可靠性。因為每個電氣接觸點都可能是一個潛在的故障點。當硬件問題確實發(fā)生時，相比與那些使用點對 點或模擬連接的系統(tǒng)，基于網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)更易于調(diào)試和修復(fù)?！?/p>

　　運動網(wǎng)絡(luò)所解決的維護問題對設(shè)備制造商特別重要。位于北卡羅來納州，格林斯博羅的系統(tǒng)集成商，集成運動公司 的工程部副總裁Jim Mullins指出，“走向數(shù)字化導(dǎo)致布線的減少，產(chǎn)生更高的MTBF(平均故障間隔)，因而有更少的故障點”。

　　集成運動公司設(shè)計的眾多系統(tǒng)使用B&R工業(yè)自動化公司的組件。毫不奇怪的是，當數(shù)字總線帶來利潤的時候，集成商 和供應(yīng)商都站在同一戰(zhàn)線上?！坝脭?shù)字總線取代機器控制器、運動控制器和驅(qū)動器中的硬電線控制電路將大大減少布線，排除潛在的錯誤故障點和增加抗噪聲性 能?！?B&R公司 自動化技術(shù)部負責(zé)人Robert Muehlfellner說。

　　特征比比皆是

　　當硬電線系統(tǒng)發(fā)生故障時，尋找問題的根源可能是一個真正的挑戰(zhàn)。對于許多廠商來說，走向數(shù)字化的主要優(yōu)勢是具有更好的診 斷?！半S著我們數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在操作臺上的診斷變得很顯著?！?位于俄亥俄州，梭倫的Bardons & Oliver公司 工程部副經(jīng)理Rick Moscarino宣稱。

　　Bardons & Oliver公司制造數(shù)控車床和旋轉(zhuǎn)頭切割機(如圖1)，也是機器人集成商。Moscarino說：“應(yīng)用程序狀態(tài)，包括發(fā)送機負載、速度和警告消息都在 很容易地被操作人員掌握，調(diào)試更加直觀，為終端用戶和OEM廠商節(jié)省了時間和資金。最重要的是，該診斷信息能被集成到控制系統(tǒng)中?！?/p>

　　設(shè)置可能是消耗時間的，Moscarino解釋說：“但是我們技術(shù)員都經(jīng)過培訓(xùn)，由于他們具有一定的經(jīng)驗，這已經(jīng)成為了次要問題，在場地發(fā)生故障的情況下，重新啟動已經(jīng)相當簡單，我們通?？梢酝ㄟ^電話來支持終端用戶?！?/p>

　　EtherCat技術(shù)集團 PE,PMP,北美代表Joey Stubbs對數(shù)字運動控制網(wǎng)絡(luò)的其他診斷優(yōu)勢給出詳述?！半S著數(shù)字接口的發(fā)展，控制系統(tǒng)可以定期監(jiān)視每個內(nèi)部寄存器，以顯示溫度、電流、故障代碼、總線 電壓、編碼器故障和電線中斷，”Stubbs說，“可以檢查如制造商、固件修訂號和序列號等信息，以確保交換組件與合適的替代品交換?！?/p>

　　另一個供應(yīng)商認為： “隨著數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，驅(qū)動配置和維護可以通過主要控制器直接管理，”Rockwell自動化公司Logix運動市場部經(jīng)理Robert Hirschinger說：“這有助于支持目錄數(shù)字配置和減輕驅(qū)動固件更新。在控制器級上可以得到大量的驅(qū)動診斷和狀態(tài)信息。具有大型網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的OEMs 廠商從單個連接點易于監(jiān)視、維護和配置這些信息。

　　現(xiàn)代高性能的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通過板卡傳遞功能。Yaskawa 美國電子運動應(yīng)用工程部高級經(jīng)理Bill Faber說，“在應(yīng)用中，運動總線使控制類型更加靈活，如伺服放大器中關(guān)閉所有循環(huán)的能力，包括計算、扭轉(zhuǎn)、速度和位置。一個OEM廠商現(xiàn)在可以使用機 器控制器提供軌跡，具有較高的性能。因為當今的伺服放大器提供極高的帶寬，還有先進算法，如自動振動抑制和自適應(yīng)調(diào)整?！?/p>

　　分布式控制

　　對于許多廠商來說，數(shù)字總線優(yōu)于硬電線的最大優(yōu)點是它使分布式控制成為可能。分布式控制系統(tǒng)可以使用運動控制器來執(zhí)行許 多局部控制功能，還有機動車速度的閉環(huán)控制。用許多運動控制器提供的數(shù)字和模擬I/O實現(xiàn)功能。這些先進控制器不僅有I/O，它們還包括局部實時控制的編 程功能。

　　在主要控制器、運動控制器、其他類型遠程控制器和遠程I/O間使用高度數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)進行連接是可能的。分布式控制的強大形式使硬布線降低到最低限度。

　　盡管用硬電線，而不是用數(shù)字網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)分布式控制也是可能的，但實際上，這沒有任何意義。分布式網(wǎng)絡(luò)需要在控制器和I/O間不斷地與大量數(shù)據(jù)通信。通過數(shù)字運動總線很容易實現(xiàn)，但用硬電線實現(xiàn)是很困難的。

　　位于馬薩諸塞州，富蘭克林的Speedline科技公司 ，負責(zé)制造印刷電路板組裝的自動化處理機器，包括焊膏打印機、材料飲水機、微波爐和清潔機。

　　其模具打印機和飲水機通過CANopen總線協(xié)議實現(xiàn)分布式控制。每個機器至少有15個運動軸和50個I/O口。I/O 口主要是數(shù)字化的，與幾個模擬點混合。一臺電腦提供監(jiān)督控制，在每個軸上有一個智能運動控制器。約15個左右CANopen使能運動控制器處理局部運動控 制和I/O接口。如果需要，向運動控制器提供額外的CANopen總線I/O模塊。

　　“智能控制器允許我們以局部程度對實時集中任務(wù)進行控制，以減輕主機電腦上的負擔(dān)?！盨peedline公司主電氣工程師John Klauser解釋說。

　　數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的分布式控制通常需要對來自不同廠商的運動控制器進行混合和匹配，以最大限度地提高性能。美國國家儀器 DAQ/視覺/運動產(chǎn)品部經(jīng)理Christian Fritz指出：“常規(guī)標準允許客戶對每個任務(wù)選擇最佳機動控制器，隨著數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的分布式控制發(fā)展，驅(qū)動器不僅需要交換相關(guān)控制數(shù)據(jù)，而且需要傳輸狀態(tài) 信息和設(shè)置參數(shù)。只需改變配置，客戶就可以改變連接到控制器的電機類型，例如從感應(yīng)到永磁伺服電機?！?/p>

　　數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的分布式控制可以對許多運動部件的機器提供特殊優(yōu)勢，如機器人。在這些情況下，數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的布線降低意味著設(shè)計師只需要運行單排線，而不是大量硬電線。

　　ABB機器人公司制造焊接和其他機器人，其中許多機器人使用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)分布式控制(如圖2)。 ABB機器人公司 產(chǎn)品部經(jīng)理Per Carlsson指出：“隨著數(shù)字通信的發(fā)展，我們可以將驅(qū)動組件分布在遠離主控制器的位置，如在機器人內(nèi)部或機器人手臂上?！?/p>

　　好東西來之不易

　　當涉及到原始速度時，沒有什么能與硬電線相比，因此從硬電線到數(shù)字的改變需要特別注意速度要求。位于俄亥俄州，梅森的 Intelligrated公司控制和軟件開發(fā)部經(jīng)理Jeffrey Hanna說： “我們的主要挑戰(zhàn)是設(shè)計總線以保持其在所要求的更新速率上?！?/p>

　　集成供應(yīng)商提供倉儲、分配、郵政、包裹和生產(chǎn)環(huán)境的材料處理解決方案。它生產(chǎn)傳輸、定寸、堆積和排序的機械設(shè)備。其系統(tǒng)通常涵蓋非常大的地區(qū)，使數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計尤其具有挑戰(zhàn)性。

　　公司的運動系統(tǒng)使用至少80個伺服電機和變頻驅(qū)動器，所有這些設(shè)備都通過Profibus總線連接?！氨M管我們的要求不 包含多軸協(xié)調(diào)運動，但他們需要非常嚴格的速度控制，我們經(jīng)常需要多個網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，”Hanna繼續(xù)說，“根據(jù)需求，我們設(shè)計具有1毫秒，2毫秒或5毫秒更 新速率的網(wǎng)絡(luò)。Profibus-DP有固定的信息格式，基于網(wǎng)絡(luò)速度、節(jié)點數(shù)量和數(shù)據(jù)容量的更新速率是可預(yù)測的和確定性的。我們以1.5到12Mbps 速度運行網(wǎng)絡(luò)。電纜長度可能與銅材料有關(guān)，因此從控制器到網(wǎng)絡(luò)的第一個節(jié)點，我們使用光纖以滿足速度要求?！?/p>

　　為了減少抖動，分布式設(shè)備有自己的高速率系統(tǒng)時鐘，其與控制時鐘同步。Evans繼續(xù)說：“當設(shè)置輸入時，分布式設(shè)備捕 獲時間戳。然后該設(shè)備在同步數(shù)字現(xiàn)場總線上發(fā)送該時間戳，控制器推算事件發(fā)生時的時間位置。這使得抖動達到少于1毫米的精度。這也允許控制器推算出事件發(fā) 生時多軸所在的位置，不只是一個軸?！?/p>

　　如果只有一個數(shù)字網(wǎng)絡(luò)并且如果所有控制組件與該網(wǎng)絡(luò)連接，那么集成將變得很容易，但是情況并非如此?！耙驗榫W(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)可以改變，所以設(shè)備互操作性通常是一個與運動總線相關(guān)的問題，” Kollmorgen 產(chǎn)品生產(chǎn)線經(jīng)理Josh Jensen 指出，“不同的網(wǎng)絡(luò)具有不同程度的功能驗證和設(shè)備互操作性測試。這可能會導(dǎo)致延遲并產(chǎn)生費用，但假設(shè)堅持相同的規(guī)格選擇兩個設(shè)備時，區(qū)別可能并不明顯?！?為了解決該問題，Jensen說Kollmorgen公司保持SynqNet互操作實驗室，繼續(xù)對所有設(shè)備的組合進行測試。

　　數(shù)字化可以做到這一切嗎?

　　從理論上來說，一個具有良好設(shè)計的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)不需要任何輔助硬電線，但實際上情況并非總是如此?！按蠖鄶?shù)驅(qū)動器讓使能輸入端采用硬電線，因此即使總線通信中斷，驅(qū)動器可能被關(guān)閉?！毕冗M機械自動化公司的WoyaK指出。

　　盡管實現(xiàn)獨立的數(shù)字安全總線是可能的，但在所有應(yīng)用中，這并沒有任何意義?！氨M管許多廠商提供了安全數(shù)字總線，一些用戶 還是喜歡硬電線安全電路，因為不需要編程，或許還因為較低的硬件成本，”集成運動公司的Mullins指出，“使用安全數(shù)字總線的優(yōu)點對大系統(tǒng)來說是很顯 著的，安全運動功能在系統(tǒng)中由應(yīng)用程序來滿足?！?/p>

　　添加安全功能到運動總線通常是成本和性能的問題，而不是技術(shù)可行性問題。CAN 自動化公司管理部負責(zé)人Holger Zeltwanger說：“在CANopen和許多其他運動總線上，如果有足夠的帶寬，您可以將安全相關(guān)信息與非安全相關(guān)信息混合。借助于兩個網(wǎng)段，某些 系統(tǒng)設(shè)計師可能更傾向于獨立的安全和非安全消息，其通過網(wǎng)關(guān)或路由器互連接?！?/p>

　　隨著數(shù)字化運動控制網(wǎng)絡(luò)變得越來越普及，他們最終將納入整個控制系統(tǒng)中，廢除幾乎所有硬電線。B&R公司的 Muehlfellner預(yù)言：“驅(qū)動器中的集成安全功能將刪除對硬電線驅(qū)動使能信號的需要。這些驅(qū)動器也將提供額外的安全功能，如安全停滯——是電機能 在動力下保持的一種狀態(tài)，而機器是電子停止、安全停止、安全速度和更多的停止狀態(tài)。典型的驅(qū)動器I/O和限位開關(guān)，還有主編碼器，和家里一樣，也將被遠程 聯(lián)網(wǎng)?！?/p>

　　為了說得更直觀點，使用大家都明白的比喻，我們借用了設(shè)備制造商的一句話?！鞍踩δ艿耐耆W(wǎng)絡(luò)控制正在逐漸出現(xiàn)，” Speedline's Klauser相信，“如果自動汽車可以通過網(wǎng)絡(luò)駕馭和剎車，安全性可以通過類似方法在機器上實現(xiàn)?！?/p>

　　位于蘇塞克斯，威斯康星州的Quad Graphics 是一家商業(yè)印刷機公司。該公司的圖形再制造和技術(shù)(GR/T)部門所提供自動化和其他技術(shù)，領(lǐng)先于現(xiàn)有的印刷技術(shù)和定制膠印印刷機。無論是其印刷部門還是 精整部門，Quad公司已對現(xiàn)有的18多個印刷機進行了重新制造，還有配套設(shè)備。

　　對于運動控制，GR/T部門廣泛使用數(shù)字總線通信。GR/T部門的項目技術(shù)支持員Dave Leitinger 說：“我們的舊印刷機使用基于繼電器和硬電線連接的模擬控制平臺，處理器和通信速度緩慢，且不是實時性的。速度、模塊化和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是當今市場的關(guān)鍵因 素。隨著Profibus 和 Profinet的發(fā)展，我們已經(jīng)能夠?qū)⑾冗M的數(shù)字技術(shù)帶到再制造印刷行業(yè)。這使得我們能夠廢除舊線軸和慢速的HMIs，將IT世界帶到工廠車間?，F(xiàn)在我 們有能力模塊化輔助印刷設(shè)備， 并把具有開關(guān)翻轉(zhuǎn)功能的設(shè)備帶到生產(chǎn)線上?！?/p>

　　Leitinger 說，數(shù)字總線已經(jīng)為具有更多的帶寬、更高的可擴展性、TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)兼容性、安全集成和實時確定性的系統(tǒng)控制，打開了通信體系架構(gòu)。

　　目前的一個項目是對現(xiàn)有的印刷機重新制造，分為兩個獨立的印刷生產(chǎn)線，每個生產(chǎn)線能夠獨立在線完成生產(chǎn)?！拔覀儽仨毷褂?一個翻轉(zhuǎn)開關(guān)來關(guān)閉兩個生產(chǎn)線中的其中一個，將兩個印刷生產(chǎn)線變?yōu)閱蝹€生產(chǎn)線，” Leitinger指出，“這需要100多個Profibus總線，14個Profinet點，90個運動控制軸和28個HMIs?！彼羞@些組件同時必 須提供安全性集成和實時響應(yīng)。

　　Leitinger說：“通過高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)該控制系統(tǒng)，降低了安裝和硬件成本，Profinet能以250微秒的周 期實時性地滿足高速率要求，幾乎沒有延遲變化。除了新組件以外，新型控制系統(tǒng)需要更少的控制柜地面空間和開放拓撲設(shè)施。現(xiàn)在我們有了遠程訪問診斷工具，還 有生產(chǎn)所需要的數(shù)據(jù)捕獲?！?/p>

　　新型控制系統(tǒng)廢除了硬電線的安全控制?，F(xiàn)在安全站、警衛(wèi)和機動控制對西門子Simatic故障安全PLCs和具有安全扭轉(zhuǎn)切斷功能的Simatic驅(qū)動器是有線冗余和局部性的。

　　“Pofisafe的Profinet使我們在現(xiàn)場總線上批準安全信號，同時遵守所有安全性協(xié)議和標準，” Leitinger總結(jié)說，“這給予我們在現(xiàn)場總線上批準安全相關(guān)信息的優(yōu)勢，同時節(jié)省了額外和昂貴的布線費用?！?/p>

　　如何測量吞吐量

　　在運動控制系統(tǒng)中，從硬電線到數(shù)字網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的一個主要挑戰(zhàn)是能夠保持足夠的速度。原始規(guī)格只講述了故事的一部分

　　數(shù)字網(wǎng)絡(luò)標準組織 ODVA 公司的執(zhí)行董事Katherine Voss說：“網(wǎng)絡(luò)性能對分布式運動控制網(wǎng)絡(luò)的成功實現(xiàn)至關(guān)重要。然而，人們經(jīng)常錯誤使用線速作為性能的主要指標，而實際上對有效網(wǎng)絡(luò)，比原始數(shù)據(jù)速度有一個因素更加重要。

　　ODVA公司認為總的系統(tǒng)帶寬和總的協(xié)議效用至少與比特率同樣重要，據(jù)說吞吐量是帶寬最有效的措施，其也是衡量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體性能的最佳方式。對吞吐量合理有效的定義指基于邏輯決策，從一個事件變化的檢測(輸入)到驅(qū)動(輸出)的時間。

　　因此，ODVA說，吞吐量是幾個因素的結(jié)合，包括了協(xié)議效率(總數(shù)據(jù)包大小的數(shù)據(jù)比率)，網(wǎng)絡(luò)模型(信息流動模式/數(shù)字和消息頻率)，波特率(基于電線的原始比特速度)和節(jié)點處理時間。

　　Voss說：“對于分布式控制架構(gòu)，分布式運動控制系統(tǒng)是最嚴格的實例之一，通常需要大量的配置、局部化情報和復(fù)雜的算法以達到預(yù)期的機器性能?！?/p>

　　某些網(wǎng)絡(luò)如以太網(wǎng)/IP，其支持如I/O消息服務(wù)以配置軸和文件傳輸協(xié)議，與控制協(xié)議使用相同的電線。單點連接和內(nèi)置消息優(yōu)先權(quán)允許這種架構(gòu)提供給機械設(shè)計師分布系統(tǒng)，易于維護。

　　Voss說：“控制網(wǎng)絡(luò)的最大挑戰(zhàn)是添加或刪除工作單元以作功能變化，當工作單元的組合改變時，某些網(wǎng)絡(luò)需要大量的編程 修改或信息重新布局。數(shù)據(jù)流可以改變，引起中斷錯誤和破壞網(wǎng)絡(luò)效率。然而，面向?qū)ο竽Ｐ秃瓦壿嬏幚?，如以太網(wǎng)/IP使用的通用工業(yè)協(xié)議(CIP)允許工作 單元的添加或刪除，不需要其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重新配置或通信路徑?！?/p>