0引言

　　實時通信技術正在成為潮流，EthernetPOWERLINK技術是其中最早被開發(fā)和投入使用的實時通信技術，從它的應用中我們可以知道，實時通信的重大意義以及給我們帶來的巨大利益。今天，EthernetPOWERLINK技術已經(jīng)被廣泛地應用于各個機器控制領域，提供高速高精度的生產(chǎn)設備控制，本文主要概述幾類典型的行業(yè)應用案例。

　　1EthernetPOWERLINK的起源

　　從EthernetPOWERLINK的起源就可以看到，EthernetPOWERLINK技術是為了實際的應用需求而產(chǎn)生的，它不是一個在實驗室研究的技術，而是一個在2001年就被投入使用的技術，當時，某知名乳制品制造商計劃開發(fā)一個大型的生產(chǎn)系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中有超過2000多個I/O點分布在40個I/O站上，而且有50個伺服軸，為了生產(chǎn)系統(tǒng)的高速運行，需要所有的數(shù)據(jù)刷新周期不能大于5mS，當時，B&R為了這個系統(tǒng)開發(fā)了EthernetPOWERLINK技術，當時達到的指標是2.4mS。

　　2EthernetPOWERLINK在CNC與機器人領域中的應用

　　在工業(yè)應用中，存在著很多對于實時性要求非常高的環(huán)境，例如：CNC和機器人系統(tǒng)、高動態(tài)同步的運動控制應用、數(shù)據(jù)實時采集與測量、安全系統(tǒng)。流程工業(yè)中的監(jiān)控系統(tǒng)如SCADA、樓宇的BAS系統(tǒng)對于系統(tǒng)刷新的要求通常在100mS以上的級別，而輸送系統(tǒng)、回路調(diào)節(jié)如壓力、溫度、液位、流量通常在mS到數(shù)十個mS這個級別，而CNC與機器人則在uS～幾個10mS這個級別，對于高速同步的應用則可能在uS級。圖1示出了不同控制類型對實時性的要求。

　　圖1不同控制類型對實時性的要求

　　對于CNC系統(tǒng)而言，插補運算的結果需要通過總線送給各個執(zhí)行機構，我們知道：

　　ds=V*dt

　　ds-加工精度

　　V-加工速度

　　Dt-刷新周期

　　我們從這個簡單的公式中可以看到，例如我們對于加工速度為0.1mm的應用而言，其進給速度為0.1m/s的話，那么它的刷新速度需要達到1mS，插補周期越小則其加工的精度越高，而如果想在精度和進給速度方面都要提高的話，則刷新周期就必須降低，通常高端的CNC機床的刷新周期都在uS級。

　　對于機器人系統(tǒng)更是如此，當系統(tǒng)給定設定曲線后，機器人系統(tǒng)要將這些值轉化為機器人的動作路徑，根據(jù)不同的機器人類型如SCARA,并行SCARA、全關節(jié)型機器人而言，這是不同形式的齊次方程求解的過程，結果將會送給每個伺服軸作為其旋轉角度的參量，同樣道理如果希望機器人的加工精度和速度得到提高其變換計算的速度與數(shù)據(jù)刷新的周期都必須得到大幅度提高。

　　在沒有EthernetPOWERLINK技術之前，機器人系統(tǒng)的制造商使用的是專用的CNC和機器人系統(tǒng)，其內(nèi)部的總線均為專用的總線系統(tǒng)，刷新周期甚至高達100uS以下，但是，這個是考慮到位置環(huán)運算也是由主站執(zhí)行的情況，而對于今天的智能型伺服驅(qū)動器例如B&R的ACOPOS而言，位置環(huán)的計算都在本地執(zhí)行，EthernetPOWERLINK完全可以滿足其插補計算的高速響應要求。

　　圖2基于EthernetPOWERLINK和ACOPOS控制的機械手

　　在Staubli、ABB、Comau等知名的機器人制造商的系統(tǒng)中，EthernetPOWERLINK成為了數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡的首選。

　　2EthernetPOWERLINK在高速高精度同步運動控制領域中的應用

　　2.1印刷套色與電子齒輪同步

　　對于高動態(tài)同步控制而言，多個運動軸之間緊密的同步關系需要高速的總線提供各個軸的實時位置、速度等，由分布的運動單元自行計算其自身的位置環(huán)、速度環(huán)控制，例如在印刷機械的套色中，色標檢測到偏差(∆l1,∆l2,∆l3,∆l4,∆l5)后直接送至當?shù)氐奶幚韱卧M行濾波、線性化、編碼處理通過EthernetPOWERLINK的實時通信發(fā)送至CPU的套色算法處理單元，該單元通過耦合和解耦運算再將每個伺服需要調(diào)整的相位角∆θ1,∆θ2,∆θ3,∆θ4,∆θ5發(fā)送給每個伺服軸，伺服軸自身計算并作速度和位置環(huán)計算來控制電機的執(zhí)行，這個過程中，EthernetPOWERLINK提供了數(shù)據(jù)采集和指令下達的高速數(shù)據(jù)傳輸，使得各個伺服印刷單元之間的套色同步性得到保障。

　　圖3基于EthernetPOWERLINK和ACOPOS的印刷機套色控制

　　通常，對于速度在300m/min的印刷系統(tǒng)而言，保持高于+/-0.1mm的印刷精度，其套色任務處理的周期在mS級，而為了保證這工藝計算的執(zhí)行，則通信周期必須達到uS級-即高一個數(shù)量級的方式傳遞才能確保控制任務的實時性處理。

　　除了包含套色工藝的計算下，對于印刷機還要保持各個伺服軸之間的精確電子齒輪同步關系，出現(xiàn)偏差就是在為伺服單元提供一個微小的相位調(diào)整，而實際上它是通過一個設定的目標值通過速度的調(diào)整來實現(xiàn)的，當沒有偏差時，各個伺服軸之間也要嚴格遵循所設定的位置關系，例如電子齒輪同步，均需要通過EthernetPOWERLINK來傳遞數(shù)據(jù)。

　　EthernetPOWERLINK技術在印刷領域里包括凹版無軸傳動、瓦楞紙開槽印刷、圓壓圓模切、寬幅柔版、窄幅柔版、衛(wèi)星式柔版、報紙印刷等大型印刷系統(tǒng)里得到了廣泛的應用。相對而言，在各個領域的同步控制里，印刷機對于通信的實時性要求較為苛刻。

　　2.2EthernetPOWERLINK在塑料機械領域的應用

　　圖4基于EthernetPOWERLINK和ACOPOS控制的注塑機

　　在這個系統(tǒng)里，通過高速的實時以太網(wǎng)EthernetPOWERLINK，系統(tǒng)的開合模、射膠、熔膠、坐進退實現(xiàn)了整個注塑過程的高速精度定位與同步，除了運動控制的定位控制本身需要高速的通信，另外，射膠、保壓等需要高精度的閉環(huán)控制，對于高速的全電動注塑機而言，其閉環(huán)控制任務周期通常在1～2mS,那么，為了保證射膠和保壓的閉環(huán)精度，則通信的周期也必須達到uS級才可以。

　　同樣道理在全電動吹瓶機中，除了各個伺服軸的控制，壁厚控制的閉環(huán)算法也需要高速的通信來提供保證，以確保產(chǎn)品的高品質(zhì)。

　　在流延膜生產(chǎn)線、高速分切機以及化纖紡絲等對實時性要求較高的機器上，POWERLINK均有上佳發(fā)揮。

　　2.3EthernetPOWERLINK在紡織機械領域的應用

　　細紗超長車，對于傳統(tǒng)的細紗機而言，其錠子數(shù)通常在500個，而考慮生產(chǎn)效率與質(zhì)量等因素，1500錠的細紗超長車系統(tǒng)也被開發(fā)了出來。

　　在這個系統(tǒng)中前、中、后羅拉的長度較長，為了解決羅拉在旋轉過程中的機械扭曲，系統(tǒng)采用了在羅拉兩端的伺服驅(qū)動，即系統(tǒng)由三組，每組3個軸的系統(tǒng)構成，這樣兩端的伺服系統(tǒng)必須保持高速的同步，否則就會造成紗線成型質(zhì)量的偏差，它們與主軸構成跟隨的電子齒輪同步，而羅拉與鋼領板之間構成電子凸輪曲線關系也需要EthernetPOWERLINK提供更高的凸輪關系的同步數(shù)據(jù)，這些復雜的運動關系必須依賴于EthernetPOWERLINK的數(shù)據(jù)通信才能實現(xiàn)羅拉兩端同步、羅拉與鋼領板的電子凸輪紗線成型算法、以及與主軸的同步跟隨關系，另外，在系統(tǒng)突然掉電的情況下，EthernetPOWERLINK還要保證各個軸之間的同步停車。

　　圖5基于EthernetPOWERLINK和ACOPOS控制的1500錠細紗超長車

　　其它如在高速特里科經(jīng)編機的EBC（電子送經(jīng)）和ELS（電子橫移）控制中，尤其是在ELS中，針床的梳櫛之間的距離只有毫米級，而要在微小的空間里移動，并且編織出花形變化非常大的織物，各個直線電機的極高動態(tài)響應是其它總線無法實現(xiàn)的，其它如漿紗機的多單元同步、碳纖維高速卷繞頭、多軸向經(jīng)編機等等都有POWERLINK的應用。

　　3結束語

　　EthernetPOWERLINK的大量使用顯示了實時通信技術的廣闊應用前景，除了高動態(tài)響應要求，POWERLINK也可以應用于其它對于冗余、熱插拔、安全性有所要求的系統(tǒng)中。

　　隨著機器控制的要求越來越高，EthernetPOWERLINK技術也將繼續(xù)進展并得到更加廣泛的應用。

　　宋華振（1972~），男，貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司市場部經(jīng)理、工程師。多年從事工業(yè)自動化系統(tǒng)的開發(fā)和實施工作。加入貝加萊公司后曾從事銷售工作，在銷售工作中積累了豐富的經(jīng)驗，現(xiàn)任市場部經(jīng)理，主要從事市場營銷策劃和市場分析工作。