为什么值得探索用于运动控制的以太网

运动控制是典型自动化和控制系统中最苛刻的应用之一，正如我们之前在其他几篇文章中所指出的。多年来，它主要是传统现场总线（如CANopen）以及传统的外围组件互连卡的领域。这些技术有其相当多的限制（例如，相对微薄的带宽），但通常可靠且实施成本低廉。1然而，几年前就开始向工业以太网协议（包括PROFINET以及EtherNet/IP，EtherCat和许多其他协议）迈进，因为以太网被修改以解决其最大的缺点，特别是其标准办公室化身缺乏确定性。

以太网仍然是迄今为止最流行的办公网络标准集，并且在工厂环境中也比现场总线增长得更快。2015年初的一项调查发现，以太网节点的年增长率为17%，而传统现场总线的年增长率为7%。

随着时间的推移，以太网已变得比这些技术更可取，原因如下：

它开辟了将不同的网络融合为一个网络的可能性，在工厂车间和企业IT之间创建了一个不需要处理一堆不同协议的共同连接。这对于运动和机器控制尤其重要，这两者都在历史上被划分为多个现场总线，如DeviceNet，SafetyBUS p等。

它具有持久力。尽管以太网在几十年前就被商业引入，但它仍然是迄今为止最流行的办公网络标准集，并且在工厂环境中也比现场总线增长得更快。2015年初的一项调查发现，以太网节点的年增长率为17%，而传统现场总线的年增长率为7%。

它得到了广泛的支持，而不仅仅是在自动化行业。部件是大量制造的，因此，通常比操作现场总线和传统PCI网络基础设施所需的专用设备更具成本效益。安装和维护也更简单;不需要对单独的技术进行多次培训，可以使用标准组件。

最重要的是，以太网现在还可以提供确定性，这是任何运动控制应用的核心。一系列进步，例如用全双工交换和隔离冲突域取代CSMA/CD，以及IEEE 1588精确时间协议的不断完善，使以太网走上了成为工业系统可预测网络的道路。截至2016年初，包含IEEE 802.1和802.3规范部分内容的通用标准（如时间敏感网络（TSN））尚未完全可用，但工业以太网协议已经为确定性，经济高效和可扩展的运动控制提供了可行的解决方案。工业以太网协议可以处理要求苛刻的运动控制应用。

实现同一目标的不同方式

让我们简要了解每种应用如何提供运动和机器控制应用所需的确定性：

普罗菲特

标准TCP/IP堆栈可以通过PROFINET IRT通道绕过，该通道可以通过多种方式定义：

一种选择是通过同步节点的 ASIC;在此设置下，每个PROFINET IRT器件都有一个特殊的ASIC，用于处理节点同步和周期细分，并包含一个智能2端口或4端换机。

另一种可能性是使用一种解决方案，例如标准REM交换机，该解决方案可以配置为多种工业以太网协议，包括IRT。

总体而言，PROFINET IRT专为需要确定性亚微秒级时钟同步的系统而设计。小于 1 毫秒是周期时间的目标基线，而小于 1 微秒是抖动精度的理想选择。3为了达到这些目标，PROFINET IRT使用全双工快速以太网进行网络分段。它通过其带宽预留、调度和不同类型以太网流量的时域分离功能为其流量定义一条快速通道。

以太猫

EtherCAT利用动态处理，允许帧在返回主站之前以可忽略不计的时间延迟通过从站。这与标准以太网形成鲜明对比，标准以太网将帧发送到多个设备并等待所有设备响应和更新，在此过程中通常会有很多延迟。相反，EtherCAT从站会在数据到达时提取数据并写入响应。

EtherCAT协议还允许通过将众多设备的传入和传出数据合并到单个以太网帧中来优化带宽。通过这种方式，它减少了传输开销，并为I/O、驱动器和其他设备负载较重的网络提供了急需的支持。多轴伺服控制需要大量带宽，而 EtherCAT 可以成群结队地释放带宽。根据Machine Design引用的数据，使用EtherCAT的网络可以在不到250微秒的时间内采样和更新64个驱动器和一些额外的I / O。

以太网/IP

EtherNet/IP 维护标准以太网层，包括 TCP/IP 和 UDP/IP。这对工厂运营商来说非常方便，因为他们可以在整个网络中使用未经修改的以太网组件。然而，它通过扩展进行了几个关键的补充，关闭了以太网和传统现场总线之间的确定性。

CIP Sync 将 IEEE 1588 精确时间协议映射到通用工业协议使用的直观面向对象模型（除了较旧的 CompoNet、DeviceNet 和 ControlNet 现场总线之外，该模型是 EtherNet/IP 的基础）。这允许跨器件进行精确的时钟同步。

CIP 运动提供了一组应用配置文件，可在伺服、变频和/或矢量驱动器内关闭扭矩、速度和位置环。它可以通过运动规划器更新协调大量轴，只需 1 毫秒。

ODVA是监督CIP和EtherNet/IP开发的组织，它继续更新这些扩展，以满足控制器到驱动器接口和控制器间通信等关键要求。EtherNet/IP 作为一个整体，对于使用标准、未经修改的以太网进行运动控制来说，仍然是一个有吸引力的选择。

“CIP Motion在工业自动化的城市神话中打了一个洞”5罗克韦尔自动化的Paul Brooks在一篇关于工业IP Advantage的文章中解释道。“神话：标准以太网不能用于运动控制，因此需要开发基于以太网的东西;将时间片算法添加到设备的固件或硬件中，或者只是使用 CAT5 电缆和标准以太网网关构建专有网络。

正如这三种协议所表明的那样，运动控制是一项具有挑战性的任务，但可以通过工业以太网有效解决。现场总线并没有消失，但随着越来越多的企业希望简化其网络并为工业物联网做好准备，它们面临着激烈的竞争。

审核编辑：郭婷