新的簡單開放實時以太網(wǎng) （SORTE） 協(xié)議支持 4μs 周期時間

當(dāng)我們談?wù)?a target="_blank">工業(yè)或?qū)崟r以太網(wǎng)時，我們經(jīng)常提到工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如EtherCAT，PROFINET，Ethernet/IP，Sercos III和Ethernet PowerLink。我在工業(yè)強(qiáng)度博客上的工業(yè)以太網(wǎng)博客系列中寫過關(guān)于它們的文章。

這些工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)支持?jǐn)?shù)十微秒范圍內(nèi)的最小周期時間 - 舉一個具體的例子，PROFINET IRT v2.3支持低至31.25μs的周期時間。然而，工廠自動化和控制中的大多數(shù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用的周期時間都大于500μs;通常，周期時間在毫秒范圍內(nèi)。

因此，您可能會遇到以下問題： 為什么需要低至 4μs 的循環(huán)時間來交換過程數(shù)據(jù)？什么硬件可以支持如此短的循環(huán)時間？哪些或哪些標(biāo)準(zhǔn)支持這一點？ 在這篇博文中，我將嘗試回答這些問題。

支持低于10μs的周期時間為在工業(yè)和機(jī)械應(yīng)用中使用實時以太網(wǎng)開辟了一種全新的方式。讓我們首先回顧一些常用術(shù)語，以便我們在同一頁面上。

首先，在工業(yè)以太網(wǎng)的背景下，"實時"并不意味著快速！實時是指在確定性時間發(fā)生的事件，例如交換過程數(shù)據(jù)的周期時間。參見圖1。

圖 1：實時的定義

如果周期時間沒有與預(yù)期時間一起發(fā)生，則意味著存在延遲。通過測量多個周期的延遲，您可以確定工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的抖動。

"抖動"是確定性事件發(fā)生時的時間偏差。通常，您希望將抖動保持在最低限度。在工業(yè)以太網(wǎng)中，以太網(wǎng)物理 （PHY） 設(shè)備和媒體訪問控制單元 （MAC） 等有源組件會引入抖動。

另一個網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是"運行時延遲"，即以太網(wǎng)幀從發(fā)送方到達(dá)接收方所需的時間。運行時延遲是一個常量參數(shù)，由每個網(wǎng)絡(luò)組件（如以太網(wǎng)電纜、MAC 和 PHY）生成。由于運行時延遲是恒定的，因此可以在網(wǎng)絡(luò)的工程階段進(jìn)行補償，或者在運行時由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測量。

"周期時間"是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交換過程數(shù)據(jù)的恒定時間段。特定的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最短周期時間;回到我之前的例子，PROFINET的周期時間不能超過31.25μs。工廠和過程自動化中的許多工業(yè)網(wǎng)絡(luò)使用500μs到10ms之間的周期時間來交換過程數(shù)據(jù)。周期時間在網(wǎng)絡(luò)的工程階段選擇一次，在運行時不會改變。

那么，哪些應(yīng)用需要4μs的周期時間？讓我們看一個具體的工業(yè)應(yīng)用示例。銑削或計算機(jī)數(shù)控 （CNC） 機(jī)床由一個控制單元和多個步進(jìn)電機(jī)組成。參見圖2。

圖2：數(shù)控機(jī)床

控制單元使用兩個信號來控制步進(jìn)驅(qū)動器：步進(jìn)或脈沖序列輸出 （PTO） 信號用于控制電機(jī)必須轉(zhuǎn)動的步數(shù)，以及一個方向 （dir） 信號用于控制步進(jìn)電機(jī)的順時針或逆時針轉(zhuǎn)動。

每個步進(jìn)電機(jī)都需要步進(jìn)和DIR信號;這些信號以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接。步進(jìn)電機(jī)具有反饋 （FB） 和診斷信息，如電機(jī)軸位置、當(dāng)前溫度和故障信息。FB信息通過自定義接口發(fā)送回控制單元。

TI 開發(fā)了一個簡單的開放實時以太網(wǎng) （SORTE） 協(xié)議，支持 4μs 的周期時間。該協(xié)議可以傳輸四軸CNC機(jī)床的步進(jìn)和目錄信號;此外，它還在返回通道中傳輸FB和診斷信息。在4μs的周期時間內(nèi)，控制單元可以將步進(jìn)電機(jī)頻率驅(qū)動到250kHz。使用實時以太網(wǎng)的另一個好處是，當(dāng)您的解決方案從星形拓?fù)渥優(yōu)榫€路拓?fù)鋾r，您可以減少接線工作。總體而言，您現(xiàn)在將正向和反向通道組合在一根電纜中 – 參見圖 3。

圖 3：帶工業(yè)以太網(wǎng)的 CNC

過程數(shù)據(jù)（步驟、目錄、FB）受循環(huán)冗余校驗 （CRC） 保護(hù)。這使得系統(tǒng)能夠抵御電磁干擾（EMI）等環(huán)境干擾。

SORTE協(xié)議在可編程實時單元和工業(yè)通信子系統(tǒng)（PRU-ICSS）上運行，該系統(tǒng)是德州儀器的Sitara?和KeyStone?處理器中的工業(yè)外設(shè)。SORTE只在PRU-ICSS上運作;因此，ARM Cortex-A8、A9 或 A15 處理器（取決于設(shè)備系列）可用于工業(yè)應(yīng)用。

結(jié)論

SORTE 協(xié)議作為 TI Designs 參考設(shè)計系列發(fā)布，PRU 固件以源代碼形式提供，使您能夠區(qū)分產(chǎn)品的協(xié)議。

具有 4 kHz 控制環(huán)路的 250 軸 CNC 路由器，帶基于 SORTE 參考設(shè)計的 PRU-ICSS采用 PRU-ICSS 參考設(shè)計的簡單開放式實時以太網(wǎng) （SORTE） 器件

四軸數(shù)控機(jī)床是一個很好的例子，其中需要快速的過程數(shù)據(jù)周期時間，并且實時以太網(wǎng)非常適合其應(yīng)用。

4μs 循環(huán)時間可在 CNC 路由器演示面板上實現(xiàn) 250kHz 控制回路 - 在 SPS/IPC/Drive 貿(mào)易展上展示

帶 4 kHz 控制回路的 250 軸 CNC 路由器，帶基于 SORTE 參考設(shè)計板圖像的 PRU-ICSS

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SORTE 協(xié)議作為 TI Designs 參考設(shè)計系列發(fā)布，PRU 固件以源代碼形式提供，使您能夠區(qū)分產(chǎn)品的協(xié)議。

具有 4 kHz 控制環(huán)路的 250 軸 CNC 路由器，帶基于 SORTE 參考設(shè)計的 PRU-ICSS '''- ''' 采用 PRU-ICSS 參考設(shè)計的簡單開放式實時以太網(wǎng) （SORTE） 器件

審核編輯 黃宇