分析以太網(wǎng)為何用于運(yùn)動(dòng)控制

以太網(wǎng)正成為工業(yè)應(yīng)用中日益重要的網(wǎng)絡(luò)。

就運(yùn)動(dòng)控制而言，以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線以及其他技術(shù)（如外圍組件互連）歷來都是相互競爭的，用以在工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中獲得對(duì)一些最苛刻要求的工作負(fù)載的處理權(quán)限。運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用要求確定性（保證網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)將工作負(fù)載傳送至預(yù)定的節(jié)點(diǎn)），這是確保位置保持所必需的，這進(jìn)而又將確保驅(qū)動(dòng)器的精確停止、適當(dāng)?shù)募铀?減速以及其他任務(wù)。

標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE 802.3 以太網(wǎng)從未達(dá)到這方面的要求。即使全雙工交換和隔離沖突域淘汰了過時(shí)的 CSMA/CD 數(shù)據(jù)鏈路層，但它還是缺乏可預(yù)測性。此外，典型堆棧中的 TCP/IP 的高度復(fù)雜性并未針對(duì)實(shí)時(shí)流量的可靠傳送進(jìn)行優(yōu)化。因此，現(xiàn)場總線以及帶有基于 ASIC 的 PCI 卡的 PC 控制架構(gòu)一直是常見的運(yùn)動(dòng)控制解決方案。

從 EtherNet/IP? 到 EtherCAT? 的以太網(wǎng)解決方案以其獨(dú)特的方式克服了這些缺點(diǎn)。盡管工業(yè)以太網(wǎng)相較于別的替代技術(shù)還有一些其它優(yōu)勢，然而它在運(yùn)動(dòng)控制中還遠(yuǎn)沒有占到主導(dǎo)地位。我們來看看它能夠并且將會(huì)在未來幾年的競爭中越來越被接受的三個(gè)原因。

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融合而不是增加復(fù)雜性

隨著時(shí)間的推移，企業(yè) IT 與工廠之間的互聯(lián)不斷增加，導(dǎo)致了系統(tǒng)更復(fù)雜，往往將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線混合使用。例如，機(jī)器可能會(huì)利用：

這樣的網(wǎng)絡(luò)很復(fù)雜，而且它的建立和維護(hù)也很昂貴。每個(gè)協(xié)議都需要各自的實(shí)施程序、安裝人員和培訓(xùn)。相比之下，以太網(wǎng)提供了將適用于運(yùn)動(dòng)、安全等的不同網(wǎng)絡(luò)融合到經(jīng)濟(jì)高效的基礎(chǔ)架構(gòu)上的可能性，該架構(gòu)布線更容易，獲得供應(yīng)商的廣泛支持，并能適應(yīng)未來要求。

以太網(wǎng)提供了不同網(wǎng)絡(luò)融合的可能性 。

EtherNet/IP 協(xié)議體現(xiàn)了如何在實(shí)踐中充分發(fā)揮融合的作用。通過使用 TCP/IP 和 UDP/IP 等標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)、輔以 CIP Sync（用于實(shí)現(xiàn)分布式時(shí)鐘 IEEE 1588 精確時(shí)間協(xié)議同步）等特性，集成的交換式系統(tǒng)可以同時(shí)適應(yīng)商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用。

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確定性適用于運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)控制依賴于精確通信。這種精確性通過使用基于時(shí)隙的調(diào)度來支持，每個(gè)設(shè)備在調(diào)度策略中都有一個(gè)與其它設(shè)備進(jìn)行通信的調(diào)度表。這些伺服驅(qū)動(dòng)器和控制器計(jì)算出它們各自的時(shí)序，由此可計(jì)算出控制函數(shù)的?T值。但是，如果數(shù)據(jù)傳輸變得無法預(yù)測，則可能會(huì)丟失結(jié)果，因此需要確定性來確保環(huán)路的穩(wěn)定性。

以太網(wǎng)能夠支持工廠中苛刻的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。

在某些情況下，通過直接集成于英特爾?芯片內(nèi)的加速器電路在 EtherNet/IP 中實(shí)施 IEEE 1588，只是以太網(wǎng)解決方案用于強(qiáng)制確定性的一種常見機(jī)制。EtherCAT 的高速實(shí)時(shí)處理是運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中如何實(shí)現(xiàn)始終如一的預(yù)測性能的另一個(gè)示例。EtherCAT 突破了基于 PCI 的集中式通信的嚴(yán)格物理限制，即要求機(jī)器處理單元和伺服處理器之間可快速通信但需要保持短距離。

Jason Goerges 在發(fā)表于2010年Machine Design的一篇文章中解釋道：

基于 EtherCAT 的分布式處理器架構(gòu)具備寬帶寬、同步性和物理靈活性，可與集中式控制的功能相媲美并兼具分布式網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。

事實(shí)上，一些采用這種方式的處理器可以控制多達(dá)64個(gè)高度協(xié)調(diào)的軸（包括位置、速度和電流環(huán)以及換向），采樣速率和更新速率為 20 kHz。

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面向IIoT的長期可行性

以太網(wǎng)自作為一種局域網(wǎng)技術(shù)問世以來，已經(jīng)過一系列發(fā)展。鑒于傳統(tǒng)現(xiàn)場總線組件目前的制造規(guī)模較小，而 PCI 正面臨逐漸成為過時(shí)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)，以太網(wǎng)經(jīng)過不斷發(fā)展，現(xiàn)已完全有能力為以IP為核心的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)。

即將到來的改進(jìn)（如時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)將完善 IEEE 1588 并支持網(wǎng)絡(luò)融合的可能性）也使以太網(wǎng)成為當(dāng)前和未來運(yùn)動(dòng)控制的理想選擇。這并不是說現(xiàn)場總線和 PCI 將會(huì)消亡，只是隨著自動(dòng)化行業(yè)邁向 IIoT，以太網(wǎng)的優(yōu)勢將持續(xù)提升。