如何優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)的通信協(xié)議探討

改進(jìn)工業(yè)電機(jī)的設(shè)計(jì)以及與驅(qū)動(dòng)裝置和其他系統(tǒng)的通信，可幫助工程師在工業(yè)機(jī)器和應(yīng)用方面取得成功。

設(shè)計(jì)和部署電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有助于提高自動(dòng)化效率，并為生產(chǎn)過程的關(guān)鍵部件提供信息。電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置之間以及其它設(shè)備和系統(tǒng)之間的工業(yè)通信通常采用基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，例如EtherCAT、EtherNet/IP和Profinet等。

三位來自通信協(xié)議組織的專家：PI用戶組織北美執(zhí)行董事 Michael Bowne、EtherCAT技術(shù)集團(tuán)北美代表 Bob Trask 和 ODVA組織分布式運(yùn)動(dòng)和時(shí)間同步 SIG成員Paul Brooks，向我們介紹了工程師如何優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、改善工業(yè)電機(jī)通信、操作和安全。

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電機(jī)選擇標(biāo)準(zhǔn)

EtherCAT技術(shù)集團(tuán)北美代表 Bob Trask認(rèn)為，良好的電機(jī)通信有助于驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置。首先，需要選擇電機(jī)類型、編碼器以及負(fù)載類型、電流、功率、最大速度、參考速度以及其它關(guān)系。接下來需要考慮的是模式。選擇使用定位模式嗎？是基于位置控制嗎？還是基于速度，基于扭矩的運(yùn)動(dòng)或是基于電流的運(yùn)動(dòng)？是傾向集中式運(yùn)動(dòng)控制還是分布式運(yùn)動(dòng)控制？集中式運(yùn)動(dòng)控制消除了許多復(fù)雜性。

循環(huán)同步速度是一個(gè) CANopen 術(shù)語，我發(fā)現(xiàn)它的應(yīng)用越來越廣泛。用于驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制的 CiA DS402 設(shè)備配置文件是 EtherCAT使用的一種協(xié)議。CiA DS402 可在每個(gè)循環(huán)中提供更平穩(wěn)的定位。您可以選擇其他值進(jìn)行周期監(jiān)控。

人們對電機(jī)驅(qū)動(dòng)安全具有巨大并且逐步增長的興趣。集成安全是數(shù)據(jù)的最大消費(fèi)者，正與驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行更廣泛的集成。預(yù)測性維護(hù)信息的交流也正在增加，用戶可以嘗試在問題出現(xiàn)之前預(yù)測問題。

▲圖1：電機(jī)和驅(qū)動(dòng)通信的信息類型包括過程數(shù)據(jù)、安全、配置、診斷、分析、時(shí)間同步、供應(yīng)商專用功能和控制模型/模式。

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電機(jī)的分析和優(yōu)化

ODVA組織分布式運(yùn)動(dòng)和時(shí)間同步SIG成員Paul Brooks認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)控制的基石是在控制器和驅(qū)動(dòng)器之間實(shí)時(shí)交換過程數(shù)據(jù)，包括速度模式、位置模式、位置指令、速度指令、扭矩指令，反饋位置、速度扭矩和狀態(tài)信息。

電機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的組合是一種在物理上移動(dòng)物體的方式。確保運(yùn)行人員的安全不僅僅是停止電機(jī)；它還涉及以安全的方式、安全的速度、安全的扭矩等操作電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。配置、診斷和分析是關(guān)鍵。可以獲得有關(guān)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)及其對負(fù)載影響的信息。

運(yùn)行人員可以利用這些分析信息，通常是通過人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)來改進(jìn)短期實(shí)時(shí)控制和系統(tǒng)的長期流程優(yōu)化。這包括識(shí)別驅(qū)動(dòng)器-電機(jī)對的惡化狀況，以及與之相連的機(jī)械負(fù)載的惡化狀況。在數(shù)據(jù)流的增長中，數(shù)據(jù)分析占了大頭。時(shí)間同步是一項(xiàng)關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，它允許協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，以確保驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)對時(shí)間有相同的理解。供應(yīng)商或協(xié)議特定的信息是另一個(gè)重要的數(shù)據(jù)集。

ODVA在運(yùn)動(dòng)控制方面提供兩種獨(dú)立的運(yùn)行模式，一種是簡單的I/O數(shù)據(jù)塊，標(biāo)準(zhǔn)化以提供供應(yīng)商之間的互操作性，另一種是簡化的接口，通常從驅(qū)動(dòng)器傳輸速度命令?？刂破骱万?qū)動(dòng)器之間有一種更高性能的運(yùn)動(dòng)接口，稱為CIP Motion。該應(yīng)用配置文件提供了一個(gè)分布式模型的協(xié)作視圖，該視圖具有更好的集中模型。

03

優(yōu)化電機(jī)驅(qū)動(dòng)的通信

通常，驅(qū)動(dòng)器有許多參數(shù)需要配置和參數(shù)化?！澳枰獙⒃O(shè)定值從控制器發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器?！盤I用戶組織北美執(zhí)行董事Michael Bowne說道。控制器可以是可編程邏輯控制器（PLC）或工業(yè)PC，也可以是電機(jī)的專用控制器。

然后驅(qū)動(dòng)器發(fā)回實(shí)際值，如扭矩、電流、速度、位置、設(shè)定斜率和單位以及其它參數(shù)。在Profinet中，這些接口由應(yīng)用類定義。實(shí)際值和設(shè)定值（特別是實(shí)際值），可以從驅(qū)動(dòng)器發(fā)回到中央控制器，或者驅(qū)動(dòng)器可以與驅(qū)動(dòng)器通信。

使用Profinet（基于以太網(wǎng)）進(jìn)行集中控制。它可以是簡單對象，比如過程控制應(yīng)用中的泵或風(fēng)扇，一般會(huì)配置簡單的開環(huán)驅(qū)動(dòng)器。沒有反饋，或者如果有，也是來自編碼器或伺服。不需要時(shí)鐘同步運(yùn)行，因?yàn)檫@是一個(gè)非常簡單的應(yīng)用。循環(huán)周期大約是幾十毫秒。其它應(yīng)用可能需要更復(fù)雜的對象，例如將位置信息從PLC發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器的單軸定位。

伺服或編碼器為從驅(qū)動(dòng)器到控制器的閉環(huán)控制提供反饋。這也不是通過時(shí)鐘同步的，因?yàn)樗菃屋S的，可能并不需要這樣做，但循環(huán)周期大約為1到10毫秒。在高性能領(lǐng)域，利用多路定位時(shí)鐘可以同步多個(gè)軸。

對于亞毫秒級的循環(huán)周期是需要反饋的。這就需要交換帶時(shí)間同步的設(shè)定值和實(shí)際值。在某一個(gè)應(yīng)用中有效的功能，在另一個(gè)高性能應(yīng)用中可能并不需要，反之亦然。

▲圖2：工具調(diào)用接口（TCI）是Profinet的一項(xiàng)功能，與 Profidrive的理念類似，即盡可能使驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置更易于運(yùn)行。

04

助力智能制造

在智能制造中，通過模塊化機(jī)器的重復(fù)使用實(shí)現(xiàn)自組織生產(chǎn)，一臺(tái)機(jī)器可能具有多種不同的功能，可以放置在生產(chǎn)單元的多個(gè)不同位置。Brooks談道，機(jī)器需要能確定它自己身處何處，以及從哪里獲得所需的配方。所有制造商都在努力實(shí)現(xiàn)輕量化工廠以提高效率和減少用人成本，并更好地保障勞動(dòng)力的安全，尤其是在可用工人減少的情況下。

在增材制造、3D打印等方面的推動(dòng)下，批量生產(chǎn)開始進(jìn)入消費(fèi)包裝行業(yè)。在智能制造中，數(shù)字孿生預(yù)測我們所期望的操作。數(shù)字孿生為工程領(lǐng)域帶來了新的學(xué)科。數(shù)據(jù)科學(xué)家與主題專家合作，將異常工況轉(zhuǎn)化為正常運(yùn)營、更好的報(bào)告、更好的系統(tǒng)監(jiān)控和更好的整體監(jiān)控。遠(yuǎn)程工作人員可以將專業(yè)知識(shí)帶到機(jī)器上，而無需重新部署。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)通信接口的發(fā)展，有助于改善生產(chǎn)力、安全性和可持續(xù)性。它有助于更有效地運(yùn)行電機(jī)以降低能源成本，并確定發(fā)生電機(jī)故障的原因。預(yù)測故障可以降低成本，并減少最糟糕的停機(jī)類型——計(jì)劃外停機(jī)的時(shí)間。高級診斷為維護(hù)人員在干預(yù)系統(tǒng)之前提供更多信息，從而縮短干預(yù)時(shí)間，這有助于提高生產(chǎn)力和運(yùn)營效率?？沙掷m(xù)發(fā)展的核心是提高生產(chǎn)效率，從而降低對環(huán)境的總體制造成本。

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便捷的驅(qū)動(dòng)配置和分析

Bowne認(rèn)為，智能制造還與易用性有關(guān)，讓人們更容易完成任務(wù)，騰出時(shí)間進(jìn)行應(yīng)用分析以助力預(yù)測性維護(hù)，而不僅僅是優(yōu)化。工具調(diào)用接口（TCI）是Profinet的一項(xiàng)功能，與 Profidrive的理念類似，即盡可能使驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置更易于運(yùn)行。工具調(diào)用接口將驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)商的調(diào)試工具直接集成到PLC工程中，例如，IBC或控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。最終用戶可以在 PLC 設(shè)置中使用熟悉的 PLC 工程工具界面，并訪問供應(yīng)商調(diào)試工具的所有功能。

這使得驅(qū)動(dòng)器更易于設(shè)置，并易于將所有配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一位置（在PLC項(xiàng)目中），避免在調(diào)試工具和PLC項(xiàng)目之間來回奔波。這是通過標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序接口（API）來處理的。許多具有調(diào)試工具的驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)商編寫了與此API相匹配的代碼，以便在PLC項(xiàng)目中使用工具。

信息模型有助于驅(qū)動(dòng)器更快、更輕松地運(yùn)行，尤其是OPC UA配套規(guī)范。OPC UA將類似Profidrive的應(yīng)用配置文件向前推進(jìn)了一步。Profidrive以一種標(biāo)準(zhǔn)化的方式配置所有參數(shù)，因此在驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和控制器之間傳送時(shí)，它們看起來總是一樣的。一旦工廠運(yùn)行良好，如何節(jié)省準(zhǔn)備和清理數(shù)據(jù)以進(jìn)行分析所需的時(shí)間？

在提供強(qiáng)大的信息模型以使其盡可能簡單方面，OPC UA發(fā)揮著重要作用。隨著IT/OT的不斷融合，用戶希望在邊緣獲得更多驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。Profidrive的配套規(guī)范將驅(qū)動(dòng)參數(shù)映射到OPC UA信息模型中。沒有實(shí)現(xiàn)IT/OT融合的小型制造企業(yè)，可能需要在同一條線路上使用多個(gè)協(xié)議，或者需要進(jìn)行一些基本分析，在此方面OPC UA可以提供幫助。

編輯：黃飛

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