電機與驅動之間的通信協議分析和優(yōu)化

改進工業(yè)電機的設計以及與驅動裝置和其他系統的通信，可幫助工程師在工業(yè)機器和應用方面取得成功。

設計和部署電機驅動系統有助于提高自動化效率，并為生產過程的關鍵部件提供信息。電機和驅動裝置之間以及其它設備和系統之間的工業(yè)通信通常采用基于標準的協議，例如EtherCAT、EtherNet/IP和Profinet等。

三位來自通信協議組織的專家：PI用戶組織北美執(zhí)行董事 Michael Bowne、EtherCAT技術集團北美代表 Bob Trask 和 ODVA組織分布式運動和時間同步 SIG成員Paul Brooks，向我們介紹了工程師如何優(yōu)化電機驅動系統、改善工業(yè)電機通信、操作和安全。

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電機選擇標準

EtherCAT技術集團北美代表 Bob Trask認為，良好的電機通信有助于驅動器的設置。首先，需要選擇電機類型、編碼器以及負載類型、電流、功率、最大速度、參考速度以及其它關系。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，基于扭矩的運動或是基于電流的運動？是傾向集中式運動控制還是分布式運動控制？集中式運動控制消除了許多復雜性。

循環(huán)同步速度是一個 CANopen 術語，我發(fā)現它的應用越來越廣泛。用于驅動器和運動控制的 CiA DS402 設備配置文件是 EtherCAT使用的一種協議。CiA DS402 可在每個循環(huán)中提供更平穩(wěn)的定位。您可以選擇其他值進行周期監(jiān)控。

人們對電機驅動安全具有巨大并且逐步增長的興趣。集成安全是數據的最大消費者，正與驅動器進行更廣泛的集成。預測性維護信息的交流也正在增加，用戶可以嘗試在問題出現之前預測問題。

▲圖1：電機和驅動通信的信息類型包括過程數據、安全、配置、診斷、分析、時間同步、供應商專用功能和控制模型/模式。

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電機的分析和優(yōu)化

ODVA組織分布式運動和時間同步SIG成員Paul Brooks認為，運動控制的基石是在控制器和驅動器之間實時交換過程數據，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。

電機與驅動裝置的組合是一種在物理上移動物體的方式。確保運行人員的安全不僅僅是停止電機；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和運動控制系統。配置、診斷和分析是關鍵。可以獲得有關驅動器、電機及其對負載影響的信息。

運行人員可以利用這些分析信息，通常是通過人工智能和機器學習來改進短期實時控制和系統的長期流程優(yōu)化。這包括識別驅動器-電機對的惡化狀況，以及與之相連的機械負載的惡化狀況。在數據流的增長中，數據分析占了大頭。時間同步是一項關鍵的網絡服務，它允許協調運動控制，以確保驅動器和電機對時間有相同的理解。供應商或協議特定的信息是另一個重要的數據集。

ODVA在運動控制方面提供兩種獨立的運行模式，一種是簡單的I/O數據塊，標準化以提供供應商之間的互操作性，另一種是簡化的接口，通常從驅動器傳輸速度命令?？刂破骱万寗悠髦g有一種更高性能的運動接口，稱為CIP Motion。該應用配置文件提供了一個分布式模型的協作視圖，該視圖具有更好的集中模型。

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優(yōu)化電機驅動的通信

通常，驅動器有許多參數需要配置和參數化?！澳枰獙⒃O定值從控制器發(fā)送到驅動器?！盤I用戶組織北美執(zhí)行董事Michael Bowne說道?？刂破骺梢允强?a target="_blank">編程邏輯控制器（PLC）或工業(yè)PC，也可以是電機的專用控制器。

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

使用Profinet（基于以太網）進行集中控制。它可以是簡單對象，比如過程控制應用中的泵或風扇，一般會配置簡單的開環(huán)驅動器。沒有反饋，或者如果有，也是來自編碼器或伺服。不需要時鐘同步運行，因為這是一個非常簡單的應用。循環(huán)周期大約是幾十毫秒。其它應用可能需要更復雜的對象，例如將位置信息從PLC發(fā)送到驅動器的單軸定位。

伺服或編碼器為從驅動器到控制器的閉環(huán)控制提供反饋。這也不是通過時鐘同步的，因為它是單軸的，可能并不需要這樣做，但循環(huán)周期大約為1到10毫秒。在高性能領域，利用多路定位時鐘可以同步多個軸。

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

▲圖2：工具調用接口（TCI）是Profinet的一項功能，與 Profidrive的理念類似，即盡可能使驅動器的設置更易于運行。

04

助力智能制造

在智能制造中，通過模塊化機器的重復使用實現自組織生產，一臺機器可能具有多種不同的功能，可以放置在生產單元的多個不同位置。Brooks談道，機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現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打印等方面的推動下，批量生產開始進入消費包裝行業(yè)。在智能制造中，數字孿生預測我們所期望的操作。數字孿生為工程領域帶來了新的學科。數據科學家與主題專家合作，將異常工況轉化為正常運營、更好的報告、更好的系統監(jiān)控和更好的整體監(jiān)控。遠程工作人員可以將專業(yè)知識帶到機器上，而無需重新部署。

電機驅動通信接口的發(fā)展，有助于改善生產力、安全性和可持續(xù)性。它有助于更有效地運行電機以降低能源成本，并確定發(fā)生電機故障的原因。預測故障可以降低成本，并減少最糟糕的停機類型——計劃外停機的時間。高級診斷為維護人員在干預系統之前提供更多信息，從而縮短干預時間，這有助于提高生產力和運營效率?？沙掷m(xù)發(fā)展的核心是提高生產效率，從而降低對環(huán)境的總體制造成本。

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便捷的驅動配置和分析

Bowne認為，智能制造還與易用性有關，讓人們更容易完成任務，騰出時間進行應用分析以助力預測性維護，而不僅僅是優(yōu)化。工具調用接口（TCI）是Profinet的一項功能，與 Profidrive的理念類似，即盡可能使驅動器的設置更易于運行。工具調用接口將驅動器供應商的調試工具直接集成到PLC工程中，例如，IBC或控制網絡的設備。最終用戶可以在 PLC 設置中使用熟悉的 PLC 工程工具界面，并訪問供應商調試工具的所有功能。

這使得驅動器更易于設置，并易于將所有配置數據存儲在同一位置（在PLC項目中），避免在調試工具和PLC項目之間來回奔波。這是通過標準化的應用程序接口（API）來處理的。許多具有調試工具的驅動器供應商編寫了與此API相匹配的代碼，以便在PLC項目中使用工具。

信息模型有助于驅動器更快、更輕松地運行，尤其是OPC UA配套規(guī)范。OPC UA將類似Profidrive的應用配置文件向前推進了一步。Profidrive以一種標準化的方式配置所有參數，因此在驅動器、電機和控制器之間傳送時，它們看起來總是一樣的。一旦工廠運行良好，如何節(jié)省準備和清理數據以進行分析所需的時間？

在提供強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動數據。Profidrive的配套規(guī)范將驅動參數映射到OPC UA信息模型中。沒有實現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協議，或者需要進行一些基本分析，在此方面OPC UA可以提供幫助。

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編輯：黃飛

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