1. 引言：民族伺服產(chǎn)業(yè)星火燎原
對于國人而言，現(xiàn)代永磁交流伺服技術(shù)的硬件和算法瓶頸目前早已不復(fù)存在，與十幾年年前相比，全數(shù)字交流伺服已不再是什么高不可攀的先進(jìn)技術(shù)，這可以歸功于以下幾點(diǎn)：
1）首先是近些年來以永磁交流伺服技術(shù)為代表的現(xiàn)代伺服技術(shù)的性能不斷提升，成本不斷下降，應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模不斷擴(kuò)大，伺服應(yīng)用技術(shù)已然在國內(nèi)工業(yè)自動化行業(yè)中取得了越來越廣泛的應(yīng)用和普及，同時以矢量控制、SVPWM和數(shù)字PID技術(shù)為基礎(chǔ)的永磁交流伺服技術(shù)也逐漸為越來越多的國人所掌握。
2）其次是國內(nèi)伺服電機(jī)制造能力的空前提升，十幾年前，國內(nèi)只有華大電機(jī)，蘭州電機(jī)廠，冶金部自動化院華騰數(shù)控等少數(shù)幾家企業(yè)具備永磁伺服電機(jī)的制造能力，而且產(chǎn)能極為有限。隨著伺服應(yīng)用的普及，國內(nèi)伺服電機(jī)的制造能力也得到空前提升，目前僅廣州數(shù)控、華大電機(jī)、登奇電機(jī)、珠海運(yùn)控等企業(yè)的年產(chǎn)銷量之和就很可能已經(jīng)突破了20萬臺，再加上臺達(dá)、東元、蘇強(qiáng)電機(jī)、沈陽博孚、杭州米格、南京埃斯頓、浙江臥龍等企業(yè)，實(shí)際產(chǎn)能只會更大。
3）再則是DSP和MCU等芯片技術(shù)的快速發(fā)展，造就了眾多的可專用于伺服控制的DSP和MCU等單芯片控制器資源，比如TI公司的2000系列DSP、ADI公司的29000系列DSP、Freescale的F56800系列DSP、Microchip公司的dsPIC32系列DSC、以及ST公司的Cortex-M3內(nèi)核的ARM單片機(jī)、Renesas和NEC的32位高性能RISC單片機(jī)等等，與此同時，掌握DSP和ARM等單芯片開發(fā)技術(shù)的工程師群體也在不斷壯大。
4）最后是以IGBT為核心的功率集成模塊PIM和智能功率模塊IPM技術(shù)不斷推陳出新，新品層出不窮，比如Eupec、Semikon、Tyco、Microsemi等公司的PIM，三菱、東芝、Fairchild等公司的IPM，加上Avago、IR、Fairchild、東芝、夏普等公司的IGBT柵極驅(qū)動光耦和高耐壓柵極驅(qū)動器產(chǎn)品的不斷完善和推出，功率驅(qū)動技術(shù)也越來越容易實(shí)現(xiàn)，越來越安全，越來越普及。
上述因素綜合在一起，共同促就了國內(nèi)伺服產(chǎn)業(yè)在短短的不足十年時間里實(shí)現(xiàn)了從起步到全面擴(kuò)展的展態(tài)勢。近些年來，不甘寂寞的國內(nèi)工業(yè)自動化相關(guān)企業(yè)已開始紛紛投入到伺服驅(qū)動器產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)中來，比如數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)中的華中數(shù)控、廣州數(shù)控、航天數(shù)控、上海開通、圣維數(shù)控、大連光洋等，電機(jī)和驅(qū)動企業(yè)中的華大電機(jī)、登奇電機(jī)、珠海運(yùn)控、和利時電機(jī)、南京埃斯頓、桂林星辰、東元等，運(yùn)動控制相關(guān)企業(yè)中的深圳眾為興、深圳步進(jìn)等，乃至曾幾何時以變頻器為龍頭產(chǎn)品的臺達(dá)、普傳、匯川等都已紛紛投身伺服產(chǎn)業(yè)。
就如十幾年前的步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)和變頻驅(qū)動技術(shù)的普及和開發(fā)熱潮一樣，國內(nèi)伺服技術(shù)開發(fā)和自有品牌的伺服產(chǎn)品已大有星火燎原之勢。
2.現(xiàn)狀：民族伺服接口技術(shù)裹足不前
如前所述，以廣數(shù)、華大電機(jī)為代表的民族數(shù)控和伺服廠商以其經(jīng)濟(jì)型（低端）戰(zhàn)略已經(jīng)成功地在中國伺服市場占領(lǐng)了一席之地，然而在中高端伺服市場，尚沒有可以在性能和功能上足以和歐美日中高端伺服產(chǎn)品一較高下的民族伺服產(chǎn)品，因此目前國內(nèi)伺服產(chǎn)業(yè)的繁榮至多也只不過是在“后步進(jìn)”時代的低端通用伺服技術(shù)泛濫的結(jié)果，民族伺服產(chǎn)業(yè)的內(nèi)部競爭態(tài)勢就“紅海”和“藍(lán)海”而言大概也只在一線之間，業(yè)內(nèi)廠家還沒有足夠的勇氣和底氣令國內(nèi)伺服市場不再是國外企業(yè)的藍(lán)海，尤其是中高端伺服市場，國人仍舊處于可望而不可及的境地，任由大把的銀子被國外中高端伺服產(chǎn)品毫不留情地以高價格賺走。
難道國人就只能一方面在低端伺服市場拼得你死我活、殺得頭破血流，另一方面卻要眼睜睜地看著外國人毫不費(fèi)力地在中高端伺服市場賺得盆滿缽滿，滿載而歸嗎？我們就不能把戰(zhàn)火延伸到中高端伺服市場，乃至燒到外國人的老家嗎？！情緒的宣泄往往和事實(shí)之間存在著巨大的差異，國內(nèi)伺服技術(shù)是繼續(xù)走低端替代之路呢？還是向中高端有所突破？這不僅僅是從事該行業(yè)的技術(shù)人員的困惑和心痛，也是該行業(yè)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人的痛苦抉擇。畢竟做高端不是那么容易，資金投入，技術(shù)來源，人力資源，采購供應(yīng)，制造保障，市場聲譽(yù)，營銷成本等等都將制約走向中高端之路，因此走向中高端，雖然是伺服業(yè)界技術(shù)人員的夢想，卻也是伺服業(yè)界決策人員的雷池?？傊^續(xù)走低端還是開始邁向中高端，這是國內(nèi)伺服相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展到今天不得不面臨的一個兩難局面。
就國內(nèi)伺服的接口技術(shù)而言，之所以長期裹足不前，幾乎始終固守于脈沖串接口，其實(shí)存在著一些歷史的和系統(tǒng)的必然因素：
1）仿制和替代的需求
國人在工業(yè)技術(shù)上的落后和缺乏創(chuàng)新能力是長期以來不爭的事實(shí)，然而又不甘于受制于人，眼瞅著大把的利潤被外國人拿走，因而當(dāng)國人的技術(shù)能力和認(rèn)識水平足以仿制一款進(jìn)口產(chǎn)品時，就會紛至踏來，競相模仿，始于上世紀(jì)90年代中期的步進(jìn)熱潮，變頻熱潮就是很好的例證。近十年來，隨著電機(jī)技術(shù)，控制算法，DSP，電力電子技術(shù)日益為國人所掌握和領(lǐng)會，做伺服已經(jīng)不再是象牙塔中陽春白雪的研究，而是國人可以普遍為之的、有利可圖之的產(chǎn)業(yè)，因而就做起來了。不過，由于是初級階段，加之又多年深受近鄰日本有意無意的影響，日系低端通用伺服產(chǎn)品早已被國人用慣了，所以本著替代日系低端通用伺服產(chǎn)品和搶占市場的目標(biāo)，仿制也就成了必然之舉。
2）市場現(xiàn)實(shí)和技術(shù)慣性的需求
由于日系低端通用伺服產(chǎn)品在國內(nèi)的使用和影響已然根深蒂固，而且國人早已習(xí)慣于在步進(jìn)電機(jī)時代使用脈沖接口形式，因此采用步進(jìn)接口不僅簡單，而且可以直接替代步進(jìn)電機(jī)，提升產(chǎn)品檔次，改善產(chǎn)品技術(shù)形象。我們不妨可以稱這種廣泛采用脈沖接口技術(shù)的簡易伺服技術(shù)為“后步進(jìn)時代”的低端伺服技術(shù)。以國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的演進(jìn)歷史來說，本來引進(jìn)的FANUC3系統(tǒng)是以模擬接口實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，到了Kxx手里，卻逐步演化成了步進(jìn)電機(jī)接口，乃至如今的脈沖伺服接口；還有引進(jìn)的FANUC6系統(tǒng)，變?yōu)镚xx的98x后，起初也不用脈沖接口，可是仍有用戶要求使用脈沖接口，于是就只能補(bǔ)上個脈沖接口，只是可惜了FANUC6應(yīng)有的性能。
3）技術(shù)能力使然
目前仍舊是國內(nèi)伺服技術(shù)的初級階段，因而還存在技術(shù)能力上的問題。伺服和電機(jī)本身的技術(shù)能力可能還不足以支撐一個高性能的伺服產(chǎn)品體系，因而即便是配上高性能的總線，也會不免顯得有些多余和滑稽。而且國人對總線技術(shù)的認(rèn)識和掌握能力也有限，況且總線化不僅僅是伺服的問題，上位的控制系統(tǒng)也得總線化，可是國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)目前連全閉環(huán)都懶得做，廣義運(yùn)控系統(tǒng)也還遠(yuǎn)不成氣候，眼下哪兒還會顧及總線問題？所以說技術(shù)能力是一個涉及系統(tǒng)化的問題和難題，也就是說，伺服的總線化，應(yīng)與系統(tǒng)的總線化同步推行，方有市場價值，這個推行過程本身也將是國人技術(shù)認(rèn)識水平和產(chǎn)業(yè)能力提升的過程。
3.國外：總線化伺服接口技術(shù)戰(zhàn)火正酣
早在國人還醉心于仿制脈沖串接口的日系低端通用伺服產(chǎn)品之前，歐美日的中高端伺服技術(shù)體系就已經(jīng)紛紛擺脫了通過模擬接口進(jìn)行高精度速度和電流控制或者結(jié)合上位控制器進(jìn)行位置全閉環(huán)控制的傳統(tǒng)模式，走上了通過同步化串行總線技術(shù)進(jìn)行分布式智能驅(qū)動的道路。根據(jù)總線傳輸所依賴的物理介質(zhì)的不同，大致可以分為以下幾類：
1）基于RS-485和線驅(qū)動技術(shù)的串行總線技術(shù)
CANopen是相對中立的Cia組織公布的一整套協(xié)議，其中包括和運(yùn)動控制有關(guān)的伺服通訊協(xié)議，在歐美中低端伺服產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，不足之處在于基于CAN總線協(xié)議，屬事件觸發(fā)型總線，不具備嚴(yán)格的時間同步機(jī)制。其優(yōu)勢在于目前很多DSP和MCU上都集成有CAN總線控制器接口。
DeviceNet是以Rockwell為主要發(fā)起人的ODVA組織在CAN總線基礎(chǔ)上開發(fā)的一套包括伺服控制的通訊協(xié)議，與CANopen類似，由于是基于CAN總線協(xié)議，也屬余事件觸發(fā)型總線，不具備嚴(yán)格的時間同步機(jī)制，在歐美日中低端伺服產(chǎn)品中應(yīng)用非常廣泛。
Profibus DP是Siemens公司特有的Profibus總線技術(shù)中的一種類型，具備一定能力的軟實(shí)時同步觸發(fā)機(jī)制，在伺服接口技術(shù)中有較多應(yīng)用，但影響力遠(yuǎn)不及Profibua本身，這可能源于其不上不下的性能和相對較高的技術(shù)復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)成本。
三菱公司特有的SSCNET II，安川公司發(fā)起的MECHATRObbbb-II，等專用于伺服接口的串行總線技術(shù)也基于RS-485，而且從協(xié)議機(jī)制上都具備較好的時間同步能力，但是SSCNET II并非開放式協(xié)議，MECHATRObbbb-II的技術(shù)影響力也頗為有限。
Siemens公司的840和810中高端數(shù)控系統(tǒng)中與伺服互聯(lián)有關(guān)的總線也是基于RS-485的某種實(shí)時總線技術(shù)，可能未必是純粹的串行總線，而且也公開，不過已經(jīng)使用了十幾年之久了，也不愧為一種不為人知的經(jīng)典的基于RS-485的總線技術(shù)。
研華公司特有的AMONet也是一種基于RS-485的用于多伺服連接的串行總線協(xié)議，不過目前僅僅是研華用于連接低端通用的一種內(nèi)部協(xié)議，尚未見伺服廠家直接集成使用。
此外Schneider公司發(fā)起的Modbus，三菱公司發(fā)起的CCbbbb等基于RS-485的現(xiàn)場總線也多少具備一些伺服通訊能力，但并非主要目標(biāo)，也不是主流應(yīng)用。
最后，值得一提的是TTP技術(shù)，即時間觸發(fā)協(xié)議（Time Trigged Protocal），以及由TTP技術(shù)派生的TTCAN，F(xiàn)lexRay等基于RS-485或線驅(qū)動技術(shù)的時間觸發(fā)的串行總線技術(shù)已具備非常優(yōu)秀的等時同步能力，不過目前尚未見到相關(guān)技術(shù)在伺服產(chǎn)品中的大規(guī)模應(yīng)用。
2）基于光纖的高速串行總線技術(shù)
FANUC公司數(shù)控內(nèi)部專用的FSSB高速光纖總線是一種非常典型的光纖環(huán)網(wǎng)高速串行總線，雖然其報文結(jié)構(gòu)和同步能力不公開，但根據(jù)FANUC數(shù)控系統(tǒng)的多軸同步控制能力估計，F(xiàn)FSB應(yīng)該是一條數(shù)據(jù)傳輸率和等時同步能力都很不錯的高速同步總線，其連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以雙聯(lián)光纖接頭將兩根并行光纖由控制器端的一出一入接至驅(qū)動器，再由驅(qū)動器中繼后，轉(zhuǎn)接至下一驅(qū)動器，最后一個驅(qū)動器的中繼轉(zhuǎn)接端口甩空，以此構(gòu)建了一個由控制器到驅(qū)動器的光纖環(huán)網(wǎng)。
SERCOS總線是以Rexroth公司為主要發(fā)起人的一種基于光纖的開放式伺服串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)，SERCOS總線的誕生的初衷是為了打破控制器的寡頭壟斷地位，因此Siemens公司在作為發(fā)起人之一，參與了幾年之后，便抽身退出了。SERCOS總線1989年亮相，1991年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，1995年成為國際標(biāo)準(zhǔn)，2001年成為中國國家標(biāo)準(zhǔn)。SERCOS II采用可見的紅光波長，控制器端的光波輸出由光纖接至驅(qū)動器的光電輸入，經(jīng)電氣轉(zhuǎn)接和邏輯中繼后，再由光纖接至下一驅(qū)動器，最后一個驅(qū)動器的輸出由光纖接至控制器的輸入，由此構(gòu)成一個非冗余的光纖環(huán)網(wǎng)。SERCOS II可以達(dá)到最高16Mbps的傳輸率和最小62.5s等時同步間隔，同步抖動優(yōu)于1s，而且擁有非常完備的伺服通訊和應(yīng)用層協(xié)議體系，可以稱作伺服串行接口總線的典范，一經(jīng)退出便倍受國際伺服廠商的支持和青睞，只是SERCOS接口的實(shí)現(xiàn)成本和開銷較大，因此也多少限制的SERCOS推廣，也未必能夠為國內(nèi)目前普遍采用的單芯片DSP系統(tǒng)平臺的資源能力和國內(nèi)伺服產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有開發(fā)力量及組織模式所支持。
SSCNET III總線是三菱公司SSCNET II的升級版，物理層媒介由RS-485轉(zhuǎn)為速度更高、抗干擾能力更強(qiáng)的光纖，傳輸速率高達(dá)50Mbps，最小同步間隔0.44ms，可同步傳輸指令數(shù)據(jù)和32位絕對式反饋信息。
MACRO總線雖然已是昨日黃花，不過在適用于運(yùn)動控制的串行光纖總線的發(fā)展歷史中還是值得一提的元老派，MACRO由PMAC運(yùn)動控制卡的制造商Delta Tau公司提出的一種傳輸速率不低的串行光纖總線，囿于非開放性等因素，其應(yīng)用面始終限于Delta Tau自身的產(chǎn)品體系。
3）基于實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)的高速串行總線技術(shù)
Ethernet POWERbbbb可能是最早完成實(shí)用化的適用于運(yùn)動控制的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)高速串行總線，Ethernet POWERbbbb最初由B&R公司提出，后發(fā)起成立了EPSG開放式標(biāo)準(zhǔn)化組織，負(fù)責(zé)該技術(shù)的發(fā)展和推廣工作。Ethernet POWERbbbb采用成熟的Ethernet物理層標(biāo)準(zhǔn)和IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)定時標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用層直接采用CANopen的現(xiàn)成協(xié)議，早期主推的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇閹Ы粨Q機(jī)的星形結(jié)構(gòu)，也可以采用環(huán)網(wǎng)冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Ethernet POWERbbbb同步間隔可以達(dá)到ms以下量級，同步抖動優(yōu)于1s，子站設(shè)計無需ASIC，可由ARM單片機(jī)或FPGA實(shí)現(xiàn)。除B&R公司外，Baldor公司目前也在主推該技術(shù)。
EtherCAT是當(dāng)前最具實(shí)用化意義并適用于運(yùn)動控制的開放式實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)高速串行總線技術(shù)，EtherCAT最初由Beckhoff公司提出，后發(fā)起成立了ETG開放式標(biāo)準(zhǔn)化組織，負(fù)責(zé)EtherCAT開發(fā)和推廣工作。EtherCAT同樣基于Ethernet物理層和IEEE-1588標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用層也可以采用CANopen或SERCOS的現(xiàn)成協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榄h(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)。EtherCAT的同步間隔可以達(dá)到百s以下量級，宣稱的同步抖動可以低至幾十ns，主站可采用普通網(wǎng)卡，子站可采ASIC或FPGA。
SERCOS III是Rexroth公司主導(dǎo)的SERCOS總線的升級版本，鑒于采用光纖媒介的原SERCOS體系較低的傳輸速率和較高的實(shí)現(xiàn)成本，以及實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)的普及趨勢，SERCOS III也最終走上了以低成本銅線傳輸為媒介的Ethernet物理層標(biāo)準(zhǔn)，可能是由于SERCOS技術(shù)本身具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)同步和定時能力，因而在SERCOS III中未見IEEE-1588的蹤影，SERCOS III的站點(diǎn)設(shè)計為帶中繼的雙網(wǎng)口結(jié)構(gòu)，便于連接成環(huán)網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，而且SERCOS III還允許子站間直接通訊。SERCOS III的同步間隔可以低至31.25s，同步抖動優(yōu)于1s，站點(diǎn)接口電路主推基于FPGA的IP核。目前SERCOS III的推廣是個問題，主推手大概只有Rexroth公司，過去曾積極參與SERCOS推廣的Rockwell公司也正式宣布放棄對SERCOS III的支持。
Profinet IRT是Siemens公司在Profibus協(xié)議基礎(chǔ)上主推的適用于運(yùn)動控制的開放式實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)高速串行總線技術(shù)。Profinet IRT也是基于Ethernet物理層和IEEE-1588標(biāo)準(zhǔn)，聲稱具有很強(qiáng)的等時同步傳輸能力，但是普及程度遠(yuǎn)不及Profibus和普通Profinet，可能是源于其協(xié)議的復(fù)雜性和接口芯片的高成本，此外Siemens還在Profinet IRT之外，又推出了另一個基于實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的DRIVE-CLiQ內(nèi)部總線，專用于Siemens自己的控制器和驅(qū)動器產(chǎn)品線之間的內(nèi)部互聯(lián)，DRIVE-CLiQ的推出，已然將Profinet IRT的應(yīng)用推向了控制器級的上層應(yīng)用，并有效地封閉了的驅(qū)動器產(chǎn)品線的接口，使得Profinet IRT的開放性無法深入到這個層面，從另一個側(cè)面保護(hù)了Siemens自己的利益。
CIP Motion由Rockwell公司主導(dǎo)的ODVA組織主推的Ethernet/IP開放式實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)高速串行總線技術(shù)中專用于運(yùn)動控制的一個子集，CIP Motion也是基于Ethernet物理層和IEEE-1588標(biāo)準(zhǔn)，也具有很強(qiáng)的等時同步傳輸能力，因而Rockwell公司已正式宣布在未來的產(chǎn)品線雖然會維持對原SERCOS技術(shù)的支持，但是將徹底放棄對SERCOS III的支持，并全面轉(zhuǎn)向自己的CIP Motion和Ethernet/IP體系。
SynqNet是Danaher公司推出的基于實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)物理層的一種高性能數(shù)字運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)，其初衷是在由上位控制器和速度伺服實(shí)現(xiàn)高性能位置閉環(huán)控制的經(jīng)典位置控制系統(tǒng)中，由單一網(wǎng)絡(luò)取代的傳統(tǒng)的10V模擬接口和位置反饋接口，因而SynqNet非常強(qiáng)調(diào)多軸間位置反饋的采樣同步和速度指令的刷新同步，因而在某種意義上，SynqNet并非一個完整的運(yùn)動控制總線，當(dāng)然SynqNet也具備網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點(diǎn)配置等功能。SynqNet采用環(huán)形冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，站點(diǎn)接口電路推薦使用基于FPGA的IP核。
此外安川公司主導(dǎo)的MECHATRObbbb標(biāo)準(zhǔn)化組織也已經(jīng)將采用RS-485物理層MECHATRObbbb-II總線升級為采用實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)物理層的MECHATRObbbb-III，數(shù)據(jù)傳輸率由10M提升為100M；Heidenhain也在其控制器產(chǎn)品中采用了自有的基于實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)物理層的HSCI串行控制接口，以單一總線統(tǒng)一了控制器到驅(qū)動器、數(shù)字I/O、乃至操作面板的所有接口。
以上列舉了一些適用于伺服接口的串行現(xiàn)場總線接口技術(shù)，縱觀這些技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，我們不難發(fā)現(xiàn)如下一些特點(diǎn)：
1）種類繁多，各自為政
現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158歷經(jīng)四版發(fā)展今天，不僅未能統(tǒng)一現(xiàn)場總線間的開放性和互操作性，而且越來越多的公司紛紛推出其各自的現(xiàn)場總線技術(shù)，使得該標(biāo)準(zhǔn)目前收錄的現(xiàn)場總線技術(shù)總數(shù)已高達(dá)20種之多，儼然成了大雜燴。此外，還有眾多未列入標(biāo)準(zhǔn)目錄的公開或非公開的現(xiàn)場總線技術(shù)，以及基于消費(fèi)類串行總線IEEE1394和USB的一些振動控制總線等，真可謂天下大亂，群雄紛爭了。
2）高速化、以太網(wǎng)化
從SERCOS到SERCOS III，Profibus到Profinet，DeviceNet到CIP Motion，Modbus到Modbus TCP，SSCNET到SSCNET III，MECHATRObbbb到MECHATRObbbb-III等等，無不經(jīng)歷著速度和物理層媒介的升級，再加上Ethernet Powerbbbb，EtherCAT，SynqNet，HSCI等基于實(shí)時以太網(wǎng)的高速串行同步總線的問世，實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)已然成為運(yùn)動控制器和伺服驅(qū)動器之間的分布式串行同步接口的技術(shù)發(fā)展方向。
3）網(wǎng)絡(luò)定時技術(shù)和IEEE-1588標(biāo)準(zhǔn)的廣泛采用
Ethernet Powerbbbb，EtherCAT，Profinet IRT，CIP Motion等實(shí)時以太網(wǎng)的高速串行同步總線無一例外都采用了IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)定時標(biāo)準(zhǔn)，甚至以時間觸發(fā)機(jī)制著稱的TTP協(xié)議的實(shí)時以太網(wǎng)升級版本TT Ethernet都轉(zhuǎn)而采用了IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)定時標(biāo)準(zhǔn)。此外SERCOS III，SynqNet，SSCNET III，MECHATRObbbb-III，F(xiàn)SSB，HSCI等等也都有各自的延時偵測和補(bǔ)償功能，以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)定時和網(wǎng)絡(luò)同步功能。
4）標(biāo)準(zhǔn)間的相互融合和借鑒
雖說面市的串行總線標(biāo)準(zhǔn)越來越多，但標(biāo)準(zhǔn)之間的相互融合和相互借鑒也是大勢所趨。比如Ethernet Powerbbbb在應(yīng)用層協(xié)議方面對CANopen的融合，EtherCAT在應(yīng)用層協(xié)議方面對SERCOS和CANopen的融合，Profinet在I/O接入?yún)f(xié)議方面對Interbus的融合，IEEE1394自動化協(xié)議對CANopen的融合等等。
5）國際大廠間的合作
Modbus TCP與Ethernet/IP的全面合作引發(fā)的國際工業(yè)自動化大廠Rockwell和Schneider與國際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)大鱷Cisco之間的合作，以及國際FPGA領(lǐng)域大廠Xilinx，Altera，Lattice以及眾多IP供應(yīng)商與實(shí)時以太網(wǎng)高速串行同步總線主流供應(yīng)商之間的合作，都將極大地促進(jìn)實(shí)時以太網(wǎng)高速串行同步總線技術(shù)的發(fā)展和普及。
4. 曙光：國內(nèi)總線化伺服接口技術(shù)未雨綢繆
民族伺服產(chǎn)品絕不能停留在“后步進(jìn)時代”的脈沖接口上裹足不前，民族伺服產(chǎn)業(yè)也絕不能因為分到了一點(diǎn)點(diǎn)日系低端通用伺服的替代市場就滿心歡喜、怡然自得。還是看看我們的近鄰日本，當(dāng)采用脈沖接口的日系和仿日系低端通用伺服充斥于中國市場，貽害于中國的工業(yè)自動化行業(yè)的時候，其實(shí)日本人早已發(fā)展到了以FSSB、MECHATRObbbb-III、SSCNET III等串行實(shí)時總線進(jìn)行中高端運(yùn)動控制和伺服互聯(lián)的水平，看看FANUC、三菱和大隈、Mazak的數(shù)控系統(tǒng)，瞧瞧三菱和安川的中高端運(yùn)動控制產(chǎn)品，有哪個還在繼續(xù)使用脈沖接口？！
因此，早日走出脈沖接口一統(tǒng)天下的陰霾是提升民族伺服產(chǎn)品檔次，升級民族工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，國內(nèi)伺服接口技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化是大勢所趨，是技術(shù)和市場發(fā)展的必由之路。
然而國內(nèi)伺服接口到底該采用采用何種總線，這也確實(shí)是一個難題。縱觀國際伺服接口技術(shù)領(lǐng)域，真是群雄并起，戰(zhàn)火正酣，既存在著RS-485，光纖和以太網(wǎng)的物理層媒介之爭，也存在著各種總線協(xié)議和技術(shù)之爭。如前面所述，歐美日發(fā)達(dá)國家十幾，二十年間冒出那么多的總線和標(biāo)準(zhǔn)，從基于RS485的CANopen、DeviceNet、Profibus DP、MECHATRObbbb、SSCNET等等，到基于以太網(wǎng)的Powerbbbb、EtherCAT、SERCOS III、Profinet IRT、CIP Motion、SynqNet、MECHATRObbbb-III、HSCI等等，再到基于光纖的SERCOS、FSSB、SSCNET III、MACRO等等，甚至火線（IEEE1394）和USB也加入了混戰(zhàn)，可謂林林總總，令國人目不暇接，無所適從，其中有些還已經(jīng)成了咱們的國家標(biāo)準(zhǔn)，可是對于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀又有什么指導(dǎo)意義和貢獻(xiàn)呢？
國際著名工業(yè)調(diào)查和咨詢公司ARC曾指出，未來的總線技術(shù)將分為平臺拉動型和應(yīng)用拉動型。平臺拉動型，是由那些具有行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位和市場壟斷能力的大公司、大集團(tuán)拉動的，比如Schneider的ModBus及ModBus TCP、Siemens的Profibus及Profinet、Rockwell的DeviceNet及Ethernet/IP，這些總線技術(shù)的發(fā)展將隨各自公司的產(chǎn)品線和行業(yè)解決方案一道推廣；應(yīng)用拉動型，比如CANopen、SERCOS、Powerbbbb、EtherCAT等等，都是一些獨(dú)具特色，具有某些獨(dú)特的行業(yè)應(yīng)用背景和能力的總線技術(shù)，而其始創(chuàng)者和發(fā)起人可能擁有某些獨(dú)到技術(shù)，但未必具有行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)能力或壟斷性，這些總線的發(fā)展，將隨具體應(yīng)用和行業(yè)的特殊需求而動。
既然國際上的伺服接口總線現(xiàn)狀如此混亂，而且眾多業(yè)內(nèi)廠家也喜歡紛紛制定自己的接口協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)體系，跑馬圈地，加之ARC的成敗論和事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)，所以國人也完全沒有必要抱定哪個國際標(biāo)準(zhǔn)不放，只要是有效的，就是可行的。
在這一點(diǎn)上，大連光洋就非常有魄力，在國內(nèi)率先推出了基于工業(yè)以太網(wǎng)物理層的實(shí)時串行總線Gbbbb，該總線集運(yùn)動和I/O于一身，能夠以單一總線技術(shù)解決數(shù)控系統(tǒng)中軸單元，I/O單元和操作面板的全部連接，其體系與Heidehain公司的HSCI頗有異曲同工之妙，Gbbbb總線在軸單元的互聯(lián)中采用環(huán)網(wǎng)冗余拓?fù)洌ㄟ^配置階段的網(wǎng)絡(luò)延時預(yù)判和補(bǔ)償，可以達(dá)到幾十ns級的精細(xì)軸間同步抖動，因而目前并未使用IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)定時協(xié)議。
浙大中控繼推出國內(nèi)第一個面向過程自動化的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)EPA，并成功進(jìn)入IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)之后，又結(jié)合IEEE-1588標(biāo)準(zhǔn)，面向運(yùn)動控制領(lǐng)域推出了EPA-NC標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)目前還采用星形連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?jù)稱未來也可以采用環(huán)網(wǎng)冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?
華中數(shù)控在2007年的北京國際機(jī)床展上匆匆推出了一個基于專用Hub的星形連接和廣播同步的實(shí)時以太網(wǎng)接口技術(shù)，僅僅時隔一年之后，就徹底摒棄了原有方案，于2008北京數(shù)控機(jī)床展上重新推出了采用環(huán)網(wǎng)冗余連接的實(shí)時以太網(wǎng)接口Ethernet-CNC，而且也能夠以單一網(wǎng)絡(luò)連接軸單元和I/O單元。
此外，沈陽高精數(shù)控早在數(shù)年前就推出了基于RS-485物理層和RJ-45接口的SSB同步串行總線技術(shù)，目前還是MECHATRObbbb標(biāo)準(zhǔn)組織的中國分會所在機(jī)構(gòu)。
北京和利時與北航合作，共同承擔(dān)了實(shí)時以太網(wǎng)現(xiàn)場總線技術(shù)方面的國家863課題，其中北航的方面對EtherCAT標(biāo)準(zhǔn)非常熟悉。而且和利時集團(tuán)新近整合了旗下的PLC業(yè)務(wù)和電機(jī)驅(qū)動業(yè)務(wù)，成立了和利時自動化與驅(qū)動公司，很可能會在幾年之內(nèi)為國內(nèi)高端運(yùn)動控制和驅(qū)動領(lǐng)域做出較大貢獻(xiàn)。
廣州數(shù)控的領(lǐng)導(dǎo)曾表示，伺服接口的總線化是公司的下一個目標(biāo)，只要有了總線，數(shù)控和伺服就可以做很多現(xiàn)在做不到的事情。
基于以上業(yè)內(nèi)共識和實(shí)踐基礎(chǔ)，2007年底，在國家發(fā)改委的支持下，由武漢華中數(shù)控股份有限公司、大連光洋科技工程有限公司、沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司、廣州數(shù)控設(shè)備有限公司和浙江中控電氣技術(shù)有限公司等五家國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)和現(xiàn)場總線等方面領(lǐng)先的國內(nèi)企業(yè)，聯(lián)合發(fā)起并成立了“數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟”儀式，聯(lián)盟宗旨就是為了提高中國數(shù)控系統(tǒng)的國際競爭力，以期站在國家戰(zhàn)略利益的高度，致力于共同發(fā)展我國數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，并積極實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
在國家標(biāo)準(zhǔn)委、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會、湖北省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會等單位的大力支持下，2008年5月國家標(biāo)準(zhǔn)委正式批復(fù)成立數(shù)控標(biāo)委會，并于6月24日，在北京舉行了全國機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會第一屆第一次會議暨成立大會。據(jù)了解，數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)委會成立以后，將盡快加緊制訂“以太網(wǎng)為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)”的下一代數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范和協(xié)議，爭取將《機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線硬件接口與通訊》逐步形成數(shù)控系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)并最終上升為國際標(biāo)準(zhǔn)，以提高我國在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織中的地位，提升我國數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的水平，擴(kuò)大在國際數(shù)控方面的地位和話語權(quán)，增強(qiáng)我國數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)在國際市場上的競爭力。
來自國內(nèi)企業(yè)的共識和實(shí)踐，以及行業(yè)主管部門和國家的重視，都在積極推動著民族伺服產(chǎn)業(yè)接口互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，走出國產(chǎn)伺服脈沖接口一統(tǒng)天下的陰霾，已然不僅僅是技術(shù)和發(fā)展的必由之路，而且也儼然是大勢所趨了?！暗脴?biāo)準(zhǔn)者得天下”，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為市場競爭的制高點(diǎn)，誰掌握標(biāo)準(zhǔn)的制定權(quán)，誰的技術(shù)成為標(biāo)準(zhǔn)，誰就真正掌握市場的主動權(quán)，民族伺服企業(yè)絕不該錯失良機(jī)，也絕不能僅僅因為偏安于仿日系脈沖接口低端通用伺服所帶來的一星半點(diǎn)的進(jìn)口替代份額就放棄全面參與國內(nèi)和國際市場的機(jī)會。積極行動起來，打造自己的，民族的伺服總線接口吧！
那么對于國內(nèi)企業(yè)而言，到底用物理層接口實(shí)現(xiàn)伺服總線接入，或者用什么樣的鏈路層和應(yīng)用協(xié)議，也是需要仔細(xì)考量的，不過對于具體的企業(yè)而言，還是應(yīng)該遵循“只要是有效的，就是可行的”這個基本原則，沒必要固守什么，也不必非怎么樣不可。伺服接口的總線化問題，是一個系統(tǒng)化的問題，對于單一的國內(nèi)自動化企業(yè)而言，這絕不僅僅是單純的伺服產(chǎn)品的問題，而且需要上位控制器接口的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)，只有企業(yè)自己的伺服和上位控制接口規(guī)范統(tǒng)一了，這件事才真正具備了實(shí)施的條件，因而這是一件需要統(tǒng)一和協(xié)調(diào)整個產(chǎn)品線的一件大事，在這一點(diǎn)上，大連光洋的Gbbbb和華中數(shù)控的Ethernet-CNC就是很好的系統(tǒng)化運(yùn)作的典范。要做到這一點(diǎn)，就需要有要有資金和資源的支持，需要在完整的開發(fā)體系下，由控制器和伺服開發(fā)團(tuán)隊共同完成，絕不是伺服一家的私事。
針對國內(nèi)伺服接口的總線化發(fā)展提出以下建議：
1）對于參與“數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟”和“數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)委會”成員企業(yè)而言，應(yīng)團(tuán)結(jié)一致，集中全行業(yè)力量，站在行業(yè)的高度和國家產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的高度，求同存異，團(tuán)結(jié)起來辦大事，盡快促成伺服接口總線化互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的制定和推行，為民族伺服產(chǎn)業(yè)和國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)乃至整個運(yùn)動控制領(lǐng)域的整體健康發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
2）對于有實(shí)力其他國內(nèi)工業(yè)自動化相關(guān)企業(yè)而言，可以“只要是有效的，就是可行的”這個原則，師法國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)的做法，自行開發(fā)適用于自身產(chǎn)品線的總線化伺服接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自有控制器產(chǎn)品和驅(qū)動器產(chǎn)品，乃至I/O設(shè)備等等的互聯(lián)互通，一方面可以掌握高速實(shí)時串行同步總線技術(shù)，對外體現(xiàn)企業(yè)的技術(shù)實(shí)力；另一方面也可以形成事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，拉開行業(yè)內(nèi)技術(shù)差距，擴(kuò)大競爭優(yōu)勢；甚至可以在時機(jī)成熟的時候，參與國家標(biāo)準(zhǔn)的制定，樹立行業(yè)技術(shù)壁壘，參與國際競爭。
3）對于國內(nèi)一些目前還僅僅具備伺服開發(fā)能力的企業(yè)而言，伺服總線化接口似乎又多了一層困難，誠然，這類企業(yè)最好是靠現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)，比如低端的基于CAN總線的CANopen就是很經(jīng)典的規(guī)范，而且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本也較低，互聯(lián)互通和兼容性測試也相對容易，只是CAN總線的事件觸發(fā)特性和低通訊速率不足以支持高速同步應(yīng)用，因而也只能適用于無同步要求的低端領(lǐng)域，可以作為國內(nèi)伺服產(chǎn)品替代脈沖串接口一個有效發(fā)展方向。
展望：一切圍繞民族伺服產(chǎn)業(yè)的競爭優(yōu)勢
經(jīng)過十來年的發(fā)展，民族伺服產(chǎn)業(yè)已然初具規(guī)模，然而在技術(shù)體系上仍無法全面擺脫對日系低端通用伺服的仿制，在市場戰(zhàn)略上仍舊維系著多年一貫的進(jìn)口替代之路。要全面提升國內(nèi)伺服產(chǎn)品的檔次，擴(kuò)大民族伺服產(chǎn)業(yè)的競爭優(yōu)勢，就必須突破仿制和進(jìn)口替代的模式和思維。在技術(shù)體系上擺脫脈沖接口，實(shí)現(xiàn)伺服接口的總線化，高速化和同步化，正是整合和提升與伺服相關(guān)的數(shù)控乃至運(yùn)動控制產(chǎn)業(yè)鏈的紐帶。國內(nèi)有實(shí)力，有遠(yuǎn)見的業(yè)內(nèi)企業(yè)已然未雨綢繆，初步推出了相關(guān)的串行實(shí)時同步總線接口技術(shù)，業(yè)內(nèi)企業(yè)聯(lián)盟和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化委員會也已經(jīng)將伺服總線接口標(biāo)準(zhǔn)提上了議事日程。相信經(jīng)過多方的共同努力，以伺服接口總線標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)為突破口，國內(nèi)伺服產(chǎn)品必將提升一個檔次，民族伺服產(chǎn)業(yè)也必將迎來新的增長動力和競爭優(yōu)勢。
最后，對于自有標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，國人還是有必要吸取一些前車之鑒，縱觀我國近年來制定的一些自有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，要么不具備推廣價值，要么就是裝出一副扶貧濟(jì)世的模樣，失敗的EVD，難以商用化的AVS，前景堪憂的TDS-CDMA等等，就是最典型的例證。要知道創(chuàng)立自有標(biāo)準(zhǔn)體系的目的在于建立自己的技術(shù)體系和提高技術(shù)準(zhǔn)入門檻，扶植擁有自主創(chuàng)新能力的優(yōu)勢企業(yè)取得更大的發(fā)展；而不是為那些只會廉價制造的國內(nèi)制造商省點(diǎn)可憐的專利許可費(fèi)用，否則的話，自有標(biāo)準(zhǔn)就只能淪為政府的扶貧項目，只能釀成行業(yè)內(nèi)的低價拼殺和資源浪費(fèi)，抹殺行業(yè)的創(chuàng)造力，破壞民族產(chǎn)業(yè)的競爭能力。
所以說，自有標(biāo)準(zhǔn)體系絕不能扶貧，絕不該片面幫助制造企業(yè)省錢，實(shí)現(xiàn)所謂的低費(fèi)用制造。自有伺服接口總線的標(biāo)準(zhǔn)體系有必要明確扶優(yōu)的基本策略，真正幫助優(yōu)勢企業(yè)提升產(chǎn)業(yè)能力，一切圍繞民族伺服產(chǎn)業(yè)的競爭優(yōu)勢，全面提升民族數(shù)控產(chǎn)業(yè)、運(yùn)動控制產(chǎn)業(yè)、乃至自動化相關(guān)產(chǎn)業(yè)的市場競爭優(yōu)勢。相信民族伺服產(chǎn)業(yè)的接口互聯(lián)技術(shù)一定能夠走得更好，并很快結(jié)出碩果。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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