1 引言
當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，給制造業(yè)帶來了新的變化和重大影響。網(wǎng)絡(luò)向控制領(lǐng)域的滲透引起了控制結(jié)構(gòu)的改革，提高了控制效果，相應(yīng)的也進一步促進了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Networked Control Systems，簡稱NCS），即信號經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸?shù)拈]環(huán)控制系統(tǒng)[1-3]。它是計算機技術(shù)、通信技術(shù)與控制技術(shù)發(fā)展和融合的產(chǎn)物，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化、節(jié)點智能化的發(fā)展趨勢。
歐美運動控制廠商陸續(xù)發(fā)布了基于100Mb/s以太網(wǎng)的分布式智能控制系統(tǒng)，提出“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點。其特點是：
（1）類似Internet的結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)；
（2） 對用戶來說，只有一組數(shù)據(jù)和一個程序，所有數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中只需表達一次，程序和數(shù)據(jù)均可以重復(fù)使用，網(wǎng)絡(luò)扮演真正服務(wù)器的作用；
（3） 可連接到Internet，實現(xiàn)整個工廠全球化聯(lián)網(wǎng)；
（4） 以太網(wǎng)既是連接到各種智能模塊的系統(tǒng)總線，又是連接現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)場總線，內(nèi)部和外部的通信在此沒有什么區(qū)別，集線器技術(shù)被集成在每個控制器中，通過分配地址空間將內(nèi)部通信從外部通信中分離出來。
2 以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的不足
高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)雖然縮短了響應(yīng)時間，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能，但并沒有完全解決其在工業(yè)控制中的問題。
（1）沒有根本解決不確定性
雖然目前以太網(wǎng)的傳輸速度大幅度提高，但它僅僅是上平均速度的提高，這對嚴格的實時控制系統(tǒng)來說是不可靠的。交換機的引入會增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，而且交換機不能保證在惡劣的工業(yè)環(huán)境中正常工作。即使增加以太網(wǎng)的帶寬，系統(tǒng)的效率也不會隨著帶寬的提高而線性增長。例如，具有6個16bitI/O的系統(tǒng)，其巡回時間是1.9ms,其中數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳遞時間為0.69ms,剩余的1.21ms是軟件延遲時間。由于軟件延遲時間不隨帶寬變化，因此在100Mbps的快速以太網(wǎng)上，該系統(tǒng)的巡回時間是0.69/10+1.21=1.28ms?？梢钥闯鼍W(wǎng)絡(luò)速度提高到1000%，而巡回速度只提高了33%。
（2）帶寬利用率不高
如果建一個有6個I/O節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點有16bit的I/O，則該網(wǎng)絡(luò)的總通信量是6*2*72*8=6912bit，因為以太網(wǎng)實際幀長度為72個字節(jié)。而CAN總線的有效幀長只有64bit，且沒有最小數(shù)據(jù)包長度限制。相同的遠程I/O系統(tǒng)CAN只需6*2*64=768bit的通信量，是以太網(wǎng)效率的9倍。即使以太網(wǎng)最小幀長度為64個字節(jié)也足以使只有16 bit的 I/O不堪重負。
（3）安全性不高
以太網(wǎng)不能給現(xiàn)場設(shè)備供電，沒有冗余，不能及時恢復(fù)，一處故障可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。與Internet/Intranet連接雖然可以實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)的接合，大大降低企業(yè)成本，但信息網(wǎng)絡(luò)的故障可能會導(dǎo)致工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)也不能正常工作，增大故障率，且黑客的存在使得控制網(wǎng)絡(luò)的信息安全受到了威脅。
（4）應(yīng)用層定義正在形成新的互聯(lián)壁壘
以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場控制相結(jié)合的一個重要出發(fā)點是以太網(wǎng)有良好的互聯(lián)性，當(dāng)前眾多廠商開發(fā)的工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)在上層協(xié)議，特別是應(yīng)用層上未形成統(tǒng)一的標準。例如,若要將Modbus Profibus、Devicenet、controlnet、canopen協(xié)議轉(zhuǎn)換到TCP/IP上，把多種不同的協(xié)議應(yīng)用于同一網(wǎng)絡(luò)，并讓它們與同一主機在同一時間對話，則每種協(xié)議都要有一個DRIVER。因此，供應(yīng)商設(shè)計了不同的協(xié)議，并把它們統(tǒng)稱為工業(yè)Ethernet網(wǎng)，但是它并未真正解決通用標準的問題。
3 基于Ethernet的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計原理
在網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)的運行過程中，所有控制設(shè)備都是以網(wǎng)絡(luò)形式連接的，可以實現(xiàn)遠距離的調(diào)速及控制參數(shù)的設(shè)定等。由于現(xiàn)場總線可以把多個設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備與計算機的通訊和控制。所以采用現(xiàn)場總線可以方便地建立遠程多機調(diào)速系統(tǒng)。
現(xiàn)場總線運動控制系統(tǒng)一般由多個分布傳動點構(gòu)成，其交/直流調(diào)速系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)主要由變送器、交/流伺服驅(qū)動器、交/流伺服電機、現(xiàn)場總線、PLC控制器或獨立式運動控制器、控制計算機等構(gòu)成。在此網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過遠程網(wǎng)絡(luò)進一步構(gòu)成遠程控制系統(tǒng)。
圖1 交/直流調(diào)速系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計框圖
圖2為假設(shè)的遠程網(wǎng)絡(luò)控制實物連接圖，遠程控制技術(shù)比其它形式的網(wǎng)絡(luò)更快、更有效，尤其在需要使用被控端計算機上的軟件程序時更為突出。當(dāng)在遠程會話過程中運行軟件程序時，實際的進程是在被控端計算機上執(zhí)行的。只有輸入和輸出信息（如鍵盤、鼠標和屏幕信息）在控制端（主機）和被控端（從機）計算機間進行交換。
圖2 網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)實物圖
遠程的Web用戶發(fā)出控制指令和設(shè)置參數(shù)給本地的被控制系統(tǒng)，本地的控制系統(tǒng)執(zhí)行該指令，并將執(zhí)行情況返回給Web用戶?？蛻舳酥恍璋惭b通用的瀏覽器，用戶在客戶端通過瀏覽器，向伺服系統(tǒng)的Web服務(wù)器提出控制請求。Web服務(wù)器對用戶進行身份驗證，并根據(jù)用戶的請求，執(zhí)行相應(yīng)CGI(Common Gateway Interface)或ASP(Active Server Page)擴展程序與伺服系統(tǒng)的控制計算機通信，伺服系統(tǒng)執(zhí)行命令，并把運行過程和結(jié)果提交給Web服務(wù)器。Web服務(wù)器利用HTTP協(xié)議把運行結(jié)果通過主頁形式返回給客戶端?？刂朴嬎銠C還可以把運行過程中的數(shù)據(jù)和結(jié)果存入Web服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)庫，以便用戶查詢。
4 網(wǎng)絡(luò)伺服系統(tǒng)的硬件線路介紹
南工大網(wǎng)絡(luò)化伺服實驗系統(tǒng)硬件連接線路如圖3所示，該系統(tǒng)的硬件要求：
工業(yè)PC機(Pentium 4)、雙絞線回路、匹配電阻(120歐姆數(shù)量2)、伺服驅(qū)動器BASSOON(數(shù)量4)、伺服電動機(數(shù)量4)、二軸工作臺(數(shù)量2)、運動控制器(Maestro 數(shù)量3)、交換機一臺、工業(yè)觸摸屏(PWS6600C-S)、24V電源一個、交流接觸器一個、交流濾波器一個、控制柜一個。其中，非熔絲斷路器用來保護電源線，過電流時切斷電路；噪聲濾波器起防止外部雜波進入電源線的作用，并且可以減輕電機產(chǎn)生的雜波對外界的干擾；磁力接觸器的作用是接通/斷開電機的主電源；電抗器是為了減少主電源中的諧波。
圖3 硬件線路連接圖
Bassoon內(nèi)部電子原器件需要24V電源驅(qū)動，同時散熱風(fēng)扇也需要一個24V直流電源供電，因此本系統(tǒng)采用了一個24V開關(guān)電源。Bassoo交流伺服驅(qū)動器，經(jīng)過PWM逆變后輸出三相UVW驅(qū)動電機。
由圖3的硬件線路圖可知，上位PC機通過以太網(wǎng)和運動控制單元Maestro相連，Maestro的CAN接口與下面的具有CAN接口(J8、J9)的伺服驅(qū)動用相雙絞線連接，構(gòu)成多軸分布式運動控制系統(tǒng)。由于雙絞線有所謂近端串?dāng)_，即在發(fā)送線對和接受線對之間存在電磁耦合干擾，因此需要在兩端各加一個120Ω的終值電阻。
5 結(jié)束語
Ethernet是當(dāng)前流行的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，但它僅定義了網(wǎng)絡(luò)的物理層，在多年前己放棄了為運動控制接口建立標準的多供應(yīng)商協(xié)議。同時以太網(wǎng)采用的是異步通訊機制，如果要將它用于運動控制必須增加光交換器，其成本將提高的很多。本文提出的以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線相結(jié)合的方案是目前網(wǎng)絡(luò)化運動控制系統(tǒng)的主選方式[5]。現(xiàn)場總線可以很好地滿足控制系統(tǒng)對實時響應(yīng)的較高要求，同時使現(xiàn)場總線還使得系統(tǒng)具有很好的擴展性能。以太網(wǎng)是目前最流行的因特網(wǎng)接入方案之一，它在發(fā)揮現(xiàn)場總線優(yōu)點的同時解決了現(xiàn)場總線難以接入因特網(wǎng)的問題。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
|
|
|
|
|
|
|
|