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分析以太网为何用于运动控制

2019-04-29 16:51:00

以太网正成为工业应用中日益重要的网络。

就运动控制而言，以太网、现场总线以及其他技术（如外围组件互连）历来都是相互竞争的，用以在工业自动化和控制系统中获得对一些最苛刻要求的工作负载的处理权限。运动控制应用要求确定性（保证网络能够及时将工作负载传送至预定的节点），这是确保位置保持所必需的，这进而又将确保驱动器的精确停止、适当的加速/减速以及其他任务。

标准的 IEEE 802.3 以太网从未达到这方面的要求。即使全双工交换和隔离冲突域淘汰了过时的 CSMA/CD 数据链路层，但它还是缺乏可预测性。此外，典型堆栈中的 TCP/IP 的高度复杂性并未针对实时流量的可靠传送进行优化。因此，现场总线以及带有基于 ASIC 的 PCI 卡的 PC 控制架构一直是常见的运动控制解决方案。

从 EtherNet/IP® 到 EtherCAT® 的以太网解决方案以其独特的方式克服了这些缺点。尽管工业以太网相较于别的替代技术还有一些其它优势，然而它在运动控制中还远没有占到主导地位。我们来看看它能够并且将会在未来几年的竞争中越来越被接受的三个原因。

1 融合而不是增加复杂性

随着时间的推移，企业 IT 与工厂之间的互联不断增加，导致了系统更复杂，往往将标准以太网和工业以太网与现场总线混合使用。例如，机器可能会利用：

这样的网络很复杂，而且它的建立和维护也很昂贵。每个协议都需要各自的实施程序、安装人员和培训。相比之下，以太网提供了将适用于运动、安全等的不同网络融合到经济高效的基础架构上的可能性，该架构布线更容易，获得供应商的广泛支持，并能适应未来要求。

以太网提供了不同网络融合的可能性。

EtherNet/IP 协议体现了如何在实践中充分发挥融合的作用。通过使用 TCP/IP 和 UDP/IP 等标准以太网技术、辅以 CIP Sync（用于实现分布式时钟 IEEE 1588 精确时间协议同步）等特性，集成的交换式系统可以同时适应商业和工业应用。

2 确定性适用于运动控制应用

运动控制依赖于精确通信。这种精确性通过使用基于时隙的调度来支持，每个设备在调度策略中都有一个与其它设备进行通信的调度表。这些伺服驱动器和控制器计算出它们各自的时序，由此可计算出控制函数的∆T值。但是，如果数据传输变得无法预测，则可能会丢失结果，因此需要确定性来确保环路的稳定性。

以太网能够支持工厂中苛刻的运动控制应用。

在某些情况下，通过直接集成于英特尔®芯片内的加速器电路在 EtherNet/IP 中实施 IEEE 1588，只是以太网解决方案用于强制确定性的一种常见机制。EtherCAT 的高速实时处理是运动控制应用中如何实现始终如一的预测性能的另一个示例。EtherCAT 突破了基于 PCI 的集中式通信的严格物理限制，即要求机器处理单元和伺服处理器之间可快速通信但需要保持短距离。

Jason Goerges 在发表于2010年Machine Design的一篇文章中解释道：

基于 EtherCAT 的分布式处理器架构具备宽带宽、同步性和物理灵活性，可与集中式控制的功能相媲美并兼具分布式网络的优势。

事实上，一些采用这种方式的处理器可以控制多达64个高度协调的轴（包括位置、速度和电流环以及换向），采样速率和更新速率为 20 kHz。