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 1 生產效率的提升帶來了對網絡的巨大需求

    隨著生產技術的提高，運動控制技術與機器人技術也得到了更為廣泛的應用，傳統的總線愈發無法滿足高速高精度加工的系統需求，而隨著IT技術的快速發展，工業以太網得到了快速的發展，然而，由于其CSMA/CD的沖突檢測機制造成的無法實現數據交換的確定性使其無法在高實時性領域使用，為了解決這一問題，各主流的自動化公司均開發了基于以太網技術的實時以太網技術，其中2001年，由始創公司B&R開發的EthernetPOWERLINK最早投入使用，此外由SIEMENS、Rockwell及BoschRexroth等開發的PrifiNet、Ethernet/IP和SERCOSIII以及由Beckhoff開發的EtherCAT技術也相繼出現。

    2 實時以太網的應用領域

    2.1 CNC和機器人

    傳統的CNC和機器人均是由專用的控制系統來實現，這包括了諸如SIEMENS的820、840D等CNC系統，由于需要大量的軸間插補運算，另一方面，原有的CNC系統其速度環和位置環計算由于均是由主站來進行計算的，因此，其對數據通信的要求極其高，因此，傳統的SIEMENS和Fanuc均使用了其自主開發的內部總線來實現，而今天隨著智能伺服系統和工業實時以太網的發展，這一系統架構設計將逐步得到改進，例如Staubli的機器人系統就采用了Ethernet POWERLINK技術，使得其能夠在通用的硬件平臺上實現路徑轉換的計算，通過高速的實時以太網技術傳遞到各個執行單元，從而實現機器人的高速高精度運轉。

    2.2 高速同步關系處理

    在很多傳統的機械行業，隨著控制要求的愈發提高，越來越多的獨立驅動技術被得到應用，這使得機器運行更加具有靈活性，能夠更為快速的實現工藝切換和性能的提升，下面舉兩個較為典型的例子作以說明：

    （1） 印刷無軸傳動系統

    由于傳統的機械長軸造成系統機械結構的高復雜性以及高維護的特點，并且另一方面，系統的生產工藝切換也將由于訂單的不同需要機械調整，這使得整個生產系統的性能降低，并使得無軸傳動-更為確切的說是屬于電子軸技術，例如在凹版印刷、柔版印刷、瓦楞紙開槽印刷等系統中，傳統的機械長軸為獨立驅動的伺服軸所代替。然而，這時軸與軸之間的關系將依賴于高速的通信系統來實現其運動關系的同步，以及偏差的調整。在這個領域里，SERCOSIII和Ethernet POWERLINK占據主導的地位，由于印刷需要高速糾偏使得通信的刷新速度極其重要，在高速運行系統下，印刷機的控制周期必須達到微秒級，否則就無法實現高速的調整。

    （2） 全電動注塑機

    全電動注塑機同樣是一個需要高速通信的過程，由于射膠、合模、坐進退、熔膠、保壓等階段需要保持軸之間的高速順序切換，以及保壓切換過程中的高速刷新任務都需要通信系統提供極高的刷新，一般這個任務等級在1ms以下。

    2.3 安全系統
 
    安全系統越快的響應速度則能夠更好的保護人身的安全，更短的剎車距離顯然會對人體造成潛在風險的降低，因此每個實現工業實時以太網的技術均為安全系統提供了通信解決方案，這包括了Profi Safe,Ethernet IP Safe，以及由B&R開發的openSAFETY，openSAFETY與其它Safety技術在技術實現上均遵循IEC61508，然而不同在于openSAFETY是一個可以運行在其它任何總線上的安全通信應用層協議，目前它已經通過測試在ProfiNet、EthernetIP、Modbus、SERCOSIII上得到運行。

    2.4 過程控制

    過程控制雖然對于系統刷新的速度要求不高，但是，一方面，其對于冗余和多CPU之間的通信提出了非常高的要求，因為，這些功能是為滿足系統的高可靠運行而必需的設計，另一方面，對于更多的傳動系統加入的過程應用而言，傳動對于系統刷新速度的要求也必須得到更高的級別。

    2.5 工廠自動化 FA

   工廠自動化雖然并非是連續生產，然而，要去實現與企業級的互聯，從生產的設備到設備互聯，仍然需要高透明的工廠設計，那么實時以太網則能夠滿足從生產的運動控制到整個生產線與管理系統的集成，實現真正意義的一網到底，從而構建透明工廠，使得整個工廠的控制和狀態檢測能夠完整地集成在統一的系統架構之下。

    3 實時以太網的評估參數

    （1） 抖動

    為了保證各個運動軸之間的同步性，在控制指令發出后（例如POWERLINK是通過同步幀廣播的形式去給出同步信號的），各個軸之間執行任務會存在一個時間偏差，這個是影響系統同步性的關鍵指標。通常，主流的實時以太網技術保持在100ns以內。很多使用者會混淆這個概念，并非是傳輸速度很高就同步性高，因為系統的抖動構成了同步性的關鍵因素。

    （2） 是否支持直接交叉通信

    對于那些需要高速處理的任務而言，直接交叉通信是一個非常有用而關鍵的功能設計，這與通信機制有關，采用集束幀方案的以太網技術無法實現這一點是因為它采取的是一種數據列車的方案，而像Ethernet POWERLINK和SERCOSIII則可以實現交叉通信，直接交叉通信可以使得從站之間進行通信，這有兩個方面的好處，一方面，這可以降低主站的任務負載，從站之間可以互相通信來實現同步，尤其是對于那些實現電子齒輪同步、跟隨、安全系統而言非常有用，因為無需通過主站的執行，使得系統的效率得到了大幅度的提高，另一方面，直接交叉通信也使得系統設計更為靈活，在編程方面就無需太多的關心軸與軸之間的通信關系，而是直接的去控制節點即可。

    （3） 任務周期

    通常，Profinet RT和Ethernet IP只能實現在ms級的任務周期，這對于印刷無軸傳動、全電動注塑機等應用而言尚無法很好的滿足，由于Prifinet IRT和Ethernet IP/CIP尚未正式發布，因此，目前市面上能夠達到μs級任務的工業以太網主要是EthernetPOWERLINK、SERCOSIII和EtherCAT，通常以40個伺服軸和50個I/O站進行的數據刷新來看，基本上可以在600μs～800μs，EtherCAT雖然宣稱更低的任務周期，但是，由于是理論計算值，實際值仍然是在600μs以上。

    這一指標將會影響同步循環，會對生產系統的速度和精度造成影響，例如，對于高精度的液壓同步而言，當需要在0.01ms以下精度的同步時，任務周期必須在400μs以下方能保證這一精度。

    （4）冗余與多組同步

   是否能夠實現冗余設計對于流程工業而言至關重要，并且多CPU通信的同步也是流程工業中DCS系統的重要考量，POWERLINK支持冗余設計，包括環形和半環形冗余設計，另外，也支持多CPU之間的高速同步。

   4 實時以太網的未來發展

   4.1 標準以太網

   盡管目前很多以太網技術在產生，然而，有些網絡仍然采用ASIC這樣的私有技術來實現，包括EtherCAT目前在從站仍然采用非標準的IEEE802.3。但顯然標準以太網技術是未來的發展方向，因為為了實現對原有總線技術的替代才產生工業以太網技術，而采用ASIC技術則使得技術走回了原有的私有技術的老路。因此，未來工業實時以太網仍然會沿著標準網絡的路前行，否則將會仍然面臨被市場淘汰的危險。

    4.2 安全集成

    未來的以太網技術必然將安全技術集成，并使其成為一個不可分割的整體。

    4.3 一網到底的設備互聯

    “一網到底”可滿足整個工廠的數據采集，并通過數據采集提供的數據對整個生產過程進行分析和優化，從而更好地提高企業地生產與運營效率。

    Ethernet提供了這一可能，而像Ethernet IP、POWERLINK和Profinet RT則是基于標準以太網而設計的，并支持異步通信和TCP/IP通信任務，這使得“一網到底”的概念具有實現的可行，在實時數據和非實時的診斷、服務、管理數據之間也建立起一個互聯的可能。

    摘自《自動化博覽》2011年第九期