運(yùn)控設(shè)備使用千兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)的意義何在
發(fā)布時(shí)間：2019-04-21 www.xstr.xyz
去年 11 月，Beckhoff 推出了通訊速率可達(dá) 1 Gbit/s 的 EtherCAT G 總線技術(shù)，并宣布已將其應(yīng)用于新的平面?zhèn)鬏斚到y(tǒng) XPLANAR 中；與此同時(shí)，CC-Link 協(xié)會(huì)（CLPA）也發(fā)布了新一代基于 TSN 技術(shù)的千兆級(jí)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議 CC-Link IE TSN，三菱電機(jī)稱會(huì)在即將面市的 MELSERVO-J5 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中集成這項(xiàng)技術(shù)...
PicSource: Beckhoff | EtherCAT G
種種跡象表明，運(yùn)控設(shè)備系統(tǒng)似乎正在步入千兆以太網(wǎng)的時(shí)代。
那么，在運(yùn)動(dòng)設(shè)備中使用千兆級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)的意義在哪里呢？
PicSource: BELDEN | TSN
首先，我們知道，作為一種應(yīng)用于產(chǎn)線設(shè)備層與控制執(zhí)行層的技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制對(duì)于總線通訊的要求，通常是體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與確定性方面的。通訊速率的大幅提升，意味著單位數(shù)據(jù)在設(shè)備間傳輸所消耗的時(shí)間將明顯縮短，這對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、確定性來(lái)說(shuō)，本身就是一種更為有效的保證。
PicSource: Beckhoff | EtherCAT G
其次，如果把這種千兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)落實(shí)到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，那么在控制層與設(shè)備層（驅(qū)動(dòng)器、I/O）之間數(shù)據(jù)交互的刷新速度和采樣頻率就會(huì)變得更快，系統(tǒng)處理運(yùn)控任務(wù)的時(shí)間周期也將因此而變得更短，這顯然是有助于其動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和運(yùn)動(dòng)控制精度進(jìn)一步提升的。
PicSource: MITSUBISHI Electric | MELSERVO-J5
例如，我們可以看到，三菱電機(jī)將要發(fā)布的 MELSERVO-J5 和 iQ-R 運(yùn)動(dòng)控制模塊，因?yàn)椴捎昧诵碌?CC-Link IE TSN 技術(shù)，其最小數(shù)據(jù)演算周期已經(jīng)縮短至僅為 31.25 μs。
PicSource: Beckhoff | EtherCAT G
同樣，Beckhoff 也將新的 EtherCAT G 與百兆級(jí)的 EtherCAT 在數(shù)據(jù)傳輸周期上進(jìn)行了一番比較，其最長(zhǎng) 1500 Byte 用戶數(shù)據(jù)的傳輸耗時(shí)已從原來(lái)的 122.40 μs，縮短至僅為 12.24 μs；能夠在 30 μs 內(nèi)刷新 100 個(gè)伺服軸的數(shù)據(jù)，或在 15 μs 內(nèi)刷新 2000 個(gè)數(shù)字量輸入 / 輸出。
PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN
當(dāng)然，對(duì)于上面提到的千兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，要在系統(tǒng)性能上對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)起到助力和提升的作用，其實(shí)是有一個(gè)重要前提的，就是其網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議中必須有可靠的時(shí)間確定性機(jī)制。這也是為什么 EtherCAT G 繼續(xù)保持了 EtherCAT 的技術(shù)基礎(chǔ)，而 CC-Link IE TSN 則引入了新的時(shí)間敏感型協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要原因。
PicSource：Siemens.com/press | TSN
不過(guò)，當(dāng)設(shè)備層通訊從百兆提升到千兆級(jí)別時(shí)，除了傳輸速率的提升給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的各種時(shí)間周期上的優(yōu)化，我們還應(yīng)該看到，整個(gè)系統(tǒng)在單位時(shí)間范圍內(nèi)所能夠承載和處理的數(shù)據(jù)容量其實(shí)也隨之顯著增加了。而這對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的影響，就不僅是在運(yùn)控特性這個(gè)單一維度上的事情了，它將會(huì)涉及到設(shè)備應(yīng)用的諸多層面。
PicSource: Beckhoff | EtherCAT G
就運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)本身來(lái)說(shuō)，隨著設(shè)備自動(dòng)化程度的不斷提升，設(shè)備運(yùn)控軸數(shù)的增加已經(jīng)成為一個(gè)必然趨勢(shì)，此時(shí)，它所要承受的數(shù)據(jù)壓力 ，將不僅來(lái)自越來(lái)越多的運(yùn)動(dòng)控制回路，還有它們之間越來(lái)越錯(cuò)綜復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系（包括：各種同步、凸輪、插補(bǔ)、軌跡關(guān)聯(lián)...等等）。
PicSource: Beckhoff | EtherCAT G
而要能夠應(yīng)對(duì)這種呈幾何級(jí)數(shù)增加的數(shù)據(jù)壓力，除了功能強(qiáng)大的設(shè)備控制器，系統(tǒng)中還需要有一套能夠承載和傳輸海量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)。目測(cè) Beckhoff 為其平面?zhèn)鬏斚到y(tǒng) XPLANAR 配備 EtherCAT G 應(yīng)該就是出于這樣的考慮。
PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN
從產(chǎn)線設(shè)備的角度看，當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制早已經(jīng)不是一個(gè)獨(dú)立存在的系統(tǒng)了，各類運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用（如：抓取、搬運(yùn)、傳輸、數(shù)控、機(jī)器人...）與眾多策略類型的控制技術(shù)（如：視覺(jué)、流程、檢測(cè)...）進(jìn)行互操作并深度融合，勢(shì)必會(huì)成為一種剛需。而為了能夠應(yīng)對(duì)這種更為復(fù)雜的多維數(shù)據(jù)交互，將設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的通訊速率提升到一個(gè)更高的級(jí)別，就顯得是十分必要了。
PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN
而若再以制造企業(yè)的全局視角去觀察，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如今產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中在設(shè)備層產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，例如：電壓、電流、溫度、扭矩、轉(zhuǎn)速、圖像...等等，僅僅是在參與控制時(shí)被使用了一次而已，如果能夠?qū)⑺鼈兇鎯?chǔ)記錄下來(lái)，打上時(shí)間標(biāo)簽，加以分析，其實(shí)是可以用來(lái)幫助優(yōu)化設(shè)備整體運(yùn)營(yíng)效率的。
PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN
比如：將品檢系統(tǒng)的視覺(jué)數(shù)據(jù)和加工工位的運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，進(jìn)行追溯、分析和解讀，將能夠幫助提升產(chǎn)品的加工品質(zhì)；
PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN
再比如：對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)（如：電流、溫升、振動(dòng)...）進(jìn)行儲(chǔ)存、積累和分析，將有助于對(duì)設(shè)備實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)，從而降低其停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)與運(yùn)營(yíng)成本...
PicSource: MITSUBISHI Electric | MELSERVO-J5
顯然，要實(shí)現(xiàn)上述“大數(shù)據(jù)”應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)備系統(tǒng)是需要先具備以極高的頻次、極為精準(zhǔn)的時(shí)間周期、持續(xù)記錄大批量數(shù)據(jù)的能力的。而千兆級(jí)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，則極有可能會(huì)成為在此類應(yīng)用中建構(gòu)數(shù)據(jù)通道要用到的一種重要技術(shù)手段。如此看來(lái)，三菱電機(jī)在將要發(fā)布的 MELSERVO-J5 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，同時(shí)集成了千兆級(jí)實(shí)時(shí)以太網(wǎng) CC-Link IE TSN 和基于 Mairsart 的預(yù)測(cè)性維護(hù)功能，就絕非是巧合了。
PicSource: OPC Foundation | OPC UA TSN
可以說(shuō)，未來(lái)在運(yùn)控設(shè)備中使用千兆級(jí)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，將不僅僅是從運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)自身的角度出發(fā)、基于系統(tǒng)性能的考量，更多是由于設(shè)備系統(tǒng)中組件的種類和數(shù)量以及它們之間交互融合的復(fù)雜性的增加，為了建構(gòu)能實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施而產(chǎn)生的一種需求，實(shí)際可能出現(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景估計(jì)遠(yuǎn)不止我們上面談到的這些。
PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN
而考慮到用戶對(duì)于千兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的各種需求，其實(shí)是隨著設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜性的增加而逐步產(chǎn)生的，加之受到相關(guān)產(chǎn)品迭代周期的影響，因此，對(duì)于設(shè)備生態(tài)圈的各類產(chǎn)品廠商和制造企業(yè)而言，這種向下一代千兆級(jí)總線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型，應(yīng)該會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)期投入的漸變過(guò)程。