Цифрови мрежи за управление на задвижвания

Стандартите SERCOS, PROFinet IRT, EtherCAT и Ethernet Powerlink

През последните години цифровите задвижвания изместиха в голяма степен по-рано актуалните аналогови системи за управление на преместване, което доведе до необходимостта от разработване на комуникационни цифрови мрежи, съответстващи на специфичните изисквания към тях. Ограниченията, които предлага традиционно използваният +/- 10 V аналогов интерфейс при управлението на цифрови задвижвания, породи техническа необходимост от нови, цифрови комуникационни стандарти. Отвори се нова пазарна ниша, която бързо бе запълнена от водещите производители на автоматизационно оборудване, от една страна, и на машиностроителите, от друга. Днес, съществува широко разнообразие от високоскоростни мрежови решения, разработени специално за управление на задвижвания, които са чисто фирмени или се подкрепят от различни производствени или търговски организации и асоциации. Всяка комуникационна технология се характеризира с различна мрежова архитектура, организация на работа и технически специфики. По тази причина, въпреки че машините се доставят със заводски вградени комуникационни мрежи за управление на задвижванията, е препоръчително специалистите да познават спецификите и възможностите на използваните цифрови стандарти. Още повече, че редица водещи производители на задвижващи системи подкрепят не един, а няколко от специално разработените за целта цифрови комуникационни стандарти.

SERCOS е абревиатура на Serial Realtime Communication System. Представлява отворен международен стандарт за връзка между цифрови управления, задвижвания и изпълнителни механизми. SERCOS се подкрепя от редица търговски асоциации в Северна Америка, Европа и Япония. Сред компаниите, поддържащи стандарта, са утвърдени на международните пазари производители на задвижвания, автоматизационно оборудване и машини, сред които Rexroth Bosch Group, Rockwell Automation, Schneider Electric, Samsung Electronics, Mitsubishi Electric Automation, Yaskawa Electric и др. Специфика на стандарта е отворената среда за управление на движението, която позволява комуникационен обмен между устройства от различни производители. Предлага синхронизирано многоосово сервоуправление в реално време, с което се удовлетворяват изискванията на съвременните високоскоростни машини. Въпреки че поддържа възможности за входно/изходен интерфейс, SERCOS не е конкурент на интелигентните полеви мрежи, използвани в областта на индустрията. Предимство на стандарта в сравнение с +/- 10 V аналогов интерфейс е обменът на много по-големи обеми информация от и към устройствата и входовете/изходите на системата. Често, без да се отчита, че SERCOS е специално разработен за управление на цифрови задвижвания, се критикува сравнително ниската скорост на обмен на информацията, поддържана от стандарта. Интелигентните задвижвания са проектирани да поемат и изпълняват част от интерполацията в самото задвижване, което предполага предаването на много по-малко данни към задвижването в сравнение с аналоговите устройства, които трябва да получават пълните данни за всяка точка от поддържаната траектория на преместване.

Обменът на информация между контролера и сервозадвижванията се осъществява чрез детерминистична мрежа в реално време. Принципът на работа на SERCOS мрежите се базира на следния работен цикъл. Контролерът изпраща команда за грубо позициониране към задвижването, използвайки т.нар. master data telegram или MDT. В отговор, задвижването регулира скоростта на двигателя и изпраща информация за позицията на съответната ос чрез т.нар. amplifier telegram (AT) от задвижването към контролера. Процесът е периодичен и се синхронизира чрез т.нар. master synchronization telegram (MST). Текущата позиция на съответната ос между командите се определя посредством интерполация. На физическо ниво стандартът свързва интелигентни цифрови устройства, изпълнителни механизми и входове/изходи, използвайки конфигурация оптичен пръстен. Скоростта на обмен на информацията е функционално зависима от броя на възлите, включени в мрежата. SERCOS осигурява преминаването на всички данни, включително командата за грубо позициониране, инсталационната и диагностичната информация между управлението и задвижването по мрежата. Спецификацията на една SERCOS мрежа обхваща над 400 параметъра, с което отпада необходимостта от програмиране или възстановяване на диагностична информация от задвижването. Изискванията към окабеляването са значително намалени, тъй като командният сигнал и цялата обратна информация по позиция се маршрутизира по оптичната мрежа. Използването на SERCOS интерфейс за управление на задвижвания позволява да се събират много от конфигурационните стойности, които са уникални за всеки потребител - стойности на тока в двигателя в различните фази на движението, напрежението на шината, свръхнапрежение и пад на напрежението, както и характеристиките за енергийна ефективност.

PROFinet е сред най-широко разпространените fieldbus стандарти за автоматизирани системи с разпределена архитектура. Развитието на PROFinet през годините доведе до утвърждаването му като Real-time Ethernet решение за индустриална автоматизация. Появата на т.нар. Swiched Ethernet като отговор на съществуващите в индустрията изисквания по отношение трансфера на големи обеми информация, направи възможно разработването и на PROFinet IRT, който представлява Swiched Ethernet базирана комуникационна мрежа, съответстваща на високите изисквания по отношение на динамичните характеристики в областта на машиностроенето. IRT представлява определяем канал (deterministic chanel), включен в мрежата, който се поддържа едновременно с TCP/IP в магистралата и в устройствата. Каналът IRT се изпълнява хардуерно с оглед постигане на подходящата за управление на движението (motion control) ефективност.

За разлика от традиционно използваните Ethernet-базирани технологии PROFinet IRT поддържа т.нар. изохронен режим, при който всички точки от мрежата са прецизно синхронизирани. От друга страна, синхронизацията е необходима и за да се дефинира разделението на поддържаната честотна лента в две части - изохронна и неизохронна. Комутаторите, включени в изохронни Real-time Ethernet комуникационни мрежи, са синхронизирани с цикъла на комуникация. Постигането на висока точност на синхронизация (по-малка от милисекунда) е възможно благодарение на използването на автоматичен механизъм, записващ прецизно всички параметри на канала. Комуникационният цикъл е разделен на две части - определяема (deterministic) и отворена (open). През отворения канал на изохронните Swiched Ethernet технологии се транспортират TCP/IP фреймове, докато определяемият канал се използва за пренасяне на циклични фреймове.

Известно е, че Swiched Ethernet технологиите имат съществен недостатък, изразяващ се това, че фреймовете се задържат за определено време в комутаторите, преди да бъдат препратени по мрежата. Следователно, периодът от време, за който информацията се предава по мрежата значително, се удължава. Специален механизъм, разработен изрично за изохронни Real-time Ethernet решения, компенсира описания недостатък. Скоростта на трансфер по една Ethernet IRT мрежа е от порядъка на 100 Mbit/s при работа в режим на двустранна комуникация. Високата скорост прави възможна едновременната синхронизация на повече от 100 оси на движение при време на цикъл по-малко от 1 ms. Нарушенията в синхронизацията са по-малки от 1 микросекунда в паралел с неограничения TCP/IP трафик, характерен за Swiched Ethernet. Комуникационната технология IRT осигурява стандартна функционалност в отворения канал.

EtherCAT e цифров стандарт за управление на движение (motion control), разработен от Beckhoff. Като наименование, EtherCAT е абревиатура на Ethernet for Control Automation Technology. Въпреки че е възможно EtherCAT мрежите да се използват да изграждане на разпределени управляващи системи, трябва да се има предвид, че стандартът е разработен основно за централизирано управление. Като архитектура мрежите EtherCAT принадлежат към т.нар. мастер/слейв решения. Съвместими са с TCP/IP мрежи и други Ethernet-базирани решения, като PROFinet. Поддържат Ethernet топология. Във възможностите на мрежата е да обхване до 1000 входове/изходи, при осигуряване на напълно дуплексна връзка. На физическо ниво EtherCAT мрежите се изграждат чрез меден или оптичен кабел.

Мастерът управлява процеса на предаване на информацията по мрежата. Обикновено Beckhoff използва PC-базираните драйвери TwinCAT OS и TwinCAT Y. Мрежите EtherCAT имат вградена вътрешна синхронизация, въпреки че външната им синхронизация е постигната в съответствие с изискванията на IEEE 1588.

Мастерът определя приоритета на предаване на фреймовете през нормалния Ethernet трафик по мрежата. На практика, за да контролира трафика в мрежата, мастерът инициализира предаваните комуникационни телеграми, които са Ethernet стандартизирани и данните от полето са капсулирани в EtherCAT фрейма. Всяка телеграма може да съдържа множество EtherCAT команди. По този начин се реализира по-голяма ширина на покриваната честотна лента и по-висока ефективност на мрежата, при големи като обеми информационни пакети. Всяка команда съдържа три отделни полета - магистрално (header), за данни и т.нар. WC (Working Counter). Мастерът в EtherCAT мрежите напълно контролира включените към него слейвове. Информацията от слейвовете се получава единствено след изпращане на съответната команда от мастера, т.е. слейвовете не могат да инициират предаване на данни. В EtherCAT стандарта са заложени два комуникационни метода - Ether Type и UDP/IP капсулиране.

Комуникационният метод Ether Type не използва IP (Internet Protocol), което ограничава EtherCAT трафика към създадени подмрежи. От своя страна, капсулиращите команди, използващи UDP/IP, позволяват EtherCAT фреймовете да пресичат отделните подмрежи, обхванати от общата архитектура на мрежата, но това обикновено води до възникването на редица проблеми. От своя страна, включването на UDP/IP магистрално поле добавя 28 bytes към фрейма. Във функцията на EtherCAT, слейвове се използват от интелигентни възлови точки до 2-bit входно/изходни модули. На физическо ниво слейвовете се свързват чрез оптичен кабел или E-мрежа, в зависимост от разстоянията. Е-мрежата представлява EtherCAT физически слой за Еthernet, предлагащ LVDS (Low Voltage Differential Signal) схема. Многоточкови слейв-пръстени могат да съществуват върху отделна мрежа, ако са свързани през комутатор. EtherCAT слейвовете разполагат с вградена памет от 2 bit до 64 bytes. Разглеждат се като единични устройства, въпреки че в действителност могат да обхващат голям брой устройства. Слейвовете се конфигурират в т.нар. отворена пръстеновидна топология с Ethernet интерфейс в отворения край. Мастерите предават командите към т.нар. MAC адрес на първото устройство. Когато сигналът достигне до Ethernet интерфейса на слейва, той се преобразува до E-мрежова спецификация. Слейвът получава телеграмата, обработва я и я препраща към следващия слейв от "пръстена". Това внася известно времезакъснение от порядъка на наносекунди. Последният слейв връща цялата телеграма през "пръстена" към мастера. При обратния маршрут всеки слейв усилва и регенерира сигнала. Също така, всеки слейв разполага с два интерфейса, които осигуряват двупосочна комуникация. В процеса, при който слейвът обработва команда, адресирана към него, обемът на WC полето се увеличава. По този начин мастерът разбира, че съответният слейв е обменил информация, въпреки че коректността на данните не е гарантирана.

Всеки конфигурируем слейв разполага с т.нар. FMM (Field Memory Management Unit) модул, който е функционално предназначен да преобразува логическите адреси във физически и тази информация е на разположение на мастера при инициализацията. При получаването на телеграмата, слейвът проверява какво е адресирането й, което внася времезакъснение от няколко наносекунди.

Разработен е от компанията B&R Automation, специално с цел комуникация и управление на задвижвания. Във възможностите на Ethernet Powerlink (EPL) е да свързва още сензори, входно/изходни модули и други устройства в същата мрежа. Стандартът Ethernet Powerlink има отворена топология и в момента се подкрепя от над 40 компании, работещи в областта на автоматизацията и машиностроенето. Системите, разработени на базата на Ethernet Powerlink, са с децентрализирана архитектура. Стандартът поддържа CAN профил на устройствата, разработен и подкрепян от CAN групата, която обхваща голям брой водещи компании. EPL е Real-time (RT) протокол, базиран върху т.нар. Fast Ethernet. EPL устройствата използват стандартен Ethernet хардуер. Стандартът поддържа време на цикъл от 200 микросекунди с отклонение в границите на 1 микросекунда. Powerlink фреймът обхваща сервизна информация (Service ID), адресна информация (Destination Address), адрес на източника (Source Address) и данни (Data). Комуникацията е циклична от тип мастер/слейв. Във всяка EPL мрежа има един мастер, който маршрутизира целия трафик и е единственият активен възел, т.е. слейвовете предават информация единствено по заявка. По време на т.нар. стартов период, EPL мастерът предава т.нар. Start-of-Cyclic или Soc фрейм, който синхронизира слейвовете. Всички останали фреймове, предавани по мрежата, са с периодична последователност. След предаването на Soc фрейма, мрежата работи в т.нар. цикличен период, в който мастерът периодично изпраща до всяка възлова точка т.нар. Poll Request фрейм. Единствено след получаването на този фрейм, слейвовете отговорят с т.нар. Poll Response фрейм, съдържащ данни, като по този начин се избягват сблъсъци в мрежата. Слейвовете предават техния отговор до всички включени в мрежата устройства. След като успешно изпрати запитване до всички слейвове, мастерът предава т.нар. End-of-Cyclic (ЕoC) фрейм, с който информира всеки фрейм, че цикличният трафик в мрежата протича коректно.