基于工业以太网的运动控制系统

1 引言

　　当前网络技术的迅速发展，给制造业带来了新的变化和重大影响。网络向控制领域的渗透引起了控制结构的改革，提高了控制效果，相应的也进一步促进了网络技术的发展。网络控制系统（networked control systems，简称ncs），即信号经过网络进行传输的闭环控制系统[1-3]。它是计算机技术、通信技术与控制技术发展和融合的产物，体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的发展趋势。

　　欧美运动控制厂商陆续发布了基于100mb/s以太网的分布式智能控制系统，提出“网络就是控制器”的观点。其特点是：

　　（1）类似internet的结构，对数据的实时传输不需要编程，不需要考虑网络的层次结构；

　　（2）对用户来说，只有一组数据和一个程序，所有数据在网络中只需表达一次，程序和数据均可以重复使用，网络扮演真正服务器的作用；

　　（3）可连接到internet，实现整个工厂全球化联网；

　　（4）以太网既是连接到各种智能模块的系统总线，又是连接现场设备的现场总线，内部和外部的通信在此没有什么区别，集线器技术被集成在每个控制器中，通过分配地址空间将内部通信从外部通信中分离出来。

2 以太网在工业应用中的不足

　　高速以太网的出现虽然缩短了响应时间，提高了网络的性能，但并没有完全解决其在工业控制中的问题。

　　（1）没有根本解决不确定性

　　虽然目前以太网的传输速度大幅度提高，但它仅仅是上平均速度的提高，这对严格的实时控制系统来说是不可靠的。交换机的引入会增加网络的复杂程度，而且交换机不能保证在恶劣的工业环境中正常工作。即使增加以太网的带宽，系统的效率也不会随着带宽的提高而线性增长。例如，具有6个16biti/o的系统，其巡回时间是1.9ms,其中数据在网络上的传递时间为0.69ms,剩余的1.21ms是软件延迟时间。由于软件延迟时间不随带宽变化，因此在100mbps的快速以太网上，该系统的巡回时间是0.69/10+1.21=1.28ms。可以看出网络速度提高到1000%，而巡回速度只提高了33%。

　　（2）带宽利用率不高

　　如果建一个有6个i/o节点的网络，每个节点有16bit的i/o，则该网络的总通信量是6*2*72*8=6912bit，因为以太网实际帧长度为72个字节。而can总线的有效帧长只有64bit，且没有最小数据包长度限制。相同的远程i/o系统can只需6*2*64=768bit的通信量，是以太网效率的9倍。即使以太网最小帧长度为64个字节也足以使只有16 bit的 i/o不堪重负。

　　（3）安全性不高

　　以太网不能给现场设备供电，没有冗余，不能及时恢复，一处故障可能会导致整个系统的瘫痪。与internet/intranet连接虽然可以实现控制网络与数据信息网络的接合，大大降低企业成本，但信息网络的故障可能会导致工业控制网络也不能正常工作，增大故障率，且黑客的存在使得控制网络的信息安全受到了威胁。

　　（4）应用层定义正在形成新的互联壁垒

　　以太网与工业现场控制相结合的一个重要出发点是以太网有良好的互联性，当前众多厂商开发的工业以太网在上层协议，特别是应用层上未形成统一的标准。例如,若要将modbus profibus、devicenet、controlnet、canopen协议转换到tcp/ip上，把多种不同的协议应用于同一网络，并让它们与同一主机在同一时间对话，则每种协议都要有一个driver。因此，供应商设计了不同的协议，并把它们统称为工业ethernet网，但是它并未真正解决通用标准的问题。

3 基于ethernet的网络控制系统设计原理

　　在网络运动控制系统的运行过程中，所有控制设备都是以网络形式连接的，可以实现远距离的调速及控制参数的设定等。由于现场总线可以把多个设备连接成网络，并按公开、规范的通信协议，实现网络上的设备与计算机的通讯和控制。所以采用现场总线可以方便地建立远程多机调速系统。

　　现场总线运动控制系统一般由多个分布传动点构成，其交/直流调速系统网络化设计如图1所示。该网络化系统主要由变送器、交/流伺服驱动器、交/流伺服电机、现场总线、plc控制器或独立式运动控制器、控制计算机等构成。在此网络化系统基础上，通过远程网络进一步构成远程控制系统。

图1 交/直流调速系统网络化设计框图

图2 网络运动控制系统实物图

图2为假设的远程网络控制实物连接图，远程控制技术比其它形式的网络更快、更有效，尤其在需要使用被控端计算机上的软件程序时更为突出。当在远程会话过程中运行软件程序时，实际的进程是在被控端计算机上执行的。只有输入和输出信息（如键盘、鼠标和屏幕信息）在控制端（主机）和被控端（从机）计算机间