一、現場總線控制網絡 ——信息技術發展在運動控制領域的延伸 現場總線作為現場控制網絡技術，被視為公用數據網絡在運動控制領域的延伸，它的興起為自控技術本身的發展提供了新的機遇。 現場總線可采用多種介質（多種有線和無線方式）傳送數字信號。在兩根導線上可掛接多至幾十個自控設備，能節省大量線纜、槽架、連接件。減少系統設計、安裝、維護的工作量。 現場總線形成真正分散在現場的完整控制系統，提高了控制系統運行的可靠性，豐富了控制設備的信息內容。 為控制信息進入公用數據網絡創造了條件，溝通了現場控制設備之間及其與更高控制管理層網絡之間的聯系,便于實現管控一體化 控制網絡與數據網絡的結合，便于實現信號的遠程傳送與異地遠程自動控制。 1、現場總線是一種控制系統框架 現場總線控制系統是建立在現場總線技術基礎上的網絡結構扁平化，具有開放性、可互操作性、常規控制功能徹底分散、有統一的控制策略組態方法的新一代的分散型控制系統。 2、現場總線運動控制系統的典型應用： 1 PC+獨立數字運動控制器+執行機構=開放式運動控制系統 2 觸摸屏+獨立數字控制器+執行機構=開放式運動控制系統 上述兩種結構是伺服控制系統的發展方向，也是運動控制技術的發展方向。 它能充分利用PC 機和觸摸屏的資源，由第三方軟件完成用戶應用程序開發，將生成的程序指令傳送給運動控制器，由控制器不斷轉譯產生更新的位置命令（運動曲線）并通過通信總線下傳給驅動器，電機驅動器將控制電流傳送給電機，這樣完成命令所需定位。在一個多軸系統中，一個控制器可以控制多個電機或驅動器。伺服電機是主要的執行部件，完成具體動作。 總線將分散的有通信能力的測量控制設備、驅動控制設備作為網絡節點，連接成能相互溝通信息，共同完成自控任務的控制網絡 現場總線控制總線數據傳輸方式 二、現場總線運動控制系統發展趨勢 現場總線發展中的新軍————以太網 工業自動化系統正向網絡化、智能化的實時控制方面發展，因此通信已成為關鍵，用戶對統一的通信協議和網絡的要求日益迫切。另一方面，Intranet/Internet等信息技術的飛速發展，要求企業從現場控制層到管理層能實現全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎構架，但目前的現場總線尚不能滿足這些要求。至于以太網存在的不確定性和實時性能欠佳的問題，已由于智能集線器的使用、主動切換功能的實現、優先權的引入以及雙工的布線等，基本上得到了解決。通過提高數據傳輸速率，仔細地選擇網絡的拓撲結構及限制網絡負載等，可將發生數據沖突的概率降到最低。 目前世界上已有一些國際組織從事推動以太網進入控制領域的工作，如IEEE（美國電氣和電子工程師協會）正在著手制訂現場總線和以太網通信的新標準。該標準將使網絡能看到“對象”。IAONO（工業自動化開放網絡聯盟）最近與ODVA和IDA集團就共同推進Ethernet和TCP/IP達成共識。 ODVA于2000年3月17日發布了一個為在工廠基層使用以太網服務的工業標準。 FF于2000年3月29日公布了高速以太網（100Mb/s）的最終技術規范（FSI1.0）。 工業以太網協會與美國的ARC、Advisory Group等單位合作，開展工業以太網關鍵技術的研究。目前1000Mb/s以太網的發展已進入實用階段。由以上分析可知，以太網進入工業控制領域是一個不可忽視的發展趨勢。 現場總線應用前沿——嵌入式網絡化運動控制系統（NCS） 運動控制（伺服）就是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預期的運動軌跡和規定的運動參數進行運動。開放式結構的運動控制系統是一種模塊化、可重構、可擴充的軟硬件系統。 2000 年11月國際權威制造技術研究機構德國UHILFSJKGH 研究院的院長VIHFGQWGH DA教授，在上海召開的第一屆國際機械工程會議上作了題為“網絡生產——制造業全球化的前景”的大會報告，強調了網絡生產在制造業中發展的重大影響和作用，指出了制造全球化、制造敏捷化和制造虛擬化均離不開制造網絡化的支撐環境。 嵌入式運動控制器 上圖給出了嵌入式運動控制器的體系結構，從圖中可以看出將運動控制器劃分為網絡通信模塊和運動控制模塊兩個主要部分。其中，網絡通信模塊直接與Internet連接，并按照預先確定的通信協議從控制臺那里取得控制命令，然后將命令交給運動控制模塊。運動控制模塊則直接和電動機驅動器相連，它在對命令進行分析和判斷之后，產生相應的電動機控制信號傳送給電動機。另外，命令執行的結果也會返回給網絡通信模塊，由它再通過網絡返回給控制臺。 嵌入式運動控制器主要特點 1. 運動軸擴展 用子板（Daughter Board）在控制器上進行運動軸擴展。 可用Fiber Optic Network將多個控制器聯網，可以控制更多軸。 步進軸（脈沖+方向）、伺服軸（模擬量指令+位置反饋）可混合配置。 2. 數字量輸入、輸出擴展 3. 模擬量輸入、輸出擴展 4. 位置反饋接口擴展（A/B/Z、SSI、SIN/COS） 5. 現場總線接口擴展：CAN、SERCOS、EtherNet、ProfiBus、DeviceNet、 ModBUS、HostLink等 “嵌入式以太網的現場設備以及嵌入的Internet服務器不久都將成為現實”這個來自Siemens Energy & Automation的網絡產品經理Horst Kohlbert的預言提示工業以太網即將進入現場控制級。 以太網是未來控制網絡的最佳解決方案，將會成為主導現場總線，但現場總線技術也絕對不會輕易退出已有的市場，各種現場總線之間可以互相取長補短，進一步完善。各種現場總線均有一定的技術側重面和應用領域互補性較強，在某一方面更具權威。 多種現場總線總線共存，不利于用戶的投資，不利于生產廠商的投資。眾多的總線標準就等于沒有標準。 現場總線技術的百花齊放與興盛發展 網絡化運動控制系統（NCS） 網絡控制系統要求用于控制領域的現場總線是具有高網絡性能的數字式互連網絡，具有互操作性和開放性。數字式互連是網絡的基本特征。互操作性要求采用統一的標準和協議來實現。開放性指技術公開且被廣泛應用。而現在多種現場總線標準并存已成定局。不同公司為了各自的利益，把持著標準的制定工作，使現場總線不易廣泛應用。目前，以太網技術是最符合網絡控制系統現場總線特點的技術，因此許多公司已經將以太網引入到工業控制網絡中。 “網絡就是控制器” 德國Jetter AG公司的自動化系統、以色列ELMO公司的MAESTRO、英國TRIO公司的立意新穎，它是基于100Mb/s以太網的分布式智能控制系統，宣稱“網絡就是控制器”的觀點。其特點是： （1）類似Internet的結構，對數據的實時傳輸不需要編程，不需要考慮網絡的層次結構； （2）對用戶來說，只有一組數據和一個程序，所有數據在網絡中只需表達一次，程序和數據均可以重復使用，網絡扮演真正服務器的作用； （3）從傳感器到工廠管理層，只有一條以太網總線進行直接通信； （4）可連接到Internet，實現整個工廠全球化聯網； （5）以太網既是連接到各種智能模塊的系統總線，又是連接現場設備的現場總線，內部和外部的通信在此沒有什么區別，集線器技術被集成在每個控制器中，通過分配地址空間將內部通信從外部通信中分離出來。 嵌入以太網的I/O 早在1998年，Foxboro公司就成功地將其Micro-I/A自動化系統中的以太網I/O用于德國Bayer AG公司的氯堿分廠，以太網將所有現場設備、控制器和PC機工作站集成為一個高可靠、低成本的實時控制的信息網絡。近年來，一些公司已推出不少以太網I/O產品，舉例如下： （1）Opto 22從1998年第四季度起開始提供以太網I/O產品，并不斷擴展和改進其產品，如開發符合802.11和802.11b的無線電訪問以太網產品和用于管理的SNMP以太網產品； （2）National Instruments的Field Point I/O能提供現場設備到以太網的鏈接； （3）SixNet提供嵌入以太網芯片的I/O模塊； （4）Optimation（Hutsrille, Ala）發布內裝以太網的I/O新產品； （5）Automation direct.com和Omron Electric聯合宣布的以太網I/O新產品已面市； （6）GE Fanuc Automation在2000年的美國國家周上宣告其所有的自動化產品均支持與以太網的鏈接； （7）Zonework（Temecala, Calif）推出其第一套產品，聲稱是使傳統的自動化控制器能訪問以太網的基礎結構； （8）Action公司的子公司Busware公布以太網的E系列I/O模塊，如圖3所示。 此外，現在已有嵌入以太網芯片的智能現場總線設備問世，如Schneider Electric的Altivar 58變頻器，不僅能連接到本公司的PLC系列，亦能連接到內裝有Web服務器的第三方控制器。通過該控制器，還可遠程存取Altivar 58變頻器的各種數據。 高速以太網雖然縮短了響應時間提高了網絡的性能，但并沒有完全解決其在工業控制中的問題。 1 沒有根本解決不確定性。 2 帶寬利用率不高。 即使以太網最小幀長度為64個字節也足以使只有16 bit的 I/O不堪重負。且在這64個字節中，18個字節是被以太網自己使用的，TCP/IP的數據報頭也要占用40個字節，因此用戶只能使用剩下的6個字來存放數據。 3 安全性不高。 以太網不能給現場設備供電，沒有冗余，不能及時恢復，一處故障可能會導致整個系統的癱瘓。 4 在應用層沒有統一的標準。 工業Ethernet網雖可以將Profibus、Devicnet、modbus、controlnet、canopen協 議 轉 換 到 TCP/IP上 ，把多種不同的協議應用于同一網絡，并讓它們與同一主機在同一時間對話，但是它并未真正解決通用標準的問題。 TCP/IP The Technology - TCP/IP Stack & Ethernet Ethernet Daughter Functional Block Diagram 基于以太網和現場總線的系統構件1 1. 利用英國TRIO控制器擴展 2. 利用以色列MAESTRO控制器擴展 舒志兵 shuzhibing@163.com 南京工業大學運動控制研究所 南京工業大學自動化學院 Tel:13905172465