伺服技術最新發展及工業以太網的興起

文:2017年第5期

    縱觀現階段國內伺服與運動控制領域的技術發展,大致可歸納為下面幾個方向:即總線技術、驅控一體化、小型化,以及可提供整體解決方案。其中,工業以太網的應用發展尤其值得關注。

    縱觀現階段國內伺服與運動控制領域的技術發展,大致可歸納為下面幾個方向:

    1、總線技術在伺服領域得到大范圍的應用

    無論是“工業4.0”的發展趨勢還是伺服技術應用水平的提升,都對總線伺服的應用和普及提出了新的需求,這也是各大廠家紛紛把網絡式伺服做以戰略性產品進行發展的判斷依據。近年來,各主流伺服廠家都在大力研發和推廣其總線伺服產品,試圖在總線伺服這一新的品類市場里搶占先機。

    2、驅控一體型伺服

    驅控一體型伺服系統由于內置PLC模塊,故具備一定的控制功能,也因此被部分廠家稱為“智能伺服”。從技術角度來講,此類產品是上位機運動控制和電機驅動控制技術的融合,具備一定的應用優勢:一方面避免了復雜的外部接線,保證了較高的通訊速率;另一方面,這樣的產品也非常有利于節省空間并控制成本。隨著產品性能的提高和完善,這類產品正在得到更多客戶的認可和接受,作為伺服技術發展過程中出現的一個新品類,有理由相信驅控一體伺服將會有更廣闊的應用空間。

    3、小型化

    小型化設計、緊湊式安裝是客戶從應用層面對伺服系統提出的需求,尤其在電子、醫療等應用場合對這方面的要求更甚。基于這一需求,伺服電機方面,分別從電機本體和編碼器兩方面入手,盡量縮短電機的長度;在驅動器方面則出現了兩種思路:一是設計多合一產品,有諸如一拖二、一拖三、一拖四等一臺驅動器驅動多臺電機的產品;二是參照歐式風格設計的書本式產品,驅動器的數目根據需求可靈活設計,緊湊安裝,在保證使用靈活性的同時盡可能縮小所占據的空間。

    4、從提供產品到提供解決方案的轉變

    行業競爭的持續加劇使得各廠家紛紛尋求新的優勢,各類行業解決方案的提出有利于幫助企業增強對客戶深層次需求的了解,實現和對手的差異化競爭,同時也加強了同客戶彼此間的黏度。從深層次來看,這是市場從產品滿足階段向需求滿足階段的發展。

國內交流伺服產品發展趨勢

    1、產品層面從“技術(功能)創新”向“技術突破(加強)”方向發展,從功能層面講,當前針對交流伺服系統的創新和開發已處于基本穩定狀態,各廠家對伺服系統的基本架構和所應具備的功能都有了較為清晰的認識。這一點從他們的產品功能設計上可以得到印證:

    (1)振動抑制功能,至少包含機械諧振抑制和末端抖動抑制;

    (2)參數自整定功能,包含電機參數自識別、慣量識別、參數自動更新、免調試等方面;

    (3)前饋功能,包含位置指令前饋、轉矩前饋等;

    (4)總線通訊功能;

    (5)具備一定的控制功能,如驅控一體產品;

    (6)高定位精度,采用高分辨率的編碼器。

    以上幾點是當前國內伺服產品從功能層面上體現出的一些特點,可以發現這些功能在各主流廠家的產品里都有所體現,同時也并沒有哪一家企業在某一項或幾項功能的性能表現方面能拉開競爭對手明顯的距離。這也說明,針對伺服產品功能的創新進入了一個相對穩定的時期。

    2、“品類戰略”在伺服行業的應用

    當產品層面上的創新趨于平穩的時候,帶來的一個結果就是同質化競爭加劇,除非企業具備較強的研發實力,能從技術層面同競爭對手拉開明顯差距,否則便很容易陷入彼此間的“白刃戰”——價格競爭。當然,在當前的國內伺服市場上還有這樣一類企業:他們的產品特色鮮明,應用市場也較為特定,雖然同處于交流伺服市場之中,但面臨的競爭壓力和對手

    的沖擊也相對較小,企業的利潤率也較同行偏高。這樣,在企業保住自己優勢行業的同時,還有余力去進一步加強自身的競爭力并以此為據點“覬覦”其他市場空間。目前各類行業“專機”、“驅控一體伺服”、“一拖多伺服”、“總線伺服”等皆可以劃分到此類產品中。

    其實從深層次看,這些產品的出現都是源于品類的分化,它們都是基于通用伺服這樣一個大的品類進行分化的結果,而品類的分化則是源自于對客戶需求的深層次了解、更充分的挖掘和利用客戶的心智資源。

工業總線迅速向以太網演進

    過去的幾十年,以太網技術一直在各個領域改變著行業的游戲規則,從早期的局域網,到后來的寬帶網絡,再到如今的互聯網。而現在,以太網技術的關鍵組件正在被用于工業控制現場總線,推動著整個制造業生態系統的演變和進化。

    事實上,多年以來,傳統的以太網技術和TCP/IP協議早就已經在制造業領域被廣泛應用于企業和車間的網絡信息系統和生產運營的管理系統中了,但卻極少被用于實際機器設備和產線內部控制數據和信息的交互和通訊。

    機器控制器本身(如PLC、IP等)及其與執行機構(如驅動器、電機等)和傳感器之間的通信,總是需要使用確定性的現場控制總線。而使用傳統的TCP/IP協議,是無法實現和滿足從機器控制到傳感器和執行器通訊的實時確定性要求的,因此它并不適用于作為工業設備的控制層總線。

    然而,在設備制造行業,機器制造商們(如那些制造數控機床、半導體設備等企業)卻看到了重復使用基于TCP/IP網絡設置的硬件組件的價值,因為,互聯網的爆炸性增長,為以太網通訊組件(如:通訊卡、電纜、接插件等)創造了一個廣泛通用的技術標準,使得這些網絡接口卡(NIC)和TCP電纜的成本大大降低,僅僅是傳統工業現場總線電纜和數據采集卡(DAQ卡)的幾分之一甚至幾十分之一。因此,與工業領域傳統的專用現場總線的配置相比,重復使用此類以太網硬件將可以幫助企業節省大量經濟成本。

    采用以太網作為現場總線的經濟效應是毋庸置疑的,因為以太網組件能夠幫助帶來顯著的系統成本的降低,同時又具有很好的通用性。例如,如果采用專有的現場總線,機器人制造商必須從單個供應商處購買整套運控系統組件:專用的I/O卡件,伺服驅動器、電機,和昂貴的線纜、接插件等等。而使用基于以太網的標準通訊協議,I/O卡件可以使用通用的以太網接口替代,專用的總線通訊電纜可以由通用的CAT5(5類雙絞線)電纜替代,而如果網絡標準能夠支持多個供應商,伺服驅動系統的成本也將顯著降低。

    與此同時,使用以太網連接設備系統組件也將變得更加簡單。例如,相比在設備控制器以及電氣元件上使用復雜的專用總線通訊電纜,采用類似家用/辦公電腦在聯網時使用的通用CAT5電纜將更加易于設備的管理和維護,而這些僅僅是以太網技術帶來的經濟效益中的一部分。

    業界很快意識到,盡管TCP/UDP/IP協議無法提供工業控制系統所要求的實時確定性響應,但是,無處不在且低成本的以太網硬件,包括:網絡接口卡(NIC)和CAT5以太網電纜等,卻可以被應用于為工業設備系統中,幫助提供控制應用所需的實時響應。

    而系統所需要的,只不過是一種新的實時通訊協議,它能夠使用以太網的硬件物理層,但同時也可以讓設備控制器與設備中所有傳感器和執行器的連接和通訊做到具備實時確定性。自本世紀初以來,各大知名的工業自動化廠商已經相繼推出了至少不下五種不同的實時工業以太網通訊協議,例如:EtherNet/IP、EtherCAT、PowerLink、ProfiNet和SERCOSIII等等。它們都被作為“標準”進行推廣,號稱可以重用以太網協議或以太網硬件,并且都承諾能夠降低設備實時控制系統的構建成本。而之所以會有如此多的“潛在標準”的出現,一個主要原因就是因為各家都有著明顯不同的技術方法可以做到重復使用以太網硬件組件(如:網絡接口卡和CAT5電纜),不僅大幅降低設備成本并提高機器的性能,同時使信息數據的傳輸和交互方式能夠支持實時確定性的應用程序。

    多個潛在的“標準”以太網協議的同時存在,或許還有另外一個原因,就是這些領先的工業自動化廠商正在試圖利用以太網技術節約其系統方案的總體成本。通過將自己的產品“標準”擴展延伸到以太網,客戶的確可以從以太網技術中獲得一定的優勢和價值,但從長期來看,他們卻仍然被牢牢的鎖定在廠家的專有網絡中。

    另外,新協議的出現的確能夠幫助用戶利用以太網技術突破設備現有的性能和成本。同時,與任何其他傳統工業現場總線相比,采用正確的實時以太網現場總線標準的機器制造商,也將能夠在性價比方面獲得非常明顯的競爭優勢。然而,這些對機器制造商和設備用戶們來說,或許已經不那么重要了,因為經過這些年工業以太網技術和產品的推廣和普及,用戶們現在面臨的挑戰已經不再是在傳統工業控制總線和工業以太網之間的選擇,而是在復雜且擁擠的市場中,面對太多的工業以太網協議“標準”之間激烈的競爭和它們各自體現出的不同的價值和優勢,很難知道應該選擇哪個“標準”才是正確的。如果采用錯誤(不恰當)的協議作為標準,就可能意味著不必要的成本消耗,并且由于性能的降低而犧牲競爭優勢。

    在關于工業實時以太網的各種討論中,有些看似非常樸素的事實卻經常會被人們忽略。網絡協議標準的選擇,其實不僅僅在于技術方面的硬性規格和屬性,如性能和傳輸速率等;還應該包括一些應用體驗方面的軟性指標和參數,如:易用性、開放性、獨立性、風險規避、一致性、互通性、長期可用性和系統分布特性等等,這些因素綜合在一起,將決定協議和“標準”能否被用戶認可或在市場中普及。(部分內容整理自“智造商”微信公眾號)

詳解松下RTEX運動控制總線

    RTEX(RealTimeEXpress),是松下獨有的運動控制總線,開發初衷是實現伺服所要求的高度實時性。其主要特點是:高性價比、簡單、高可靠性、易開發。

    通常的總線產品可分為硬實時和軟實時,如EtherCAT是屬于軟實時,而RTEX總線則屬于硬實時,硬件實時通過硬件來保證通信的實時性和穩定性,和軟實時比較,省去了大量軟件開發的時間。RTEX如何構成?

    以RTEX主站為核心,可以實現RTEX主站與從站之間的高速實時數據交互,通信周期最短可以是0.0625ms,單網段最大32個節點,節點可以包括伺服馬達、直線伺服馬達、IO、步進馬達、變頻器等。同時,在32節點以上,RTEX同樣可以通過追加CHANNEL(通道)數來實現節點數的倍增,每個通道最后在計算機CPU會師(其實200M主頻的MCU就足夠了),實時性不會受到任何影響。RTEX的拓撲形式?

    每個節點都有一個輸入、一個輸出,從而形成數據的單向運行,避免數據沖突和擁塞,保證數據的高速傳輸,因為單向傳輸可以避免數據擁塞,提高數據傳遞速度。

RTEX的適用場合有哪些?

    RTEX尤其適應于運動控制的應用,所以在伺服馬達的控制中,可以進行PP(規劃位置)、CP(連續位置)、CV(連續速度)、CT(連續轉矩)等方式的運行。PP控制通常是點位的控制,發出目標位置坐標來控制位置,常用于點到點,不需要關心行走軌跡的控制方式。CP控制則需要上位控制器不斷進行加減速度,位置的計算,不僅保證最終的位置,同時還要確保到達最終位置的軌跡也和期望的一樣,這樣的控制方式,可以保證伺服電機的同步運行,從而實現龍門控制等機械上容易因運行速度不一致而導致卡死的現象發生。

    RTEX是一種開放協議運控網絡。事實上,自從2010年起,RTEX就已經開始被應用在松下的MINASA4/A5伺服驅動器和FP系列控制器等產品中了,并且除此以外,很多第三方運動控制產品都已經很早就開始使用RTEX運控接口了,如:TRIO的MC4N系列運動控制器等。

    大家知道在國內MINAS系列產品的裝機使用量是極大的,而長期以來,大家一直習慣于使用傳統的PTO脈沖式控制接口,因此,對于用戶來說,如果選用RTEX技術升級系統網絡架構,不僅可以因為安裝和接線的簡化而受益,同時在編程和配置方面,可以延續使用現有產品體系,無需因切換到其他總線品牌而增加額外的改造和學習成本。

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