好东西来之不易
当涉及到原始速度时，没有什么能与硬电线相比，因此从硬电线到数字的改变需要特别注意速度要求。位于俄亥俄州，梅森的 Intelligrated公司控制和软件开发部经理Jeffrey Hanna说： “我们的主要挑战是设计总线以保持其在所要求的更新速率上。”
集成供应商提供仓储、分配、邮政、包裹和生产环境的材料处理解决方案。它生产传输、定寸、堆积和排序的机械设备。其系统通常涵盖非常大的地区，使数字化网络设计尤其具有挑战性。
公司的运动系统使用至少80个伺服电机和变频驱动器，所有这些设备都通过Profibus总线连接。“尽管我们的要求不 包含多轴协调运动，但他们需要非常严格的速度控制，我们经常需要多个网络来实现，”Hanna继续说，“根据需求，我们设计具有1毫秒，2毫秒或5毫秒更 新速率的网络。Profibus-DP有固定的信息格式，基于网络速度、节点数量和数据容量的更新速率是可预测的和确定性的。我们以1.5到12Mbps 速度运行网络。电缆长度可能与铜材料有关，因此从控制器到网络的第一个节点，我们使用光纤以满足速度要求。”
数字运动总线优于硬电线的优势
1. 更少的布线
2. 增加的带宽
3. 更适合于分布式控制
4. 所需维修更少
5. 更好的抗噪声
6. 更好的诊断
7. 更易化的软件/固件运动控制器更新
8. 更精确的同步
9. 增加/减少控制器更灵活
10. 降低设置时间 尽管Hanna描述的配置没有同步要求，其他运动控制系统也是如此。“对数字运动总线的时钟周期同步可以采用一种或两种方式实现”， Siemens公司运动控制器产品部经理Zuri Evans解释说，“第一种方式是发送一个中断事件给控制器读取输入或设置输出。该方法的缺点是系统不允许高优先权任务的中断，如运动控制，因此中断必须等到直到高优先权任务完成，其将产生抖动。”
 
为了减少抖动，分布式设备有自己的高速率系统时钟，其与控制时钟同步。Evans继续说：“当设置输入时，分布式设备捕 获时间戳。然后该设备在同步数字现场总线上发送该时间戳，控制器推算事件发生时的时间位置。这使得抖动达到少于1毫米的精度。这也允许控制器推算出事件发 生时多轴所在的位置，不只是一个轴。”
实现数字总线的挑战
1. 满足速度要求
2. 选择合理的总线
3. 寻找兼容组件
4. 培训人员
5.克服惰性 另外一个网络设计挑战涉及到合理的电缆屏蔽。集成运动公司的Mullins指出：“我们必须
使用正确的电缆和布线方法，以确保数字总线不被电气噪声妥协，我们应该紧密关注制造商推荐的屏蔽措施。”
Mullins说，另一个巨大的挑战是需要对不支持通用数字总线协议的不同运动控制器进行集成。他补充说：“在这种情况下，数字总线转换器模块可以被使用，但其提高了成本和复杂性。”
 
如果只有一个数字网络并且如果所有控制组件与该网络连接，那么集成将变得很容易，但是情况并非如此。“因为网络实现可以改变，所以设备互操作性通常是一个与运动总线相关的问题，”   Kollmorgen 产品生产线经理Josh Jensen 指出，“不同的网络具有不同程度的功能验证和设备互操作性测试。这可能会导致延迟并产生费用，但假设坚持相同的规格选择两个设备时，区别可能并不明显。” 为了解决该问题，Jensen说Kollmorgen公司保持SynqNet互操作实验室，继续对所有设备的组合进行测试。
数字化可以做到这一切吗？
从理论上来说，一个具有良好设计的数字网络不需要任何辅助硬电线，但实际上情况并非总是如此。“大多数驱动器让使能输入端采用硬电线，因此即使总线通信中断，驱动器可能被关闭。”先进机械自动化公司的WoyaK指出。
尽管实现独立的数字安全总线是可能的，但在所有应用中，这并没有任何意义。“尽管许多厂商提供了安全数字总线，一些用户 还是喜欢硬电线安全电路，因为不需要编程，或许还因为较低的硬件成本，”集成运动公司的Mullins指出，“使用安全数字总线的优点对大系统来说是很显 著的，安全运动功能在系统中由应用程序来满足。”
添加安全功能到运动总线通常是成本和性能的问题，而不是技术可行性问题。CAN 自动化公司管理部负责人Holger Zeltwanger说：“在CANopen和许多其他运动总线上，如果有足够的带宽，您可以将安全相关信息与非安全相关信息混合。借助于两个网段，某些 系统设计师可能更倾向于独立的安全和非安全消息，其通过网关或路由器互连接。”
随着数字化运动控制网络变得越来越普及，他们最终将纳入整个控制系统中，废除几乎所有硬电线。B&R公司的 Muehlfellner预言：“驱动器中的集成安全功能将删除对硬电线驱动使能信号的需要。这些驱动器也将提供额外的安全功能，如安全停滞——是电机能 在动力下保持的一种状态，而机器是电子停止、安全停止、安全速度和更多的停止状态。典型的驱动器I/O和限位开关，还有主编码器，和家里一样，也将被远程 联网。”
为了说得更直观点，使用大家都明白的比喻，我们借用了设备制造商的一句话。“安全功能的完全网络控制正在逐渐出现，” Speedline's Klauser相信，“如果自动汽车可以通过网络驾驭和刹车，安全性可以通过类似方法在机器上实现。”
位于苏塞克斯，威斯康星州的Quad Graphics 是一家商业印刷机公司。该公司的图形再制造和技术（GR/T）部门所提供自动化和其他技术，领先于现有的印刷技术和定制胶印印刷机。无论是其印刷部门还是 精整部门，Quad公司已对现有的18多个印刷机进行了重新制造，还有配套设备。
对于运动控制，GR/T部门广泛使用数字总线通信。GR/T部门的项目技术支持员Dave Leitinger 说：“我们的旧印刷机使用基于继电器和硬电线连接的模拟控制平台，处理器和通信速度缓慢，且不是实时性的。速度、模块化和传输的数据量是当今市场的关键因 素。随着Profibus 和 Profinet的发展，我们已经能够将先进的数字技术带到再制造印刷行业。这使得我们能够废除旧线轴和慢速的HMIs，将IT世界带到工厂车间。现在我 们有能力模块化辅助印刷设备， 并把具有开关翻转功能的设备带到生产线上。”
Leitinger 说，数字总线已经为具有更多的带宽、更高的可扩展性、TCP/IP互联网兼容性、安全集成和实时确定性的系统控制，打开了通信体系架构。
目前的一个项目是对现有的印刷机重新制造，分为两个独立的印刷生产线，每个生产线能够独立在线完成生产。“我们必须使用 一个翻转开关来关闭两个生产线中的其中一个，将两个印刷生产线变为单个生产线，” Leitinger指出，“这需要100多个Profibus总线，14个Profinet点，90个运动控制轴和28个HMIs。”所有这些组件同时必 须提供安全性集成和实时响应。
Leitinger说：“通过高速数字网络实现该控制系统，降低了安装和硬件成本，Profinet能以250微秒的周 期实时性地满足高速率要求，几乎没有延迟变化。除了新组件以外，新型控制系统需要更少的控制柜地面空间和开放拓扑设施。现在我们有了远程访问诊断工具，还 有生产所需要的数据捕获。”
新型控制系统废除了硬电线的安全控制。现在安全站、警卫和机动控制对西门子Simatic故障安全PLCs和具有安全扭转切断功能的Simatic驱动器是有线冗余和局部性的。
“Pofisafe的Profinet使我们在现场总线上批准安全信号，同时遵守所有安全性协议和标准，” Leitinger总结说，“这给予我们在现场总线上批准安全相关信息的优势，同时节省了额外和昂贵的布线费用。”
如何测量吞吐量
在运动控制系统中，从硬电线到数字网络转换的一个主要挑战是能够保持足够的速度。原始规格只讲述了故事的一部分
数字网络标准组织 ODVA 公司的执行董事Katherine Voss说：“网络性能对分布式运动控制网络的成功实现至关重要。然而，人们经常错误使用线速作为性能的主要指标，而实际上对有效网络，比原始数据速度有一个因素更加重要。
ODVA公司认为总的系统带宽和总的协议效用至少与比特率同样重要，据说吞吐量是带宽最有效的措施，其也是衡量网络系统整体性能的最佳方式。对吞吐量合理有效的定义指基于逻辑决策，从一个事件变化的检测（输入）到驱动（输出）的时间。
因此，ODVA说，吞吐量是几个因素的结合，包括了协议效率（总数据包大小的数据比率），网络模型（信息流动模式/数字和消息频率），波特率（基于电线的原始比特速度）和节点处理时间。
Voss说：“对于分布式控制架构，分布式运动控制系统是最严格的实例之一，通常需要大量的配置、局部化情报和复杂的算法以达到预期的机器性能。”
某些网络如以太网/IP，其支持如I/O消息服务以配置轴和文件传输协议，与控制协议使用相同的电线。单点连接和内置消息优先权允许这种架构提供给机械设计师分布系统，易于维护。
Voss说：“控制网络的最大挑战是添加或删除工作单元以作功能变化，当工作单元的组合改变时，某些网络需要大量的编程 修改或信息重新布局。数据流可以改变，引起中断错误和破坏网络效率。然而，面向对象模型和逻辑处理，如以太网/IP使用的通用工业协议（CIP）允许工作 单元的添加或删除，不需要其他网络节点的重新配置或通信路径。”
作者信息:
Dan Hebert
PE高级技术编辑

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