如果一台设备或者机器人需要使用运动控制，那么其自动化系统很有可能将会使用高速数字运动控制网络。这些网络具有多种好处（同步、时间标签、毫秒级刷新和微妙级抖动甚至更高），然而，这些网络的设计需要对高可靠度、最大速度、低成本以及操作和维护简便性做出考虑。
        很多运动控制应用对于速度很敏感，因为更高的速度就意味着更高的产量。随着速度的提升，运动控制网络的细节设计就变得越来越重要。本文将介绍如何最大化运动控制可靠性和速度，确保运动控制组件的可用性，最小化成本，确保操作和维护的简便易行。
        高速的需求
        几乎每一个现代数字运动控制网络都是基于以太网的，但是在协议层面上和每一个运动器件的通信硬件上的差异却是巨大的。通常，每一个运动器件都配备有一块通信芯片，与网络中的其他器件进行通信。协议和芯片协同工作，为特定任务优化通信（此处指运动控制）。当对基于以太网的运动控制网络进行评价时，必须确保表格中所列的关键要求都满足了。到底哪一个要求更加重要，取决于应用的性质。选择合适的运动控制网络能够确保设备或者机器人以最大速度正确生产零件。
        运动控制网络最重要的要求是可靠性和高速度。大多数现代运动控制网络都是非常可靠的，能最大限度地减少组件出现故障的可能性，所以运行可靠性取决于其他因素——也就是误差校验和快速恢复。这些关键特性能够保证正确地生产零件。高速度能够提高产量，生产更多零件。
        设备或者机器人运动控制命令通常从主控制器传送至运动控制组件。这些命令包含一定信息，例如目标位置、速度及扭矩。同样，运动控制组件也经常向主控制器回传数据，说明实际运动控制参数。为了确保达到高速度，所有的数据都应该快速、完整地送达。在个别情况下，数据会被破坏或者丢失，此时网络应该检查问题，并作出合适的响应。
        例如计算机数控（CNC）应用。CNC需要为运动控制组件提供准确的数据，以确保切割工具能够切割出正确的形状。如果有数据丢失，CNC将会使用以前的运动数据包控制工程网版权所有，或者从以前的数据点推断信息（图1），这些丢失的信息会影响产品质量。

图1如果没有数据重发机制，运动控制网络中的数据就会出现错误。图片来源：Yaskawa 美国公司。

        解决数据丢失的方法很简单：一旦发生误差，设备就停止然后重启。这种方法的缺点是一旦系统对于噪声非常敏感或者有其他能够导致数据频繁丢失的条件存在，那么设备就会经常重启。
        更好的解决方案是使用通信网络，在数据异常时自动重发数据。例如Mechatrolink运动控制网络，它可以检查运动控制组件接收到的数据与主控制器发出的数据是否一致，而且在初始数据发出之后的瞬间就可以完成。如果运动控制组件接受到异常数据，运动控制网络就会针对这些运动控制器件重发数据。新发送的数据与原始数据的发送循环一致，只是位于数据流的末端（见图2）。重发数据仍旧置于原有通信循环的目的是最大化数据恢复速度。数据重发机制对于保证每一个通信循环的数据准确性是十分有用的，而且它还能确保系统在强干扰环境中正常工作。

图2具有数据重发机制的控制网络数据能够保持正确。图片来源：Yaskawa美国公司。

        确定实际速度
        基于以太网的通信速率通常是100MbpsCONTROL ENGINEERING China版权所有，例如Mechatrolink、SERCOS、Profinet和EtherNet/IP。实际的应用速率取决于运动控制系统执行连贯动作的速率，而这是由循环时间决定的。
        确定循环时间的两个最重要的变量是发送到每一个运动控制器件的数据量和器件的总数量。多数情况下，基于以太网的运动控制网络都支持对发送至每一个运动控制器件的数据量进行变更，以适应具体的应用。
        在很多基于以太网的运动控制网络中，作业状态下的实际速率是很难计算的。实际速率必须考虑所有影响循环时间的因素。一些运动控制网络公司，例如Mechatrolink，提供了一种工具，用户可以输入网络结构，计算循环时间（见图3）。

图3 Mechatrolink运动控制网络提供了一种工具，可用于确定最小循环时间，进而达到最高可能速率。图片来源：Yaskawa 美国公司。

        循环时间计算工具对发送至每个运动控制器件的数据量、器件总数、通信电缆长度、是否使用集线器以及所有Mechatrolink芯片延迟这些因素进行综合考虑。此工具帮助确认运动控制网络体系结构是否能达到预期的速率。
        选择运动控制网络的另一个要求是可互操作组件的可用性。大多数设备和机器人制造商对于自动化器件供应商的选择都由所偏好。对于集成运动控制系统来说，器件的共用性很关键。
        兼容性的重要
        基于以太网的运动控制网络公司通常都会对组件进行一致性测试，以判断其是否兼容特定通信协议。还有一个通用的政策就是，如果组件无法通过一致性测试，那么通信协议的Logo就不允许在组件上做标识。
        例如www.cechina.cn，一台设备或者机器人自动化系统可能包含主控制器、远程I/O、显示系统和伺服电机驱动器。通过组合并匹配不同供应商的产品，可以得到最好的性能和最低的价格。具有大量可选兼容器件的运动控制网络能够为满足应用需求提供更多的选择。
        即使组件在设计阶段经过了仔细的选择，在实际的试运行阶段也有可能发现这个特定的组件并不合适——例如www.cechina.cn，所选的远程I/O无法按预期工作或者显示系统具有局限性而在设计之初并没有发现。使用兼容组件可以实现所需的改动CONTROL ENGINEERING China版权所有，而不会对自动化系统的其他部分造成影响。
        以太网同时搭载多种协议的能力似乎意味着一种混合并匹配多种通信协议和自动化组件的可能，但是混合协议会带来问题。如果只有一个而不是两个或者更多通信协议，那么基于以太网的运动控制网络发生问题的可能性就会降低。一些基于以太网的运动控制网络具有两种内嵌的协议，其中一种协议是另一种协议的载体。
        幸运的是，很多知名的运动控制网络不会发生这种情况，例如Mechatrolink、SERCOS、Profinet和EtherNet/IP。这些网络都只采用一种完整的协议CONTROL ENGINEERING China版权所有，使用一致性测试并且仅允许通过了一致性测试的器件标识其Logo。确保了在使用不同供应商的器件进行运动控制网络设计时的兼容性。
        热插拔与维护
        在选择运动控制网络时的另一个关键因素是操作和维护的简易性。正如之前所述，合适的运动系统网络能够增加开机时间，通过自动误差校验和恢复简化操作。很多工厂的标准维护流程要求关闭生产线以对某一处的设备或机器人进行维护。这种流程要求在发现通信系统任何部分断开或者检测到通信任何错误时就会重启网络。

图4 由于具备了热插拔功能，运动控制器可在保持运作的同时实现组件的增加或者替换。图片来源：Yaskawa 美国公司。

        一种更加有效的维护流程是采用热插拔技术，允许设备或者机器人保持开机状态。很多基于以太网的运动系统网络，包括Mechatrolink、SERCOS、Profinet和EtherCat都支持热插拔操作。这种机制允许随时增加或者替换运动控制器件，而不会影响主控制器和其他器件之间的通信（见图4）。只要有足够的兼容产品以供选择，这种网络体系结构就很容易实现，可以在设备保持运转的同时增加或者移除运动控制器件。