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运控设备使用千兆级网络的意义何在

www.cechina.cn2019.04.21阅读 626

  去年 11 月,Beckhoff 推出了通讯速率可达 1 Gbit/s 的 EtherCAT G 总线技术控制工程网版权所有,并宣布已将其应用于新的平面传输系统 XPLANAR 中;与此同时,CC-Link 协会(CLPA)也发布了新一代基于 TSN 技术的千兆级实时以太网协议 CC-Link IE TSN,三菱电机称会在即将面市的 MELSERVO-J5 伺服驱动系统中集成这项技术... 

  PicSource: Beckhoff | EtherCAT G

  种种迹象表明,运控设备系统似乎正在步入千兆以太网的时代。
  那么,在运动设备中使用千兆级工业以太网的意义在哪里呢?

  PicSource: BELDEN | TSN

  首先,我们知道,作为一种应用于产线设备层与控制执行层的技术,运动控制对于总线通讯的要求,通常是体现在数据传输的实时性与确定性方面的。通讯速率的大幅提升,意味着单位数据在设备间传输所消耗的时间将明显缩短,这对于数据传输的实时性、确定性来说,本身就是一种更为有效的保证。

  PicSource: Beckhoff | EtherCAT G

  其次,如果把这种千兆级网络落实到运动控制系统中,那么在控制层与设备层(驱动器、I/O)之间数据交互的刷新速度和采样频率就会变得更快,系统处理运控任务的时间周期也将因此而变得更短,这显然是有助于其动态响应性能和运动控制精度进一步提升的。

  PicSource: MITSUBISHI Electric | MELSERVO-J5

  例如,我们可以看到,三菱电机将要发布的 MELSERVO-J5 和 iQ-R  运动控制模块控制工程网版权所有,因为采用了新的 CC-Link IE TSN 技术,其最小数据演算周期已经缩短至仅为 31.25 μs。

  PicSource: Beckhoff | EtherCAT G

  同样,Beckhoff 也将新的 EtherCAT G 与百兆级的 EtherCAT 在数据传输周期上进行了一番比较,其最长 1500 Byte 用户数据的传输耗时已从原来的 122.40 μs,缩短至仅为 12.24 μs;能够在 30 μs 内刷新 100 个伺服轴的数据,或在 15 μs 内刷新 2000 个数字量输入 / 输出。

  PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN

  当然,对于上面提到的千兆级网络来说,要在系统性能上对运动控制系统起到助力和提升的作用,其实是有一个重要前提的,就是其网络通讯协议中必须有可靠的时间确定性机制。这也是为什么 EtherCAT G 继续保持了 EtherCAT 的技术基础,而 CC-Link IE TSN 则引入了新的时间敏感型协议标准的一个重要原因。

  PicSource:Siemens.com/press | TSN

  不过www.cechina.cn,当设备层通讯从百兆提升到千兆级别时,除了传输速率的提升给系统运行带来的各种时间周期上的优化,我们还应该看到,整个系统在单位时间范围内所能够承载和处理的数据容量其实也随之显著增加了。而这对于运动控制系统的影响,就不仅是在运控特性这个单一维度上的事情了,它将会涉及到设备应用的诸多层面。

  PicSource: Beckhoff | EtherCAT G

  就运动控制系统本身来说,随着设备自动化程度的不断提升,设备运控轴数的增加已经成为一个必然趋势,此时,它所要承受的数据压力 ,将不仅来自越来越多的运动控制回路,还有它们之间越来越错综复杂的运动学关系(包括:各种同步、凸轮、插补、轨迹关联...等等)。

  PicSource: Beckhoff | EtherCAT G

  而要能够应对这种呈几何级数增加的数据压力,除了功能强大的设备控制器,系统中还需要有一套能够承载和传输海量数据的网络通讯系统。目测 Beckhoff 为其平面传输系统 XPLANAR 配备 EtherCAT G 应该就是出于这样的考虑。

  PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN

  从产线设备的角度看,当今的运动控制早已经不是一个独立存在的系统了,各类运动控制应用(如:抓取、搬运、传输、数控、机器人...)与众多策略类型的控制技术(如:视觉、流程、检测...)进行互操作并深度融合,势必会成为一种刚需。而为了能够应对这种更为复杂的多维数据交互,将设备层网络的通讯速率提升到一个更高的级别,就显得是十分必要了。

  PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN

  而若再以制造企业的全局视角去观察www.cechina.cn,我们就会发现,如今产线运行过程中在设备层产生的各类数据www.cechina.cn,例如:电压、电流、温度、扭矩、转速、图像...等等,仅仅是在参与控制时被使用了一次而已,如果能够将它们存储记录下来,打上时间标签,加以分析,其实是可以用来帮助优化设备整体运营效率的。

  PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN

  比如:将品检系统的视觉数据和加工工位的运行数据记录下来,进行追溯、分析和解读,将能够帮助提升产品的加工品质;

  PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN

  再比如:对传动系统运行的历史数据(如:电流、温升、振动...)进行储存、积累和分析,将有助于对设备实施预测性维护,从而降低其停机风险与运营成本...

  PicSource: MITSUBISHI Electric | MELSERVO-J5

  显然,要实现上述“大数据”应用场景,设备系统是需要先具备以极高的频次、极为精准的时间周期、持续记录大批量数据的能力的。而千兆级实时以太网,则极有可能会成为在此类应用中建构数据通道要用到的一种重要技术手段。如此看来,三菱电机在将要发布的 MELSERVO-J5 伺服驱动系统中,同时集成了千兆级实时以太网 CC-Link IE TSN 和基于 Mairsart 的预测性维护功能,就绝非是巧合了。

  PicSource: OPC Foundation | OPC UA TSN

  可以说,未来在运控设备中使用千兆级实时以太网,将不仅仅是从运动控制技术自身的角度出发、基于系统性能的考量,更多是由于设备系统中组件的种类和数量以及它们之间交互融合的复杂性的增加,为了建构能实现海量数据实时交互的网络基础设施而产生的一种需求,实际可能出现的应用场景估计远不止我们上面谈到的这些。

  PicSource: CLPA | CC-Link IE TSN

  而考虑到用户对于千兆级网络技术的各种需求,其实是随着设备系统复杂性的增加而逐步产生的,加之受到相关产品迭代周期的影响,因此,对于设备生态圈的各类产品厂商和制造企业而言,这种向下一代千兆级总线系统的转型,应该会是一个长期投入的渐变过程。
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