网络:决心提高精度

打印表格，小册子，日历和邮件与切割插入是一个高速工作与严格的精度要求。当Jakob Graphic Services GmbH升级其运营时，运动控制和短设置时间是其网络选择的关键标准。

这些复杂的印刷工作有许多步骤，如分切、上胶、冲孔和折叠。所有这些都紧密交织在一起。Jakob总部位于德国芬格施塔特(Pfungstadt)，负责许多工作，所以安装必须迅速，生产也不能停止。

切割也是一项重要的工作。分离切割必须与纸网速度同步，以最大限度地提高生产力。连接印刷机和切割工具的网络必须在正确的时间传递信息，否则切割会在错误的地方，破坏印刷材料。该设备与纸卷工作，最大卷筒直径可达50英寸，卷筒宽度从4到27英寸不等。

雅各布使用的硬件和软件来自Kollmorgen来处理这些高精度的工作。这家弗吉尼亚州雷德福的设备制造商使用EtherCat组网，满足实时需求。这个选择很重要Kollmorgen但它的大多数客户并不真正关心哪个网络架构在处理他们的关键确定性命令。

“许多用户并没有真正考虑决定论。他们只知道他们的应用，他们想要以特定的精度一分钟修剪纸张或切割350个袋子，”科尔摩根的高级系统工程师卡罗尔·Wontrop说。客户确实想知道以太网用于通信，但只有最专注的工程师才关心使用的是哪种变体数据包它们的指令对时间非常敏感。

许多工业供应商都是如此。有许多应用需要确定性网络，随着生产设备运行速度的加快，以及客户对极其精确的切割、折叠和密封的期望，它们的数量正在增长。在要求最高的应用程序中，数据包传递时间必须以纳秒为单位进行测量。

时机就是一切

工程师们专注于网络设计花大量时间定义所需的确定性级别，这样用户就可以满足他们的设计需求，而不用担心比特是如何交付的。当这些专家研究网络架构时，他们会为几秒钟的微小分数而烦恼。

EtherCat技术集团德克萨斯州奥斯汀办公室的北美代表Joey Stubbs说:“EtherCat能够实现输出设备导线上实际信号的+/- 20纳秒的真实抖动数。”

网络开发人员正在利用电气和电子工程师协会(IEEE)颁布的一项标准，该标准在苛刻的技术环境中被广泛接受。IEEE 1588的冗长标题解释了它的基本概念:“网络测量和控制系统的精确时钟同步协议标准。”它确保所有的驱动都在一个精确的时间发生。

“通过EtherNet/IP和IEEE 1588时间同步，您可以将节点同步到100纳秒以内，”俄亥俄州梅菲尔德高地供应商罗克韦尔自动化公司的应用工程经理Steve Zuponcic说。“当每个节点都准确地知道时间时，你就可以告诉每个驱动器和每个电机在特定时间处于特定位置。它们都是同步的，给你非常严格的控制。”

网络开发人员需要将这些技术嵌入到他们的设备和软件中，这样用户就不必担心在一秒钟内发生数千次的编程步骤。尽管很多人控制工程师他们直到过去几年才开始使用基于时间的系统，他们将能够使用知名的编程语言来设置他们的工作节点。

“使用绝对时间是一个新的协调概念运动控制．这对程序员来说是透明的，”Zuponcic说。“使用SERCOS(串行实时通信系统)编程的人不会看到任何差异，他们可以使用他们一直使用的相同指令。”

当客户设置他们的系统时，他们通常必须抵制将最高优先级放在所有数据上的诱惑。如果网络上的所有流量都必须以峰值速率交付，网络将很快达到饱和点。“不是每件事都必须是确定的。如果你把每件事都限定在时间上，你就会耗尽空间。”Wontrop说。“客户必须知道他们的性能需求，这些信息需要以确定的方式从A点传递到B点。”

时间在EtherCat网络中也很重要，其中主时钟同步并锁定所有设备时钟到参考时钟的时间。这有效地将精确的64位时间值分配给所有字段从设备。然后，主服务器可以同步并锁定整个网络中的所有时钟到相同的系统时间。

通过这种方法，网络的确定性和抖动与以太网帧的抖动分离开来。这使得EtherCat无需昂贵的专用主控制器卡就能工作。”Stubbs说。

环的跑步者

虽然使用确定性网络有很强的动力，但并不是所有的网络都需要纳秒级的交付时间。双端口节点有助于更简单地满足更主流的网络需求，而不需要增加硬件或软件，将确定性速度推到最小的几分之一秒。

“我们相信，如果我们能在50到100毫秒左右获得确定性，我们就能覆盖80%到85%的应用，”位于北卡罗来纳州罗利的自动机供应商施耐德电气以太网营销集团经理丹·德斯鲁索(Dan DesRuisseaux)说

使用排列在环形拓扑中的双端口或四端口设备是满足时间敏感需求的简单方法，可以接受毫秒级的数据传输时间。这种配置允许节点从一个端口发送数据，在另一个端口接收数据。环形结构还可以在电缆断裂或节点故障时使信号反向，减少停机时间。“当你在可编程逻辑控制器(PLC)上有两个端口时，你就有了更多的容错能力，”乔治亚州诺克罗斯的供应商西门子工业公司的网络顾问Marty Jansons说。

另一种选择是将高要求的任务放在流量非常有限的网络上。这种方法并不总是实用的，但它可以提供足够的吞吐量，以确保数据包及时到达。当网络没有很多节点时，用户不必将自己限制在环形或环形中。

“CC-Link IE Field网络可以以各种拓扑实现，以适应用户的应用程序。布局可以是雏菊链状、星形或它们的任意组合——甚至是环形，”位于伊利诺伊州弗农山的CC-Link合作伙伴协会美洲部主任查克·卢卡西克说。

使用小型专用网络可能会增加一些成本，但也有助于控制费用。例如，施耐德可以通过控制网络设计坚持使用商用现货设备，如思科路由器和标准可编程逻辑控制器(plc)。小环可以有高性能。

DesRuisseaux说:“我们创造了专用戒指，上面只有几个设备。“我们了解它们的性能，我们不会在这些网络上安装像摄像机或个人电脑这样的高带宽组件。通过控制环和安装几个设备，你可以确定延迟，并将其降低到10到20毫秒。”

使用双端口和四端口节点，通信可以非常健壮。多端口plc可以在传输时输入数据，与只有一个端口的旧设备相比，这是一个显著的改进。DesRuisseaux指出，越来越多的输入/输出(I/O)设备采用双端口版本，这使得将这种架构部署到现场总线级别变得更加简单。

在许多拓扑中，设备放置也很重要。如果信号远离中央控制器，当数据包通过交换机时将会有更多的延迟。如果发送和接收许多信号的设备靠近网络的末端，这也会使交换机过载。PI北美公司(前身为Profibus贸易组织，办事处位于亚利桑那州斯科茨代尔)副主任卡尔·亨宁说:“你不想把视觉系统或人机界面放在生产线的最后。”“他们的流量很大。当它经过许多交换机时，它占用了可用带宽。

膨胀的宇宙

构建实时网络的另一个方面是确保所有关键设备都可以在不需要网关或转换器的情况下进行通信。虽然以太网正在接管工业世界，但现场总线并没有消失。许多传统设备不兼容以太网，甚至许多新产品通过避免以太网端口而采用更简单的现场总线来保持低成本。

然而，随着控制器成本的下降，以太网连接继续远离主干网。詹森说:“我们正在把这项技术应用到更多的产品中，这样它们都能理解这些协议。”Profinet协议正在被构建到更多的现场设备中。”

为了使确定性网络有效地工作，这些底层设备必须能够接收高速消息并快速处理指令。如果简单的设备不能满足这些需求，那么网络的功能就没有多大意义。

“一个决定性的网络并不一定意味着一个决定性的系统，”Stubbs说。“对于工业基础设施和控制，整个系统需要满足应用的要求，这是否意味着包括时间戳输入，确保输出在准确的时间发射，包括过采样模拟值，或协调复杂的运动网络。现场设备必须以一种可以作为确定性系统一部分的方式进行集成。”

除了适当的集成，设计人员还必须确保设备具有内存容量和处理能力，以跟上通常带有确定性的速度。许多中央处理单元(CPU)芯片同时处理通信和通用计算，因此它们可能会过载。随着发送到节点的信息量的增加，微控制器的处理能力也必须提高。

Wontrop说:“用于确定性以太网服务的电量越多，用于运动控制等任务的电量就越少。”节点处理数据的能力是一个重要因素。”

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