提供以太网作为I/O现场总线

并不是任何旧的通信方案都能奏效。迪克森说:“它必须是基于以太网的，因为数据传输速率高，而且无需特殊布线就能到达多个目的地。”“它还必须经过安全评级。”换句话说，这项工作需要一种非常特殊的以太网。因此，CAMotion和它的客户加入了越来越多的制造商的行列，他们正在阅读可用口味的菜单，并选择一种可以很好地作为控制器到输入/输出(I/O)通信的现场总线。

机器人为刚刚完成的码垛应用程序添加了所有的香料。当它在机器前面的三个工作区域之一装载重达150磅的有效载荷时，操作人员正忙于其他两个区域的机器。不可能有任何机械障碍阻碍人员和物资的自由流动。相反，每个区域周围的光幕和桥上的各种传感器使机器人远离人和其他物体。

另外两个因素使情况更加复杂。首先，机器人在工作中使用了视觉系统。其次，它在一个100英尺乘25英尺的工作空间中运行，并且用于码垛操作的唯一可编程逻辑控制器(PLC)在地面上。在机器人身上绑上100英尺长的电缆不仅成本高昂，而且用户也不希望悬挂任何电线。因此，分布式I/O方案必须包括机器人和PLC之间的无线连接，这样就不会让视觉系统陷入困境。

Dickerson公司选择了位于乔治亚州Alpharetta的西门子能源与自动化公司的Profinet局域网。，因为该以太网协议可以以无线方式处理安全级和常规I/O。西门子Profinet离散自动化市场经理Ralph Buesgen表示:“我们并没有将安全和标准I/O数据分开。与安全相关的数据嵌入在标准电气和电子工程师协会IEEE 802.3以太网电报中的常规I/O数据中。

Buesgen说:“Profinet安全解决方案在电报中没有冗余的数据和时间戳，这简化了协议结构，加快了数据的流动。”Profinet包中的最大用户数据大小为1,440字节;以太网帧的最大长度是1520字节。”因此，PLC可以轮询每个I/O节点，运行标准和安全程序，并在不到50毫秒的时间内做出反应，即使在传输视觉数据时也是如此。

PLC和网桥在无线接入点上都有管理交换机来处理通信。管理型交换机允许以太网通信在不同的信息包上被赋予不同的优先级。安全数据具有最高优先级。常规I/O具有第二高的优先级，而来自传感器(如视觉系统)的数据具有最低的优先级。

虽然视觉系统可以在不使系统过载的情况下将图像传输到地面，但操作员通常在设置和调试期间查看视觉图像。其余时间，数据通常留在龙门架上。同样，大多数运动控制数据也会留在龙门架上，因为驱动器和其他必要的电子设备会随着机器人沿着桥移动。“除了一些安全功能，实时运动控制数据不会通过以太网的无线部分传输，”迪克森说。“运动控制完全在移动的桥式机器人中，有线以太网每秒更新信息1000次。”

Dickerson喜欢现场总线用于控制器到I/O通信，因为集成安全和其他I/O可以节省至少30%的系统构建成本。因此，他计划下次让以太网在工作中占据更大的比重。他说:“我们可能也会采用基于地面以太网的串行接口。”

注入简单

大约五年前，德国马尔特丁根(Malterdingen)的米拉克龙(Ferromatik Milacron)注塑机制造商开始使用乔治亚州罗斯威尔(Roswell)的Powerlink时，对简单性的渴望也是驱动因素。作为其全电动车型的通信总线。“我们的目标是减少我们必须在现场支持的变体数量，”Ferromatik Milacron的研发经理Thorsten Hoes说。

这意味着只使用一个网络将控制器与传感器连接起来，传感器报告螺杆位置，夹紧压力和其他运动和过程控制变量。该网络还必须携带控制封闭门的信号，以保证人们的安全，并确保事件按照正确的顺序发生，以防止损坏机器和模具。

当公司开始将液压马达转换为电动马达时，其工程人员发现，他们以前使用的各种模拟输入必须放弃。不仅输入技术的多样性造成了不再需要的复杂性，而且模拟通信也无法处理电力驱动和电机所需的大量信息。

尽管建立连接和让数据流动很简单，但做出一些重要的决定却困难得多。“我们必须就通过现场总线传输的内容达成一致，”Hoes说。“你必须就你要发送的信息和它的样子达成一致。”

Hoes很高兴他和他的团队花时间做出了正确的决定。“这是一个非常可靠的外部设备连接，”他说。他报告说，他的公司在现场的PowerLink总线上有2000到3000个节点，没有发现任何问题。使用以太网作为I/O总线解决了过去设计人员不得不花时间解决的可靠性问题。例如，磁场不再干扰数据传输。

安装简单和现场投诉少的另一个原因是贝加莱自动化在其产品中投入的工程。贝加莱的Markus Sandhoefner解释说:“用户想要一种基于标准以太网节点的通信方法，而不是基于专有的ASIC(专用集成电路)硬件。”“如果你的网络依赖于专有硬件，那么你就依赖于一家供应商。这是有风险的。”

尽管标准化，供应商仍然做出了重要的贡献，从而产生了各种各样的以太网。这些风格最重要的组成部分是用于减少导致数据阻塞和通信缓慢的碰撞的技术。贝加莱为其Powerlink引入了时间切片。桑德霍夫纳说:“这就像对网络流量的一项规定，一次只能有一个站点通话。”“它可以让你非常快速地沟通，更重要的是，在确定的实时，这意味着电报的到达保证到微秒。

“有些人通过定制asic获得了网络的确定性和速度，”他继续说。“我们想要一个在硬件方面尽可能开放的系统，所以我们在软件上做时间切片，而不是硬件上。”因此，用户可以在任何地方都可以使用的标准以太网节点上构建自己的网络，甚至可以在典型的笔记本电脑和台式个人计算机(pc)中使用。

对于位于南卡罗来纳州拉匹德城的Accurpress America Inc.来说，响应时间是印刷机制动器制造商开始在其Accell机器中使用基于以太网的现场总线的最初原因。定制的工作迫使公司采取行动。该公司位于加拿大不列颠哥伦比亚省萨里市的研发团队负责人Alex Kvyatkovski解释说:“它需要比传统现场总线技术更快的响应时间。”

在那份工作到来之前，科亚特科夫斯基和他的设计团队一直在使用明尼苏达州伯恩斯维尔市倍福自动化有限责任公司(Beckhoff Automation LLC)的Lightbus。，作为其现场总线网络。他解释说:“因为它使用光纤电缆，所以Lightbus非常耐噪音，并提供快速的I/O处理。”其协议的紧凑电报结构允许用户数据的传输速率高达每秒2.5兆比特(Mbps)。

为了获得定制作业所需的更高性能，Accurpress的工程师决定尝试倍福基于以太网的现场总线EtherCAT。总线可以在30微秒(µs)内处理1000个分布式I/O，或在100µs内处理100个轴。倍福I/O系统产品经理Skip Hansen说:“一个以太网帧可以交换多达1486字节的过程数据。”这种数据量的传输只需要300µs。

他补充说:“由于硬件集成在从机中，而内存直接访问主机中的网络控制器，所以完整的协议处理在硬件中进行，与协议栈的运行时间、CPU(中央处理器)性能和软件实现无关。”例如，EtherCAT I/O和(Beckhoff的)TwinCAT Real Time软件的速度为Accurpress提供了极快的模拟-数字I/O数据和确定性运动控制。”

更快的响应时间大大减少了周期时间，使机器更容易保持其准确性。作为Accurpress最先进的压力机制动器，Accell机器使用闭环伺服液压和基于pc的控制来产生平行度和重复性+/- 0.0004英寸。

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以太网:一种确定的通信技术

自20世纪70年代末出现以来，以太网已经走过了漫长的道路。当时，它使用共享介质，其中所有节点使用相同的物理线路进行通信。可以想象，来自设备的数据包在试图同时通过数据高速公路时可能会相互碰撞。无论何时发生这种情况，设备都会在尝试再次传输数据之前等待一段随机的时间。如果有足够多的设备在竞争，那么不断重新发送数据所产生的量可能会使数据高速公路过载。

大约10年前，研究人员通过使用开关解决了大多数应用中的问题。现在，大多数供应商不再将设备连接到通用介质上，而是将它们连接到分组交换机上。分组交换机是一种专门的高速处理器，可以调节数据流，并决定数据何时在高速公路上传输。位于马萨诸塞州戴德姆的ARC咨询集团公司的高级分析师哈里·福布斯解释说:“交换机上的设备认为它在共享一根电线，但发现它总是可用的。”“因此，设备之间不再有任何争夺媒体访问权的冲突。”

数据传输速度可能仍然是一个问题的唯一应用是那些涉及运动精确同步的应用。当涉及到使用以太网作为现场总线时
控制器到输入/输出(I/O)通信，今天的开关技术是绰绰有余。

换句话说，许多工业应用不需要目前存在的一些更高性能的技术。《福布斯》表示:“例如，炼油厂的许多变量不会发生极快的变化。普通的以太网技术可能在那里工作得很好。“如果你只是监测油箱液位，你可以使用任何协议，包括IP(互联网协议)通信，为你的I/ o。”

马萨诸塞州福克斯伯勒的英维思过程系统公司。他有不同的方法。英维思系统架构总监Alex Johnson说:“我们通过使用一种协议，使控制器成为网络上唯一的主人和通信发起者，解决了以太网的主要问题，即缺乏确定性(指定数据何时到达目的地)。”

存在一系列以太网技术。切换是常态，但是供应商在这个主题上有各种各样的变化。例如，Profinet IRT(西门子)和EtherCAT(倍福自动化)等架构没有传统意义上的开关。相反，“他们已经把转换转换到芯片中，实现了他们的接口，”福布斯说。“所以他们基本上在他们的设备中建立了两点开关。”

另一种架构，称为以太网集线器，似乎可以在最苛刻的运动控制应用中工作。贝加莱自动化公司的PowerLink就是使用这种架构而不是交换机的以太网技术的一个例子。福布斯说:“这真的是一个非常精确同步的机器控制架构。”“它使用集线器和增强的媒体访问协议来分配对共享媒体的访问。”