SercosIII：利用实时以太网的运动控制
浏览：1977  发布人：皖科电子  2008/03/01/9:5

自从上个世纪90年代初引进市场以来，Sercos接口就被看作是一种开放的、具有实时性的接口，奠定了它在自动化技术运动控制领域中的地位。新一代产品SercosIII将已经经过市场考验的实时机制与以太网标准的优点结合在了一起。这种新产品拥有很多新的特性，比如Sercos Safety安全方案，以及Sercos IO这样的输入/输出设备特征等等，让Sercos最终从专门的驱动总线转变为通用的自动化网络。

　　要求与解决方案

　　为了对控制系统、伺服驱动装置和快速输入/输出设备进行联网，人们所使用的标准数字实时通讯接口必须满足多方面的要求。这些接口最重要的任务就是，在控制系统和分散的周边设备之间对额定值、实际值以及与流程相关的输入/输出信号进行快速的、周期性的、确切的传递。在精确的运动引导过程中，还需要在采集实际值和额定值的有效时间方面确保所有相关设备的同步性能。这种同步性能是绝对必要的，只有这样才能用电子传动装置或凸轮盘来取代机械的耦合元件。为了实现高强度和高精度的应用，必须将整个数据总线系统的同步准确性（Jitter，歧离）控制在低于1微秒的范围内。对于传动装置或凸轮盘上的从动链条而言，如果中央控制系统的延时无法接受，也可以在传动装置和输入/输出点之间进行横向联系。除了这种周期性的、确定的实时数据交换，在大多数情况下还是需要对大量的、时间性强的数据进行传输，以便进行安装调试。由于 

　　工作环境中往往会存在一些严重的干扰因素，而且很多流程都对安全性有着很高的要求，所以在数据传输过程中必须具有很高的安全性，而且有可能要将与安全相关的数据通过同一个总线系统进行传输。为了确保不同厂商生产的仪器能够协同工作，只对数据传输机制（物理层，通讯协议）进行标准化是不够的，还必须对专用的或专门针对仪器的数据和功能进行统一，并以仪器资料的形式进行详细说明。过去，数字传动接口或者针对特定的生产商，或者针对特定的传动总线。在90年代末期，现场总线开始配备相应的扩展协议，这样就可以将其应用在传动技术领域中了，但其功能会受到一定的限制。新的解决方案则是以基于以太网的实时通讯协议（“实时以太网”）的发展为基础的。

　　传动总线将成为通用的实时以太网解决方案

　　如今，Sercos Interface拥有30多万用户，150多万安装节点，已经在要求苛刻的运动控制领域中成为世界领先的实时通讯标准。Sercos的标准已经载入IEC61491，它表示的不仅仅是带有同步特性的实时通讯系统，而是确定了一种统一的、超越生厂商的符号意义，使控制系统、传动元件和输入/输出元件能够协调工作。2003年，为了能够更好地满足机床和设备自动化未来发展的要求，用户组织Sercos International（SI）决定使Sercos标准向着工业以太网的方向发展，并且将经过市场检验的机制与流行的网络标准——即以太网——结合起来。这样，广为人知的Sercos机制仍然能够得到应用，比如基于硬件的同步功能和用于避免碰撞的时间片段程序等等。Sercos的第三代产品（Sercos III）不仅大大提升了性能表现，而且还拥有很多新的优势和特性。

　　Sercos III的特征

　　Sercos III的基础是Fast Ethernet（快速以太网），其传输率可以达到100 Mbit/s。由于以太网在物理学上具有双向完全通讯的特点，在应用物理学环型结构时会产生一个逻辑上的双环结构（图2）。这种双环结构使得大规模的数据传输成为可能。如果这个环上任意位置的线缆发生断裂，

　　主服务系统上的数据通讯能力完全不会受到影响。也就是说，设备依然可以正常运行，同时内部诊断系统会报告线缆故障，这样就可以在不影响机床使用性的基础上对线缆进行更换。除了环型结构以外，线性结构也是允许的。当然，它不再拥有多余信息的优势，但是同时也节省了线缆连接。对于加长的机床和设备而言，这一点很有好处。标准以太网设备可以与任意一个空闲的SercosIII端口相连，其实时性能不会受到影响，也不会产生额外的硬件支出。不需要使用集线器或交换机。连线时使用Ethernet CAT5线缆即可，转接线或跳线均可。无论是以太网设备的位置，还是节点端口的分配都是任意的，因此安装调试非常方便。人们也可以选择通过光学方式来传输，这样不仅可以达到最好的抗干扰效果，而且还能克服距离远的困难。在正常运行中，Sercos III的通讯为周期性的主机-伺服-通讯，周期长短可以在初始化的时候进行设定，比如31.25微秒、62.5微秒、125微秒、250微秒或250微秒的整数倍，直至65毫秒为止。采用上述周期数值，可以使控制和驱动过程中达到必要的同步，且拥有固定的工作周期。Sercos III的一个通讯循环是由一根实时线缆和一根NRT线缆组成的，它们可以传输任意的以太网电信号。快速以太网的带宽为100兆波特，它可以根据设定的循环时间和预期的比例在两根线缆中进行分配。当实时线缆循环结束，而设定的通讯循环尚未开始时，网络中的各个部件之间就可以进行任意以太网电信号的传输了。这种NRT线缆的持续时间至少需达到125微秒，这样才能传输最大波长的以太网电信号。由于时间片段法的Jitter（歧离）非常小（<1微秒），因此使用这种方法可以达到很高的确定性。将Sercos III高效的通讯协议与快速以太网较高的净传输率结合起来，就可以得到很好的性能表现，这样就可以让带有中央信号处理器的控制方案成为现实。运行时间和歧离都被降低到最小值，因为在整个过程中，实时数据都是通过节点（“即时变化”）来进行加工的。

　　中央与分散的传动方案

　　使用Sercos III可以达到的最短循环时间为31.25微秒。由于以太网的物理学带宽较大，因此可以在如此之短的时间内支持足够多的伺服设备。这样不仅可以实现分散的传动方案，而且可以实现带有中央信号处理器的传动方案。在分散的传动方案中，传动调节器内的所有自动控制电路都被关闭，在可能的情况下仍然可以发挥技术功能。中央传动方案的特点是，传动调节器内基本上只关闭电流调节电路，并且在中央控制电子设备中实现多轴的控制电路。

　　伺服设备中的直接横向联系

　　由于以太网具有完全双向通讯的特点，因此它能够支持设备间的直接横向联系（CC=Cross Communication，交互通讯）（见图4）。在这种机制下，就可以考虑增加控制任务的分散化处理。伺服设备可以对数据进行直接交换，而不需要主设备的参与。这不仅节约了反应时间，而且也减少了主设备中的执行和计算成本。

　　C2C-方针

　　Sercos III还支持控制系统或控制功能间的通讯和同步。这里定义了一种基于Sercos III协议的通讯方针（C2C）（参见图4）。这种C2C方针通常应用在压床、包装机和加工机床，以及需要控制和同步的工具机床上，例如带有台架轴的机床或圆转台多工位机床等。其中C2C的意思是“Controller-to-Controller，即控制器之间的同步与通讯”。这里的控制器不一定是“传统意义上”的控制系统，即中央的、独立的设备（例如CNC，SPS或运动控制）。它也可以是一台智能伺服传动装置，它可以在通讯联合结构中承担相应的控制任务。

　　设备模式与扩展的输入/输出方针

　　在过去的15年里，现在的Sercos伺服传动方针已经发展成为一种成熟的、稳定的设备方针。它在很多应用领域中发挥着自己的功能。在将这种设备方针传递到Sercos III的过程中，它本身也得到了扩展和广泛套用，因此将来除了纯粹的传动设备、输入/输出设备和控制设备之外，还可以支持混合类型的设备，将多种不同的功能集合到一台设备上。因此就需要对一些新的设备方针和设备功能进行定义和统一，比如用于其它执行器和传动器的设备方针（闭环传动器和开环传动器，…），以及输入/输出组件、技术组件、控制器和监控设备等等。随着技术的发展，目前已经出现了针对分散输入/输出设备的方针。这种方针不仅适用于带有总线设备耦合器的模块式输入/输出设备，而且也适用于成组输入输出设备。

　　Sercos Safety –应用安全方案，直至SIL3

　　安全技术正受到越来越多的重视，Sercos III也考虑到了这一点。这种安全方案——被称为Sercos Safety——是一种与Sercos III兼容的扩展协议，这样一来，就能让Sercos III即使是在循环时间很短的情况下，也能应用到安全领域内了——直至IEC61508规定的SIL3级别。与安全相关的数据与实时数据以及其它标准以太网协议一起，通过一个单独的物理媒介进行传输。Sercos 数据电缆中内置的安全数据存储器可以传输64比特的安全用户数据。在专用的横向通讯设备的帮助下，安全数据可以在伺服设备间进行交换，无需主设备（安全控制器）对这些数据进行获取和重新分配。Sercos Safety并不会受到传输层的影响，因此除了Sercos III以外，也可以使用其它任何一种传输媒介。此外，由于这种协议具有布局能力，还可以让安全网络延伸到更多的下级网络中区。

　　总结

　　在Sercos Interface不断创新的历史发展过程中，Sercos III将成为合乎逻辑的下一代产品。除了低廉的价格，以及在实时数据的同步和传输中表现出来的较高的性能，Sercos III还具有一些特有的新功能，它们对于运动控制应用的未来发展具有指导性的作用。Sercos III还考虑到当前和未来发展的趋势，推出了Sercos Safety、Sercos C2C和Sercos IO等一系列产品，从一个专业的传动接口转变成通用的实时以太网解决方案。

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