工業4.0必考題

作者 : 劉于葦,EE Times China

工業通訊是實現智慧工廠的基礎技術,目前市場上存在著針對工業乙太網路、現場匯流排和位置編碼器的十多種不同的通訊協議,每種都有其優缺點…

馬達產品種類繁多,如果按照用途劃分,可以分為驅動用馬達和控制用馬達兩大類。驅動用馬達包括無換向器馬達和換向器直流馬達,控制用馬達則包括步進馬達和伺服馬達。

在智慧製造、工業4.0等概念的推動下,如今工業物聯網、智慧工廠、機器人等應用為了取代人力,實現更高效率的生產,成為了關注熱點。而伺服馬達作為工業機器人的「肌肉」,具有結構緊湊、控制容易、運作穩定、回應速度快等優異特性,是工業機器人最核心的零件之一。在印刷機械、造紙機械、紡織機械、工業機器人、高速電梯、數控機床等工業應用中,高速加工技術和以高速、高精準度為基礎的其他技術逐步普及,也推動了伺服馬達的快速發展。

工業4.0更強調即時

以前,高階微控制器(MCU)和大型FPGA執行底層控制演算法,並提供介面以連接至驅動器輸出和馬達回饋。但是,隨著工業4.0的興起,設備變得更加智慧且性能更高,伺服驅動器必須滿足的要求也在迅速變化。即時工業通訊、功能安全、預測性維護和雲端連接等功能已被導入到伺服控制板中,旨在提供更多的邊緣服務。

工業通訊是實現智慧工廠的基礎技術,它能夠資料獲取、即時監控、即時控制,以實現製造的數位化和自動化,其中最引人注目的是多協議工業乙太網路的迅速普及。現今,市場上存在著針對工業乙太網路、現場匯流排和位置編碼器的十多種不同的通訊協議,每種都有其優缺點。EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP是伺服驅動器市場中廣受歡迎的基於乙太網路的協議,而Hiperface數位伺服鏈路(DSL)、EnDat 2.2和雙向串列同步介面C (BiSS C)則是更受歡迎的位置編碼器協議。

 

工業通訊如何連接整個工廠裡的核心元件,從PLC、人機介面(HMI)、採集資料的感測器,以及IO,到伺服馬達控制,形成了一個核心閉迴路。

(來源:TI)

 

工業通訊匯流排協議發展趨勢

對於一個合格的工業通訊網路來說,需要滿足三點要求:首先是即時性,能夠在無論迴圈還是非迴圈模式下,即時做到資料獲取、運動控制等基本功能;二是安全性,要保證足夠的冗餘,做到即便斷網也能迅速恢復,不影響生產;最後是時間同步,涉及到多控制器系統中所有的系統控制。

「對於所有主要的現場匯流排組織來說,在縮短伺服馬達迴圈時間方面的拓展都是必要的。」 德州儀器(TI)馬達驅動部門總經理趙向源舉例,EtherCAT因其可實現低至31.25μs的迴圈時間,且可以最小延遲擴展到許多馬達的優點在中國被廣泛應用;Profinet IRT的迴圈時間通常為250μs,並為即時流量(警報,IOs)和非即時流量(服務和診斷)增加額外的通訊通道;未來,將看到結合時效性網路(TSN)建構具有有限延遲的融合網路。

 

工業控制系統介面發展趨勢圖。

(來源:TI)

 

其中,用於工業自動化與驅動器的TSN由IEEE/IEC 60802設定檔定義,並由主要的現場匯流排組織提供支援。TSN支援短迴圈時間、多種流量類型和千兆速率的大型網路。

多協議匯流排通訊的實現

工業多協議匯流排通訊的具體實現方式是基於韌體,且允許使用者根據現場情況選擇協議,甚至在運作中更改協議。例如,在上電期間,可能會先運作標準乙太網路來進行配置,然後切換到EtherCAT進行IO資料交換。

在現實應用中,每位開發人員面對的情況不同,關於伺服馬達通訊協議是原廠定義,還是開放原始碼可程式設計的問題,趙向源認為取決於伺服驅動是用於開放系統還是封閉系統。例如,在電腦數位控制和工業機器人中,伺服驅動就是一種與外界沒有連接的功能。在這種情況下,開發人員可以選擇開放原始碼或者客製協議,比如TI有一款簡單開放即時乙太網路(SORTE)協議(示例如下圖),支援乙太網路上迴圈時間小於10μs的應用程式;對於開放原始碼產品,製造商在客製伺服通訊協議時往往遵循即時乙太網路的產業標準,例如EtherCAT、Ethernet/IP、CC-LINK IE或Profinet,這些協議通過認證測試和實驗室測試來保證上市後的互通性。

 

SORTE協議的特點是可以用資料包替換訊號,實現低延遲傳輸。

(來源:TI)

 

從DSP、FPGA過渡到Cortex-A/R

伺服驅動採用工業多協議匯流排的好處不言而喻,當涉及到標準和設定檔的變化時,基於韌體的多協議具有額外的優勢,單一的專用積體電路(ASIC)協議則無法提供這種靈活性。

由於伺服控制的嚴格即時處理要求,在選擇方案時往往有幾種選擇,包括數位訊號處理器(DSP)、FPGA和標準Arm處理核心。選擇合適的處理核心可能很困難,因為需要在靈活性與最佳化控制演算法之間保持平衡,過去,最佳化控制演算法是第一要務,因此DSP、ASIC和FPGA是確定無疑的選擇。

現在,由於需要向伺服驅動器添加工業4.0服務,因此開始採用標準的Arm Cortex-A和Cortex-R核心。Cortex-A核心可以實現非常高的頻寬,這對於快速處理非常有用,但這種核心缺少Cortex-R的即時元件,這便是Cortex-R 在伺服控制方面比Cortex-A更適合的原因。另一方面,Cortex-A比Cortex-R更適合許多其他服務,例如網路或預測性維護。

談到具體支援多協議匯流排的伺服馬達通訊方案,或者整體的馬達驅動控制方案選型時,趙向源介紹TI的TMS320F28388D即時MCU。據悉,這款MCU在整個馬達驅動產業中,尤其在中國市場非常受歡迎,它將EtherCAT整合到TI著名的C2000 MCU上,以實現單晶片、高性能、互連、多軸控制,並被廣泛應用於伺服驅動器、交流驅動器、步進驅動器、電腦數位控制和機器人技術。

另一種選擇是基於Arm的MCU,例如Sitara AM243x MCU。它擁有800MHz 的Cortex-R5F即時核心,提供單核到四核等多個規格,整合了Profinet RT/IRT、EtherCAT和Ethernet/IP等常用協議。客戶只需要維護一個硬體平台,即可實現多協議乙太網路通訊和伺服驅動功能。當需要運作如雲端連接等應用程式時,Sitara AM64x處理器可同時整合最多兩個Arm Cortex-A53核心、即時MCU核心,以及整合的多協議支援。

值得一提的是,諸如Sitara AM6x處理器之類的多核元件可以包含上文提到的Cortex-A或Cortex-R所有處理元件,因此可以在單個晶片中實現工業伺服應用所有必要的功能。

如何保障穩定性?

在工業應用中,伺服馬達穩定性和可靠性至關重要。最後,趙向源分析了影響伺服馬達應用穩定的因素,以及分析和解決方法。

「不穩定」因素可被分為機械與電氣兩類,這些干擾源在IEC標準中有定義。例如,機械振動與衝擊會改變馬達的運作條件,以及控制馬達的晶體的時脈穩定性。「許多伺服馬達都在有電磁干擾的惡劣環境中工作,電磁相容性(EMC)是確保應用不會停止運行的關鍵要素。」趙向源說。

另一個要注意的是,控制單元和功率單元之間的連接應使用帶有通道編碼、故障檢測和糾正的介面。乙太網路實體層就是一個很好的例子,可以採取各種測量方式來檢測穩定性問題;對於控制迴路,通常會檢測馬達電流、電壓和位置。此外,也可以測量直流電源和馬達溫度,以及連接到馬達的振動感測器;對於介面,乙太網路實體層可提供增強的線路診斷,如SNR、ESD資料以辨識和預測故障。

本文原刊登於EE Times China網站

 

 

 

 

加入我們官方帳號LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論