Введение

К системам управления станка, имеющего в своем составе многокоординатные электроприводы, в том числе прецизионные, предъявляются все более высокие требования по производительности и качеству.

Одним из основных компонентов системы управления движением технологических процессов (ТП) становятся многоосевые контроллеры управления движением (motion controller). По сравнению с модулями управления движением, входящими в состав программируемого логического контроллера (ПЛК), они имеют более широкие функциональные возможности, более высокие качественные показатели и расширенные возможности оптимальной настройки электропривода.

В последние годы широкое применение для систем автоматизации различных ТП находят сетевые шины, которые упрощают подключение компонентов оборудования (за счет снижения как количества соединений, так и количества и длины кабелей) и обеспечивают высокую надежность за счет резервирования (redundancy). Это позволяет сократить время запуска оборудования при сохранении его гибкости. Также такие системы характеризуются пониженным уровнем помех, а расширенный уровень диагностики позволяет сократить до минимума простой оборудования в случае неисправности.

Сетевые шины позволяют как объединить несколько таких контроллеров в общую сеть, так и создать локальную децентрализованную подсистему более низкого уровня. Они решают задачи управления движением и в дальнейшем будут именоваться шинами управления движением (motion bus). Кроме того, они позволяют замкнуть контуры положения / скорости с заданием профиля движения непосредственно контроллером управления движением, чем достигается высокая степень координации и синхронизации осей.

Все вышесказанное позволяет рассматривать такие контроллеры скорее как контроллеры станка и тем самым отказаться от дополнительного управления входами / выходами с помощью ПЛК. В таком случае контроллер управления движением правильнее определить как Программируемый Контроллер Автоматизации (ПКА).

Контроллеры управления многокоординатными электроприводами выпускаются как производителями сервоусилителей / контроллеров (Galil, Delta Tau, ACS, Control Technique, Aerotech, Elmo, Copley, MEI, Trio, MegaF), так и производителями ПЛК / комплектного электротехнического оборудования (Siemens, GE Fanuc, Danaher, Baldor, Parker, Omron, Schneider Electric).

В отличие от обзора [2], в данном материале более подробно рассмотрены основные особенности сетевых шин управления движением при автоматизации станка, содержащего многоосевые электроприводы.

Как и ранее [1, 2], ряд терминов сопровождается их английским аналогом для облегчения чтения сопроводительной документации на зарубежное оборудование.

?

1. Сетевые шины и протоколы: основные определения

Понятие "сетевая шина" (fieldbus) – это аппаратная "сетевая шина" и программный "сетевой протокол".

Сетевая шина

означает физический канал связи и компоненты для его подключения на аппаратном уровне. Обычно это 2х проводная дифференциальная медная пара с 120омным сопротивлением терминации на каждом конце линии. Практически все сети используют сегодня кабели CAT5 (в дальнейшем более широкополосные CAT6 и CAT7) и соединители RJ45 (M12 для уровня защиты IP67), широко распространенные для подключения Интернета.

Некоторые сетевые шины как, например, PROFIBUSDP, предусматривают также и оптоволоконные кабели на основе пластика (до 80 м) или стекла (до 3 км) для подключения отдаленных станций (nodes). В случае построения сетей со смешанными конфигурациями, включающими в свой состав электрические и оптические каналы связи, используются оптические модули связи.

Обычно сети поддерживают топологии (конфигурации) типа шина или линия (Bus or Line), дерево (Tree), кольцо (Ring), звезда (Star) или гирлянда (Chain).

Объекты сетевого протокола, предполагающие структуру Master / Slave, определяют инструкции, с помощью которых система более высокого уровня (Master) задает режим и параметры работы станций (node) более низкого уровня (Slave). Библиотека объектов сетевого протокола содержит список объектов, стандартизированных для данного протокола и доступных к установке / чтению посредством сети. Каждый объект библиотеки может быть адресован посредством 16битового индекса.

Сообщения от отдельных станций сети передаются по сетевой шине при помощи сетевых пакетов. Каждый пакет содержит идентификатор станции (ID), бит контроля и 0…8 бит данных.

Наиболее распространены следующие шины автоматизации (field bus): CANopen, EtherCAT, PROFIBUS, Ethernet TCP/IP, Modbus, DeviceNet.

?

2. Сетевые шина и протокол CANopen

Сетевая шина CANopen благодаря простоте и развитой номенклатуре периферийных станций находит наиболее широкое применение для решения задач автоматизации. Некоммерческой организацией CANinAutomation (CiA)
(http://www.cancia.org) для протокола CANopen предложен ряд следующих основных профилей для унификации использования оборудования различных производителей:

• спецификация (DS301, DSP302);

• стандартные устройства входа / выхода (DS401);

• IEC 611313 программируемые устройства (DS405).

Для систем управления движением инструкции определены профилем DSP 402 "Profile for Drives and Motion Control". Объекты сетевого протокола шин motion в соответствии с профилем DSP 402 определяют инструкции, с помощью которых система более высокого уровня (Master) задает следующие режимы:

• профилированный / непрофилированный режим управления по положению, скорости;

• профилированный режим управления по току (моменту/силе);

• позиционная интерполяция;

• выход в нулевую координату (homing).

Для профилированных режимов задаются также парамет­ры самого профиля движения: значения ускорения / замедления и рывка.

Некоторые производители расширяют как список режимов/ подпрограмм, так и параметров, задаваемых стандартным списком. Так, например, для профилированного режима управления по положению многоосевой сетевой контроллер Maestro (Elmo) позволяет дополнительно определить: заданную позицию, механические и программные ограничения по положению, максимальные значения скорости, ускорения и замедления.

?3. Сетевые шины и протоколы "реального времени" на базе Ethernet

В связи с низкой степенью синхронизации отдельных станций между собой на основе операционной системы персонального компьютера (ПК) специально разработаны более 20и сетевых шин "реального времени" на базе наиболее широко распространенной сети Ethernet (RealTime Ethernet RTE).

"Реальное время" при выполнении задач передачи данных означает определенное время с постоянными промежутками (deterministic cycle), в течение которого система реагирует на внешнее событие. При этом весьма важны не только время цикла, но его временные стабильность (Jitter) и задержка в выполнении операций между различными станциями сети (Skew).

Использующие аппаратную базу Ethernet и упрощенный для передачи команд протокол при повышенной скорости передачи команд (для быстрого 100BaseTX Ethernet до 100Mbps), шины "реального времени" обеспечивают тем самым сокращенное время цикла передачи данных, что особенно важно при передаче данных профиля движения и замыкания контуров положения / скорости. Поэтому часть из них находит широкое применение для управления электроприводами – при этом их часто называют шинами управления движением (motion bus). К таким шинам можно отнести специально ориентированные на решение задач управления движением шины SERCOS III, Ethernet PowerLink, MechatroLink III, ProfiNET, SynqNet, а также полевую шину автоматизации EtherCAT.

Сравнение некоторых – наиболее распространенных – шин motion между собой приведено ниже.

4. Основные структуры систем на основе сетевых шин

В зависимости от места реализации основных задач управления движением – задания профиля движения и замыкания контуров положения / скорости, – системы управления движением могут использовать полевые шины автоматизации (field bus) или сетевые шины управления движением (motion bus).

В централизованной структуре (структура I) эти задачи реализуются непосредственно ПКА, а в децентрализованной (структура II) “умным” (smart) контроллером.

Для структуры I показан вариант топологии “гирлянда” (chain), а механическая связь двигателя с датчиком положения показана штрих­пунктирной линией.

?

Следует отметить, что централизованная структура I обладает более высокой гибкостью для координации и синхронизации управления осями. Шина данных в этом случае кроме задания управления быстродействующим контуром тока, также включает передачу текущей информации датчика положения. Необходимость обеспечения времени сервоцикла не выше 1мсек приводит к большей загруженности шины данных, и тем самым ограничивает количество управляемых осей.

Отметим, что ПКА в структуре I имеет возможность реализовывать сложные задачи управления движением с различным приоритетом, что позволяет сократить время сервоцикла для осей, требующих повышенного быстродействия.

?

5. Централизованная 2х уровневая  (комбинированная) система

Рассмотренные выше структуры систем имеют ряд ограничений для механизмов, требующих сверхвысокой степени координации и синхронизации нескольких осей управления между собой – таких как, например, прецизионные двухосевые мостовые механизмы (gantry) или скоростной обход сложных пространственных контуров (многокоординатные инспекционные и контрольноизмерительные машины).

В таком случае предпочтительна комбинированная структура, позволяющая управлять такими осями по централизованному принципу, а остальными осями, не предъявляющими высоких требований по синхронизации, – с помощью локальной децентрализованной системы на базе одной из полевых шин автоматизации, имеющих развитую номенклатуру компонентов.

Для подключения осей по централизованному принципу может использоваться как аналоговый сигнал ±10В, так и цифровые шины. Именно в этом случае предпочтительны шины управления движением, т.к. управляемый контур тока имеет высокое быстродействие более 1кГц.

Контроллеры такого типа предлагают фирмы Baldor (NextMove ESB2) и ACS (SPiiPlus 3UHP) c полевой шиной CANOpen, Galil (DMC40x0) c полевой шиной Ethernet TCP/IP и Yaskawa (серия MP2000) c полевой шиной MechatrolinkII.

Отметим, что одноосевые интеллектуальные (intelligent) сервоконтроллеры серии MintDrive от фирмы Baldor благодаря встроенной возможности CANopen's Master позволяют добавить еще один более низкий уровень иерархии в локальной децентрализованной системе.

6. Средства разработки систем

Для удобства разработки системы управления для станка предназначен графический интерфейс пользователя на базе ПК. Основные средства такого интерфейса позволяют произвести следующие стадии проекта при использовании ПКА:

• конфигурирование интерфейса с ПК;

• конфигурирование компонентов системы;

• ручную / автоматизированную настройку замкнутых контуров электропривода;

• разработку и редактирование программ пользователя;

• сбор и обработку данных, включая многоканальный осциллограф с опцией построения 2D графиков;

• диагностику состояния, включая выдачу сообщений неисправности в режиме прерывани Interrupt .

?

Заключение

Для систем управления движением специально разработаны сетевые шины управления движением, обеспечивающие повышенную скорость передачи команд данных профиля движения и позволяющие замыкать контуры положения/скорости отдельных электроприводов при помощи централизованного контроллера, чем достигается высокая степень координации и синхронизации осей управления.

Они предоставляют разработчикам возможность выбора конфигурации систем управления электроприводами в зависимости от степени координации и синхронизации осей управления.

Наличие удобного и мощного интерфейса пользователя позволяет установить, запрограммировать и настроить многокоординатную систему управления в максимально сжатые сроки.

Приложение 1. Краткий список фирм, поддерживающие протоколы типа motion.

Ethernet Powerlink:

ABB, AMC, Baldor, B&R, Danaher Motion, Parker Hannifin, Schneider Electric, Weidmuller, SEW Eurodrive, Wago, KEB, Lenze, Kuka Roboter.

EtherCAT:

STMicroelectronics, Baldor, Beckhoff, Balluff, Delta Tau, Elmo, Faulhaber, Fagor, Festo, Galil, Jetter, Keyence, Maxon, National Instruments, Panasonic, Parker Hannifin, Philips Applied Technologies, Schneider Electric, SICK, Bosch Rexroth, Control Techniques, Copley Controls, Mitsubishi, INFRANOR Electronics, Omron, Trio Motion Technology, Yaskawa Eshed Technology (YET), Turck, SEW Eurodrive, Wago, Kuka Roboter, Lenze, KEB.

 SERCOS III:  Rockwell Automation, Bosch Rexroth, AllenBradley, Beckhoff, Danaher Motion.

 * фирмы, отмеченные курсивом, поддерживают более одного протокола.

 к.т.н. Л. Ганнель, Э. Кигель
Positech LTD,
leonid.gannel@gmail.com

?

Литература:

1. Ганнель Л.В., Особенности специализированных контроллеров для управления прецизионными электроприводами. Промышленные АСУ и контроллеры, Издво “Научтехлитиздат”, №1, 2009. стр.3539.

2. Ганнель Л.В., Тенденции развития систем управления многоосевыми прецизионными электроприводами. – РИТМ, №10, 2009. стр.4648.