多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)

1、多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司 葉莘在現(xiàn)代機(jī)械制造中，多軸運(yùn)動(dòng)控制已經(jīng)越來(lái)越普遍， 用電子方式來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)軸之間 協(xié)調(diào)同步，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪和齒輪， 給機(jī)械設(shè)計(jì)制造帶來(lái)了巨大的靈活性。 以往只有 通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)和加工才能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，現(xiàn)在可以通過(guò)軟件編程輕松實(shí)現(xiàn)。而且， 使用電子運(yùn)動(dòng)控制，精度更高，動(dòng)態(tài)性能更好，沒(méi)有機(jī)械損耗，使維護(hù)變得方便而簡(jiǎn)單。用 戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的，模塊化的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在幾乎所有的機(jī)械制造領(lǐng)域中，特別如紡織機(jī)械，印刷機(jī)械，包裝機(jī)械，塑料機(jī)械，食 品機(jī)械等，多軸運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，成為高性能，高品質(zhì)機(jī)械制造的重要標(biāo)志。運(yùn)動(dòng)

2、控制的核心是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 數(shù)據(jù)傳輸方式也逐漸由模擬量發(fā)展成基于總線(xiàn)的數(shù)字信號(hào) 傳輸。為了有效協(xié)調(diào)同步各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程， 實(shí)現(xiàn)高精度的多軸運(yùn)動(dòng)控制， 一個(gè)實(shí)時(shí)高效的 數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。本文將討論高精度多軸運(yùn)動(dòng)控制對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)提出了什么樣的要求。 然后以全球首個(gè)真正 實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng) ETHERNET Powerlink 為例，介紹一個(gè)完全符合這些要求的運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng) 絡(luò)。1. 多軸運(yùn)動(dòng)控制的模式和發(fā)展趨勢(shì)在多軸運(yùn)動(dòng)控制中，各個(gè)廠(chǎng)商提供的控制理念和模式不盡相同， 各種類(lèi)型都有其優(yōu)缺點(diǎn)， 用戶(hù)要根據(jù)自己的實(shí)際需求來(lái)選擇方案。大體來(lái)說(shuō)，控制模式可以從 2 個(gè)層面上區(qū)分：驅(qū)動(dòng)單元和總體架構(gòu)。從單個(gè)驅(qū)動(dòng)單

3、元 來(lái)看，可以從智能集成度劃分等級(jí)，從總體控制架構(gòu)來(lái)看，有分布式和集中式 2 種模式不同的解決方案對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求也不一樣，下面我們先介紹一下上面提到的控制模 式，以及它們分別對(duì)通信系統(tǒng)的要求。驅(qū)動(dòng)單元：非智能型和全智能型對(duì)于單軸的驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)， 可以對(duì)它內(nèi)部的智能集成度來(lái)進(jìn)行劃分。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心作用 是按照控制要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？煽氐奈锢砹坑腥齻€(gè)：扭矩，速度，位置。 傳感器把這三個(gè)物 理量反饋到控制系統(tǒng)， 由控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和輸出， 實(shí)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)量的閉環(huán)控制， 從而實(shí)現(xiàn) 運(yùn)動(dòng)控制。眾多廠(chǎng)商提供的驅(qū)動(dòng)器按智能集成度大體可以分成三種類(lèi)型：1. 開(kāi)環(huán)式驅(qū)動(dòng)器2. 自帶電流閉環(huán)控制，速度閉環(huán)控制，有時(shí)也

4、帶位置閉環(huán)控制的驅(qū)動(dòng)器3. 集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的全智能型驅(qū)動(dòng)器第一種開(kāi)環(huán)式的驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)單純的執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 它本身只是一個(gè)放大器， 把控制信號(hào)放 大輸出給相應(yīng)功率的電機(jī)完成運(yùn)動(dòng)過(guò)程，所有的控制協(xié)調(diào)功能都由外部控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。第二種驅(qū)動(dòng)器自身集成了最多 3 層疊加的閉環(huán)控制。最底層是電流閉環(huán)，用來(lái)調(diào)制輸 出扭矩，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)， 最上一層為位置閉環(huán)。 這里的位置閉環(huán)只是相對(duì)于電機(jī) 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置而言。 如果要實(shí)現(xiàn)某種特定運(yùn)動(dòng)過(guò)程， 比如在設(shè)定速度下精確定位， 還需要 外部的智能設(shè)備（運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)）。第三種類(lèi)型是集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器， 系統(tǒng)本身除了有三層閉環(huán)控制的功能外， 也 集成了運(yùn)動(dòng)控制

5、系統(tǒng)， 具有很高的智能，客戶(hù)可以直接對(duì)其進(jìn)行編程。 機(jī)械行業(yè)應(yīng)用中的典 型運(yùn)動(dòng)過(guò)程， 如包裝機(jī)械，印刷機(jī)械，塑料機(jī)械中的常見(jiàn)的機(jī)械動(dòng)作，被優(yōu)化成軟件工藝 模塊集成到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。用戶(hù)不需要再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的編程， 直接給相應(yīng)的工藝模塊賦予參 數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜動(dòng)作。有些驅(qū)動(dòng)器內(nèi)甚至還集成 PLC 功能。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)器不需要外部 的控制系就可以單獨(dú)完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。集中式和分布式圖1:幾種不同的驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型從控制系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)看，多軸運(yùn)動(dòng)控制可分為集中式和分布式。 如果用上述第一 驅(qū)動(dòng)器（低智能型），多軸運(yùn)動(dòng)控制則被集中完成，由一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制單元（如運(yùn)動(dòng)控制卡） 控制多個(gè)低智能型驅(qū)動(dòng)器完成多軸運(yùn)動(dòng)控制。第二

6、種中央控制單無(wú)運(yùn)動(dòng)勒爭(zhēng)軸號(hào)跡計(jì)算動(dòng)計(jì)篇非皆柜世呃動(dòng)囲1非智繼型嶇動(dòng)黔2圖2:集中式多軸運(yùn)動(dòng)控制集中式多軸運(yùn)動(dòng)控制在機(jī)器人領(lǐng)域比較常見(jiàn)，通常由一個(gè)運(yùn)算能力強(qiáng)大的中央控制系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)計(jì)算各個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單元，完成復(fù)雜的三維動(dòng)作。使用上述第三種驅(qū)動(dòng)器（高智能集成型），相應(yīng)的多軸控制任務(wù)可以直接分布到各個(gè)驅(qū) 動(dòng)單元中去，實(shí)現(xiàn)完全分布式的多軸運(yùn)動(dòng)控制。晉能型驅(qū)動(dòng)器1智能型驅(qū)動(dòng)器2智能型驅(qū)動(dòng)器n圖3:分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制分布式多軸運(yùn)動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在模塊化的機(jī)械制造當(dāng)中，每個(gè)機(jī)械單元可以獨(dú)立工作，用戶(hù)可以對(duì)機(jī)械進(jìn)行靈活的配置，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。驅(qū)動(dòng)器中集成安全功能在涉及到人員和物品安全的領(lǐng)域，安全功能必須得到保證

7、，國(guó)際上已經(jīng)出臺(tái)了相應(yīng)的法律法規(guī)，在不同的機(jī)械制造行業(yè)中， 越來(lái)越多的設(shè)備中必須配備專(zhuān)門(mén)處理安全任務(wù)的驅(qū)動(dòng)器。 國(guó)際上已經(jīng)為此制定了設(shè)備安全方面的重要標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508?？梢灶A(yù)見(jiàn)，今后很多設(shè)備必須符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)才能夠投放到市場(chǎng)當(dāng)中去。帶有集成安全功能的標(biāo)準(zhǔn)智能驅(qū)動(dòng)器是目前的發(fā)展趨勢(shì)，帶有安全功能 的驅(qū)動(dòng)器可以在緊急情況下，自動(dòng)將設(shè)備減速到一個(gè)非危險(xiǎn)狀態(tài)， 或安全地停止整個(gè)設(shè)備。 甚至在其他控制 系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，安全功能也必須得到保證。2. 多軸運(yùn)動(dòng)控制對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求數(shù)據(jù)量，通信周期，時(shí)間同步性多軸運(yùn)動(dòng)控制對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)最核心的要求是實(shí)時(shí)性，除此之外，也需要考慮以下因素：? 數(shù)據(jù)交換的頻繁

8、度，（通信周期），? 各個(gè)站點(diǎn)之間的通信關(guān)系，? 數(shù)據(jù)包的大小，? 站點(diǎn)間的時(shí)間同步精確度，在集中式的控制模式中，有時(shí)候甚至電流（扭矩）的閉環(huán)控制也是由外部中央控制系統(tǒng) 完成。交換的數(shù)據(jù)主要是傳感器反饋的實(shí)際值和主控單元發(fā)出的設(shè)定值，這些數(shù)據(jù)被放在在很小的數(shù)據(jù)包里，很頻繁地在穿梭在主控單元和各驅(qū)動(dòng)器之間，系統(tǒng)偶爾可能要讀取一下如驅(qū)動(dòng)器溫度等診斷參數(shù)。這樣，通信周期越短越好，通常在50us或更小。通信關(guān)系是主控單元對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)器單元間的雙向通信，驅(qū)動(dòng)器單元之間無(wú)需數(shù)據(jù)交換。中央夢(mèng)鉆運(yùn) 動(dòng)控制單元非智能驅(qū)動(dòng)器1非習(xí)能鑾動(dòng)器3HF1Tal 二=UEH丄匸=«Tt非智龍蠱動(dòng)器2非智能驅(qū)動(dòng)強(qiáng)n圖

9、4 :集中式運(yùn)動(dòng)控制中的典型數(shù)據(jù)交換在分布式控制模式中，位置，速度，電流閉環(huán)在各驅(qū)動(dòng)器單元內(nèi)部完成，為了協(xié)調(diào)各軸 的動(dòng)作，需要交換的數(shù)據(jù)包就相對(duì)要大一些，主要包含位置，速度，電流等信息。由于像閉 環(huán)控制這樣的對(duì)運(yùn)行周期時(shí)間和精度都要求很高的任務(wù)已經(jīng)在驅(qū)動(dòng)器單元內(nèi)部完成，它們之間的數(shù)據(jù)交換就可以相對(duì)慢一些，速度信息通常每400us左右交換一次，位置信息1 - 2ms交換一次即可。各站點(diǎn)之間通信關(guān)系可以是任意的，主控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器單元，以及驅(qū)動(dòng)器單元間應(yīng)該可以任意點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。圖5 :分布式運(yùn)動(dòng)控制中的典型數(shù)據(jù)交換不管使用哪一種模式， 通信網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)都必須具有很高的時(shí)間同步精度。 主控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器 單元必

10、須通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高精度同步。 所以， 網(wǎng)絡(luò)本身的實(shí)時(shí)性對(duì)控制質(zhì)量有著直接的影 響。維護(hù)和診斷 在對(duì)設(shè)備的檢測(cè)維護(hù)過(guò)程中，上位系統(tǒng)必需可以對(duì)驅(qū)動(dòng)器中任何變量和參數(shù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)， 需要時(shí)還要進(jìn)行修改。 所以， 通信系統(tǒng)除了傳輸同步信息外， 還要為這類(lèi)非同步信息留下空 間。集中式控制模式中的絕大部分相關(guān)參數(shù)已經(jīng)存在主控單元中， 各驅(qū)動(dòng)器單元的診斷數(shù)據(jù) 主要是一些少量的狀態(tài)信息， 顯示系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。 所以， 通信網(wǎng)絡(luò)在集中控制模式中不 需要為診斷信息預(yù)留很多帶寬。分布式控制模式正好相反， 由于控制智能被分散到各個(gè)驅(qū)動(dòng)器單元， 相應(yīng)數(shù)據(jù)也是存儲(chǔ) 在各個(gè)驅(qū)動(dòng)器中， 驅(qū)動(dòng)單元各自獨(dú)立完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，

11、自行對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程做出響應(yīng)， 各驅(qū) 動(dòng)器中存儲(chǔ)了大量信息， 比如凸輪曲線(xiàn)， 診斷信息等。 為了讓用戶(hù)可以更方便地訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)數(shù) 據(jù)，很多高智能驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部甚至可以集成 Web 服務(wù)器，這樣，用戶(hù)可以直接用 Web 瀏覽 器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)。 所以， 在一個(gè)分布式的控制模式中通信網(wǎng)絡(luò)必須給診斷數(shù)據(jù)，參數(shù)下載等非同步信息預(yù)留比較大的帶寬空間。同步信息：需要周期性交換的信息，如位置，速度，扭矩等，需要高同步精度。非同步 信息：無(wú)需周期性交換的信息，如參數(shù)下載，狀態(tài)參數(shù)讀取等，沒(méi)有同步精度要求。 通信協(xié)議的高層抽象化為了讓客戶(hù)能夠更加方便地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的控制單元 （包括除驅(qū)動(dòng)器以外等其它設(shè)備） 進(jìn)行 編程， 組態(tài)

12、和維護(hù)， 需要對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的低層協(xié)議進(jìn)行抽象化。 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備具有的功能和參 數(shù)都由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來(lái)進(jìn)行描述。用戶(hù)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)編程接口（APIs ）訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中不同廠(chǎng)家的設(shè)備， 而不需要考慮設(shè)備在通信上， 功能上的具體細(xì)節(jié)。 新接入的設(shè)備可以通過(guò)清楚定 義的通信接口被自動(dòng)識(shí)別，被設(shè)置參數(shù)，自動(dòng)集成到整體系統(tǒng)中來(lái)。集成安全通信在一個(gè)整體控制架構(gòu)中，涉及到安全功能的控制設(shè)備（安全PLC ，安全驅(qū)動(dòng)設(shè)備等）目前通常是單獨(dú)布線(xiàn)， 自成獨(dú)立的安全通信網(wǎng)絡(luò)。 如果把安全設(shè)備和其它設(shè)備整合到現(xiàn)有系 統(tǒng)架構(gòu)中來(lái)， 和主控系統(tǒng)共用一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)， 可以大大減少對(duì)設(shè)備組態(tài)， 布線(xiàn)和維護(hù)的成本， 同時(shí)提高設(shè)備的柔性和靈活性

13、。 當(dāng)然， 安全性能在這種架構(gòu)中必須也能得到充分的保證， 如 果安全設(shè)備間的通信連接出現(xiàn)故障，系統(tǒng)必須能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。在涉及安全的部分中， 系統(tǒng)必需自動(dòng)周期性檢核控制系統(tǒng)和通信是否無(wú)故障運(yùn)行。 系統(tǒng) 要識(shí)別任何通信中斷， 數(shù)據(jù)包丟失或錯(cuò)誤， 需要的話(huà)將整個(gè)設(shè)備停到一個(gè)安全的狀態(tài)下。 控 制系統(tǒng)必須以極高的概率排除設(shè)備對(duì)人員或物資產(chǎn)生危險(xiǎn)的可能性。按照 IEC 61508 和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) IEC 62061 ，ISO 13849 的規(guī)定，使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 的通訊技術(shù)不足以獲得所需的可靠性和安全等級(jí)。使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒂锌赡軄G 失，沖突或者亂序。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，達(dá)到安全性的要求，安全網(wǎng)絡(luò)

14、在應(yīng)用層定義了 附加的數(shù)據(jù)檢核，包括監(jiān)控 Watchdog 定時(shí)器，檢測(cè)報(bào)文編號(hào)，確認(rèn)順序和標(biāo)記，以及額外 的數(shù)據(jù)一致性檢核。圖6 : IEC 61508安全標(biāo)準(zhǔn)為了把這些安全功能集成到現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和通信網(wǎng)絡(luò)中來(lái)，近幾年已經(jīng)有一些帶有保護(hù)和監(jiān)測(cè)機(jī)制的，符合安全標(biāo)準(zhǔn)的專(zhuān)用通信協(xié)議被開(kāi)發(fā)出來(lái)。安全的訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制對(duì)于設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)監(jiān)控來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單透明的訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制是非常有利的。用戶(hù)可以直接用 Modem或者寬帶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)直接對(duì)設(shè)備上對(duì)任何一個(gè)控制單元進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)維護(hù)。理想情況下 設(shè)備中的通信系統(tǒng)可以直接使用互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，在智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中集成的Web服務(wù)器就可以直接通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)被訪(fǎng)問(wèn)，提供相應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)。

15、但是這種通信的透明度在實(shí)際情況下會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)中的不安全因素 （病毒，木馬，蠕蟲(chóng)等）會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的設(shè)備帶來(lái)危險(xiǎn)。所以，在滿(mǎn)足遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)要求的同時(shí)，一個(gè)安全 的訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制是必不可少的。外部網(wǎng)絡(luò)中無(wú)論是人為或非人為因素造成的故障不應(yīng)該影響現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備的正常運(yùn)行。對(duì)于多軸運(yùn)動(dòng)控制通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通信故障造成的偏差不僅影響控制質(zhì)量， 甚至也會(huì)造成設(shè)備損壞和對(duì)人員的傷害。統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為了節(jié)省開(kāi)發(fā)維護(hù)的成本，在整體控制架構(gòu)中使用的網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型越少越好。最佳情況下，一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，可以滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)高速實(shí)時(shí)通信的要求，也可以用來(lái)作為其它非同步數(shù)據(jù)的通信介質(zhì)（10,人機(jī)界面，數(shù)據(jù)監(jiān)控采集等 ）。以太網(wǎng)作為一個(gè)成

16、熟的通信介質(zhì)， 可以滿(mǎn)足用戶(hù)的多種需求。3. ETHERNET Powerli nk 提供完整的解決方案以上提到了多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求，下面將以ETHERNET Powerlink 為例，介紹一個(gè)已經(jīng)得到驗(yàn)證的，成熟的解決方案。ETHERNET Powerlink（以下簡(jiǎn)稱(chēng) EPL ）是由奧地利貝加萊（B&R）工業(yè)自動(dòng)化公司于2001年推出的全球首個(gè)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)推出后即被公開(kāi)，任何公司單位 個(gè)人都可以免費(fèi)獲取。由一個(gè)中立性的組織EPSG對(duì)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù)，目前已經(jīng)有全球超過(guò)200知名工控企業(yè)加入這個(gè)組織，包括大家熟悉的 ABB , Alstom , Hirs

17、hmann , P + F ,Wago 等。EPL建立在標(biāo)準(zhǔn)快速以太網(wǎng) IEEE802.3的基礎(chǔ)之上，協(xié)議運(yùn)行在一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)域中， 所謂實(shí)時(shí)域（Real - Time Domain ）。這樣就可以保證對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的通信要求（如單個(gè)實(shí)時(shí)域多軸運(yùn)動(dòng)控制）不會(huì)被與之連接的非實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)（如辦公室網(wǎng)絡(luò)）所影響。內(nèi)最多可以同時(shí)接入 240個(gè)站點(diǎn)。實(shí)rm同步段實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換EPL是一個(gè)嚴(yán)格周期性的通信協(xié)議，它可以保證所有在實(shí)時(shí)域內(nèi)的站點(diǎn)以小于1US的時(shí)間精度相互同步。其中一個(gè)站點(diǎn)作為管理站控制整個(gè)實(shí)時(shí)域的時(shí)間特性。每個(gè)通信周期開(kāi)始時(shí)，管理站會(huì)發(fā)出一個(gè)非常精確的同步信號(hào) SoC （Start of Co

18、mmu ni cation ）。之后EPL協(xié)議為所有站點(diǎn)預(yù)留了一個(gè)時(shí)間槽，用來(lái)進(jìn)行同步信息的通信，這個(gè)階段被 稱(chēng)作同步段。在同步段，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)站點(diǎn)都會(huì)被分配得到一個(gè)專(zhuān)用的時(shí)間槽，有時(shí)多個(gè)站點(diǎn)也可以共用一個(gè)時(shí)間槽（ Multiplex模式），以便充分利用帶寬。同步段結(jié)束后，協(xié)議還預(yù)留了一個(gè)時(shí)間段作為非同步信息（參數(shù)診斷，下載等）通信段。非同步信息對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有要求，所以每個(gè)同步周期只有唯一一個(gè)站點(diǎn)可以發(fā)出非同步信息就可以滿(mǎn)足要求。通信周期站點(diǎn)圖7 :每個(gè)站點(diǎn)都被分到一個(gè)時(shí)間槽，每個(gè)通信周期都預(yù)留非同步數(shù)據(jù)段通信機(jī)制采用廣播形式， 所有站點(diǎn)都可以同時(shí)接受信息，這樣，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)站點(diǎn)中的橫向數(shù)據(jù)交換

19、，如驅(qū)動(dòng)單元間的直接數(shù)據(jù)交換。這樣，集中式和分布式兩種控制模式的要求都可以得到滿(mǎn)足。EPL的報(bào)文格式完全符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)幀格式，使用市場(chǎng)上任何一種以太網(wǎng)芯片就可以方便地實(shí)現(xiàn)EPL協(xié)議，成本非常低廉。使用市場(chǎng)上完全以軟件方式實(shí)現(xiàn)的EPL系統(tǒng)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文，最短通信周期可以達(dá)到 100us。單個(gè)報(bào)文最長(zhǎng)可以有 1500個(gè)字節(jié)的有效數(shù) 據(jù)長(zhǎng)度。通信周期的最短時(shí)間， 時(shí)間槽的數(shù)量，以及單幀報(bào)文的長(zhǎng)短都可以由用戶(hù)自由設(shè)置。通過(guò)對(duì)這類(lèi)參數(shù)的設(shè)定，EPL可以適合不同場(chǎng)所不同類(lèi)型的應(yīng)用要求，特別在多軸運(yùn)動(dòng)控制 領(lǐng)域，可以滿(mǎn)足集中和分布2種控制模式對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的要求。EPL的具體參數(shù)如下：公開(kāi)的協(xié)議，知

20、識(shí)產(chǎn)權(quán)完全開(kāi)放符合IEEE 802.3, IP-協(xié)議，CANopen 和其它多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)交換可實(shí)現(xiàn)100卩s通信周期 和1卩s的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)（Jitter）可實(shí)現(xiàn)任意靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用TCP/UDP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)透明通信現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)有超過(guò) 15萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用可用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件模塊實(shí)現(xiàn)；無(wú)需設(shè)計(jì)專(zhuān)用芯片標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)有超過(guò)200家知名企業(yè)作為會(huì)員非同步數(shù)據(jù)可使用 TCP/UDP/IP在非同步段，數(shù)據(jù)可以依舊使用標(biāo)準(zhǔn) IP-報(bào)文格式傳輸，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用也可以在 EPL協(xié)議 堆棧上輕松實(shí)現(xiàn)，如 Web服務(wù)器，e-mail服務(wù)等。如果給一個(gè) EPL站點(diǎn)賦予IP地址，就 可以通過(guò)互

21、聯(lián)網(wǎng)協(xié)議在世界任何一端直接訪(fǎng)問(wèn)此站點(diǎn)。圖&無(wú)論哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)層面都可以直接訪(fǎng)問(wèn)EPL站點(diǎn)在EPL站點(diǎn)傳輸非同步數(shù)據(jù)之前，先報(bào)告給管理站，管理站通過(guò)一個(gè)優(yōu)先分配清單來(lái) 統(tǒng)一調(diào)配分給各站的非同步時(shí)間段。應(yīng)用層（第7層）使用CANOpne協(xié)議在協(xié)議的應(yīng)用層，EPL直接使用靈活的 CANOpen作為通信和設(shè)備描述的協(xié)議。由于EPL使用的是快速以太網(wǎng)作為其通信介質(zhì)，它的通信速率可以比CAN總線(xiàn)快將近100倍,使用的卻是同一種應(yīng)用層接口。EPSG 組織和 CiA(CAN in Automation) 合作，把 CANopn 種的 DS301 和 DS302 規(guī)約移植到EPL中來(lái)。每一種符合 EPL標(biāo)準(zhǔn)的

22、設(shè)備都由一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)備模型來(lái)描述。設(shè)備模型 的核心部分是通過(guò)對(duì)象字典(Object Dictionary )對(duì)設(shè)備功能進(jìn)行描述。對(duì)象字典分為兩部分，第一部分包括基本的設(shè)備信息，例如設(shè)備ID，制造商，通信參數(shù)等等。第二部分描述了特殊的設(shè)備功能。一個(gè)16位的索引和一個(gè)8位的子索引唯一確定了對(duì)象字典的入口。通過(guò)對(duì)象字典的入口可以對(duì)設(shè)備的”應(yīng)用對(duì)象"進(jìn)行基本網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)，設(shè)備的 ”應(yīng)用對(duì)象"可以是輸入輸出信號(hào)，設(shè)備參數(shù)，設(shè)備功能和網(wǎng)絡(luò)變量等等。圖9: EPL設(shè)備模型符合 CANopen標(biāo)準(zhǔn)需要高同步精度的時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO(Process Data Object) 進(jìn)行

23、數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)站點(diǎn)都可以讀取PDO，并對(duì)它進(jìn)行處理。PDO的數(shù)據(jù)內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始階段就被設(shè)置好。所以數(shù)據(jù)傳輸本身可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間優(yōu)化，而且不帶附加數(shù)據(jù)(幀頭尾等)。EPL可以在一幀同步報(bào)文中最多傳輸1490個(gè)字節(jié)，而CAN總線(xiàn)最多只有8個(gè)字節(jié)。參數(shù)下載，診斷數(shù)據(jù)等非時(shí)間關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以放在服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象(SDO )中傳輸。在非同步段的SDO的傳輸遵循 客戶(hù)端/服務(wù)器 模式。網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè) EPL站點(diǎn)都可以通過(guò)對(duì)象字 典(Object Dictionary )訪(fǎng)問(wèn)另一個(gè)站點(diǎn)的 SDO。數(shù)據(jù)量的大小沒(méi)有限制。 通過(guò)使用UDP/IP 報(bào)文格式也可以直接從互聯(lián)網(wǎng)上訪(fǎng)問(wèn)SDO。丁已臼?怕飾卞|:和瓚T ransporl:Nelwk DLL圖 10 : EPL 可以用 UDP 傳輸 CANopen SDO通過(guò)協(xié)議應(yīng)用層上和 CANopen兼容，EPL滿(mǎn)足了網(wǎng)絡(luò)高層抽象化的要求。而且在CAN總線(xiàn)和EPL共存的網(wǎng)絡(luò)中，用戶(hù)可以使用統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議和編程接口。安全工業(yè)以太網(wǎng)EPL