通信接口在传感器(控制系统的“神经”)和控制器(大脑)之间提供了至关重要的联系。为了提供这种连接,已经引入了各种各样的通信技术,通常具有为某种类型的控制系统量身定制的特性和能力。让我们看看一些广泛使用的运动控制通信技术。

特殊情况下的特殊解

对于一些为运动控制提供反馈的传感器,测量技术将决定通信接口。增量式编码器提供一个连续的信号脉冲流——编码器的轴每次旋转一定的量就有一个信号脉冲。它们擅长于速度控制,因为控制器可以从脉冲之间的间隔准确地确定旋转速率。

许多增量编码器传输两个输出信号,称为A和B,相位差为90°,使控制器能够确定旋转方向。有些还以定义的旋转角度在每次旋转时输出一次Z信号。这提供了一个精确的参考点。

增量编码器和控制器之间的连接必须是点对点的,用专用电缆连接每个编码器和控制器。通信通常基于通过双绞线传输的差分信号,电缆中导体对的数量取决于信号的数量(a、B和Z)。

编码器中的输出驱动器必须与控制器上的接口兼容-通常使用推拉(HTL)或RS-422(TTL)输出驱动器。这些标准规定了信号电压。

绝对位置传感器

数字点对点布线是小型系统的一种简单方法。

本文的其余部分将集中讨论绝对位置传感器,如编码器和倾角计。这些设备可以通过电压/电流电平(模拟编码器)或发送数字字或“电报”(数字编码器)来报告在某一特定时刻的测量位置。这些设备是理想的位置控制应用。

模拟传感器有很长的历史,早期的控制系统使用电位器(可变电阻)。最近,内置D/A转换器的数字传感器已经被引入。这些可与电压(例如,0-5 V)或电流(例如,0-20 mA)输出。它们具有可编程的D/A转换器,从而可以设置一个预定的机械运动范围(从一小转到多个转),以扩展整个系统的电气输出范围(例如,0-5 V, 0-20 mA)。这提高了在最重要的运动范围内的精度和分辨率。模拟传感器需要点对点连接,通常使用相对较大的电线来限制电阻。

具有位并行接口的绝对编码器以数字字的形式报告测量结果,每个位都有一个单独的导体。反应几乎是即时的。连接是点对点的,通常通过带状电缆。由于这种类型的电缆相对笨重和不灵活,位并行系统在短距离下工作得最好。

数字点对点布线

共享访问布线系统基于总线拓扑结构,多个设备共享一个公共布线主干。

通过点对点布线,专用电缆从控制器连接到每个传感器。绝对编码器的SSI(串行同步接口)和bis(双向串行同步)接口使用点对点布线系统。这些是数字接口,可以直接连接到plc或其他控制器。SSI连接提供良好的速度(时钟速率高达2兆赫兹),高分辨率,灵活的电缆,和可靠的通信长达几百米(尽管波特率降低了更长的距离)。SSI协议提供基本的错误检测(断线、短路、数据一致性)。

BiSS是SSI的高级版本,支持伺服电机、机器人和其他自动化系统中控制设备和传感器/执行器之间的实时通信。该接口还使控制器能够在从属设备中设置操作参数。有几种BiSS变体,包括BiSS C(连续通信)和BiSS线路(设计用于在一根电缆中结合电力传输和数据传输的配置)。开源SSI和BiSS接口标准是非专有的,没有成本许可证。

SSI和BiSS通信使用点对点连接——通常为RS-422。多个设备可以菊花链连接在一起,以实现更高效的电缆布局。

现场总线:共享访问布线系统

工业以太网使用了与办公室以太网相同的技术基础,但进行了改进,使其更适合苛刻的工厂条件。

点对点布线在短距离和设备数量有限的系统中工作得很好,但随着传感器数量的增加,布线布局可能变得难以处理。随着自动化系统变得越来越复杂和连接设备的数量增加,一些制造商引入了现场总线系统。这些特征网络基于总线拓扑结构,多个设备共享一个共同的布线主干。现场总线系统是可靠、快速和相对划算的。应用范围从传送带和制造设施到移动设备、医疗设备、风力涡轮机和太阳能电池板。

让多个设备共享一个公共通信通道可能会导致响应时间问题——当总线上的流量很大时,单个传感器的消息可能会被不可预测的时间延迟。为了解决这个问题,大多数现场总线设计允许操作人员对设备进行重要性排序。这有助于确保关键信息得到优先处理。现场总线系统的物理层通常基于双绞线(如EIA-485)。

流行的现场总线标准包括博世的控制器区域网络(CAN)、CANopen、西门子的Profibus(过程现场总线)和艾伦-布拉德利/罗克韦尔的DeviceNet。DeviceNET在北美得到了广泛的应用,它将CAN物理层与CIP(通用工业协议)高级协议结合在一起。SAE J1939采用了CAN数据传输标准,针对重型车辆进行了优化。

网络由物理元素(导线、连接器和控制信号流的电子元件)和逻辑元素(在软件中实现的寻址方案、通信协议、设备概要等)组成。在现场总线的世界中,许多系统使用CAN标准来定义网络的物理方面,而更高级别的协议——如CANopen、DeviceNet、J1939等——提供端到端功能。

工业以太网

工业以太网使用与办公室以太网相同的技术基础,但具有增强功能,使其更适合恶劣的工厂条件。工业级开关单元可能具有坚固的防水和防尘外壳,而许多设备使用坚固的M12连接器代替更易损坏的RJ45连接器。

通信协议也有重要的升级。工业应用——特别是运动控制——通常要求控制实时运行,没有普通以太网中可能出现的不可预测的传输延迟(延迟或抖动)。工业以太网系统(如Profinet IRT、Ethernet/IP和Ethernet Powerlink)通过改进的协议栈和特殊硬件解决了这一问题,这些硬件为关键消息提供优先访问网络带宽的权限。实现这一点所需的特殊组件会增加系统的复杂性和成本。

值得注意的是,虽然以太网提供了无限数量的设备和灵活的拓扑选择,但系统性能问题——尤其是实时运动控制应用——可能需要在设计上做出妥协,减少本地流量,并为关键部件提供直接通信路径。

IO Link是一种低成本、易于实施的通信系统,旨在简化现场总线或工业以太网网络与位于工厂地板上的简单传感器或执行器之间的连接。IO链路主网关设备的一侧是与全厂网络的接口,而另一侧有多个与单个传感器设备的点对点连接。

终端设备的IO-Link接口相对简单,无需在传感器/执行器级别支持复杂的通信协议。IO-Link支持多种数据类型,包括测量数据、设备配置说明和有关工作条件参数(如温度)的信息。

无线通信

无线技术能够与移动机械(如自动导航车辆)或必须经常搬迁的设备进行通信。Wi-Fi (IEEE 802.11)和蓝牙是短距离无线通信广泛使用的标准。其他标准也适用于远程通信,尽管这些标准的比特率可能较低。新兴的5G网络有望实现高数据速率和低延迟。

在电噪声环境中,无线通信可能比有线连接更不可靠,可能不适合高度依赖时间的反馈信号。例如,在仓库机器人的情况下,可以使用无线信号来指示机器从特定位置检索材料。然而,用于转向、速度控制和避碰的传感器通常会被硬连接到控制系统,以确保可靠的即时响应。

开放的兼容性标准

通信接口标准。

没有一家供应商能够为复杂自动化系统的每个部分提供最好的inclass设备,工业网络技术供应商已经从专有网络系统转向支持开放(供应商中立)接口和网络标准。有了这些标准,运动控制设备的购买者可以混合和匹配来自不同供应商的标准认证组件,期望所有组件都能协同工作。

重要的行业标准组织包括开放设备厂商协会DeviceNet和以太网/IP标准的发起者;的自动化协会中的CANCANopen协议的发起者;和现场总线Nutzerorganisation, Profibus和Profinet接口的赞助商。

本文由新泽西州汉密尔顿市FRABA公司总经理Christian Fell撰写。欲了解更多信息,请访问在这里.


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本文首次发表于2021年8月号金宝搏官网杂志。

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