实时通信与现代制造

专家：宋华振 领域：工业以太网 行业：电子制造 日期：12-04-05 11:12 点击数：3536

    1 现代制造的需求变化

   任何的技术变革都来源于需求的产生，而需求是一个在产业链之间进行传递的过程，其起源于终端消费者本身，消费市场的需求延伸到生产系统，从而导致对于机器制造业的需求变化，消费市场的需求概括为：小批量和多品种，以及对于物美价廉的追求，因此，生产者提出了诸多对于生产系统的需求，这些需求也传递给电气控制领域的方案实现者以及系统集成方。
      
                        

   从控制角度来提升制造精度和效率，互联从而能够全局优化企业级的数据，需要一个通用网络来满足各种复杂的控制网络的需求——这一切带来了“一网到底”需求的产生，而需求需要有兼容性，即，一方面它不能再由多个网络构成，它既能满足信息化的数据采集需求，也能满足实时控制，并且能够将原来不同的控制对象进行集成，即要满足需求的广泛兼容性。同时，它必须是一个标准的为大家所接受的，不受制于任何一家厂商的技术。

   2 制造业自动化与信息化的融合

   2.1 自动化正在与信息化融合

   工业自动化已经不再是传统的PLC/PC/DCS控制或者传动、传感器的概念，自动化正在融入到企业信息化的进程中，为了全局的企业资源优化和提高生产的柔性、效率与降低成本的考虑，必须对整个生产过程进行信息化，这需要获取更多的现场实时生产管理数据。另一方面，从生产柔性和效率的角度来考虑，必须将设备互联以便其相互的连线生产速度、位置和工艺流程的匹配，这些都使得需要对现场部分与生产和流程相关的数据进行连接，从而满足数据的采集和处理，以便优化和调整生产系统的状态。
  
                   

   2.2 产业升级，信息化需求迫切

   今天，对于很多机械领域，即使看上去“粗大笨重”（如港口机械），其信息化需求也十分迫切。对于不同货物如散装的铁矿、标准集装箱、冷藏货物、大件货物，均需要设计不同的卸货、输送、装载、包装等流程，由不同设备进行码头操作，要考虑到设备流程的设计、称重、机器的安全、吊装的速度和定位、能耗的优化等很多因素，因此，需要由不同机器设备的控制系统为整个管理系统提供现场数据并与物流管理、客户信息系统、海关报关信息等进行互联，以便建立高效的港口与码头货物处理。
  
                    

    与此同时，相较于传统的机械领域，新兴的能源产业如太阳能晶硅电池的生产过程也同样面临着信息化的迫切需求。

   由于晶硅电池组件的生产包含了单晶硅拉制—多线切割—清洗制绒—扩散—祛磷硅玻璃—PECVD—丝网印刷—烧结—组件层压敷设等流程，如果不依赖于设备的互联生产，则这个生产流程将会受制于中间各个在线物流的配送而形成生产的多个瓶颈，这样无法提高生产效率，也就无法形成规模效应来降低整个生产成本。
      
                     

   而对于太阳能行业，如果无法实现高效生产就意味着无法实现规模生产以降低整个晶硅电池的成本，这也使得其发电成本无法下降，从而影响产业的整体未来发展。互联的设备建立的信息化系统可以让整个生产过程变得更加透明，能够实现整个生产过程的原料、品质、成本等相关的控制信息实时优化。

   3 效率和精度

   效率是构成生产的重要考量指标，对于生产型企业而言，效率通常意味着很多，包括生产速度、成本节省、设备利用率、总拥有成本等概念，如何提高生产效率，这与控制系统本身有着非常紧密的联系，实时通信技术在这里扮演着非常重要的角色。

   3.1 精度与质量提高

   我们知道，△S＝△V*△T，如果定义△S为系统加工精度，△V代表加工速度，△T代表着加工中的控制循环周期的话，会发现为了达到更高的加工精度和更快的加工速度，只有降低△T—只有循环周期足够小，才能够实现高速和高精度的加工。

   基于总线的控制是未来的控制技术发展方向。对于众多机械制造而言，其加工取决于系统的循环周期，除了要降低PLC的任务周期，通信速度还必须扮演一个角色—即它不能成为系统的瓶颈，这相当于好车要运行在好的高速公路上一样。信息高速公路的概念不仅仅体现在设备的联网与企业级的数据交互，也体现在控制层的数据交互上，并且在控制层对此提出了更高的要求。
 
   例如：下图是一个晶硅多线切割的基于B&R的方案，在这个方案中，由Ethernet POWERLINK连接的伺服系统对晶硅棒材进行切割，其切割精度要求非常高（TTV<0.1mm=切片平均厚度偏差），由主轴驱动线带，进给轴输送棒材，放卷和卷绕确保切割过程中的张力恒定，对于切割而言，若出现偏差无法满足精度则意味着晶硅电池片精度等级的偏差，造成了利润的浪费，而切割出现损坏则意味着巨大的成本浪费—因为一根晶硅棒材的价格大约是10余万人民币。
  
                     

   在基于总线的切割系统中，跟随主轴的切割进给与牵引必须确保系统伺服轴之间的高精度同步，而所依赖的便是实时以太网POWERLINK技术。

   3.2 机器人提高生产的柔性

   传统的单机生产不存在数据的互联需求，但为了提高生产效率和生产柔性，必须对设备进行互联，而在互联中存在很多中间的在线物流环节以及加工的快速输送与定位需求，这使其对机器人的需求更为迫切，机器人带给生产系统的好处在于：

   （1）它使生产柔性得到大幅度提高，机器人可以根据生产需要，对物料进行快速搬运，使生产的连续性得到保障；

   （2）机器人参与加工本身也使得加工精度和效率得到提高，例如：在汽车制造业，焊接机器人不仅焊接精度高，而且焊接速度也较之人工得以提高。

   机器人使生产系统的物流搬运和加工本身在速度和精度方面均得以大幅度提高，因此，机器人会成为未来生产线上的主流设备。机器人技术完全是通过实时总线来实现的控制—即使在过去专用控制器的年代也是如此，总线技术确保了机器人系统提供正确的指令给每个独立的伺服轴，而伺服轴也通过总线反馈信息给机器人系统，通常工业机器人的控制精度必须确保在0.1mm以下，而其加工速度必须满足TCP(Terminal Centre Point)在数米的范围。

    4 系统的复杂性

    系统的复杂性是相对于传统PLC的顺序逻辑控制而言的，事实上，控制已经不再是PLC与DCS的区别，也不是PC与PAC的区别，从数据采集与控制的角度来考量，更多的传感器使系统具有可观测性和能控性。另一方面，人们必须为系统提供远非原有的控制任务，如CNC和机器人动作、安全技术、冗余、仿真等，因为机器不仅是控制本身，也要考虑到操作的方便、人身的安全、系统的融合、开发的快捷等。

   总线技术本身是与其长期形成过程中的通信行规（Profile）有关的，系统的复杂性体现在现有通信技术的行规对于通信内容定义的完整性，例如SERCOS最初的行规仅定义为对位置、速度这样的运动控制信号进行传输，而未考虑到I/O数据的交互。对于SERCOSIII则解决了这一问题，即使最早使用的POWERLINK通信技术也没有冗余的考虑，而之后2008年加入了冗余，并且也融入了满足IEC61508的Safety技术，系统的复杂性对于网络提出了新需求，这都是传统总线所无法比拟的。除此之外，还包含滑环的应用、数据安全的需求、网络拓扑结构的需求、热插拔技术、重载环境下的应用等。

   未来对于XML等脚本语言的支持、远程维护技术都是原有的控制系统所不具备的需求。因此，总线技术必须去满足这一切的发展。

   5 标准化与实时网络

   5.1 需求兼容性—一网到底的解决方案

    人们寻求各种解决设备互联和控制的网络时，力求希望做到“一网到底”。这是因为如果无法做到这一点就仍然需要中间的交换设备，且要为此付出大量的代码编写来进行通信连接，以及网络设置和调试的成本。

   5.2 网络的选择基准

   工业控制的发展需要一个标准化的网络连接所有的设备，标准化是一个必须的指标，而原有的各种总线技术如Profibus、DeviceNet、CC-Link虽然都满足标准化的需求，但它们不具备中立性，它们都属于私有技术，由某家公司来掌握，而Ethernet则实现了通用性—它不属于某家公司，而另一些网络如CANopen、Modbus相对较为中立且广为使用，却无法满足高速实时控制的需求，因此也无法担当一网到底的重任。

    综合而言，这一总线技术必须满足以下特性：

    （1）开放性高，具有广泛的认可度；

    （2）高需求兼容性，即该通信技术不仅能满足某一部分的设备互联，例如，必须能够满足企业级的大容量数据传输，也能满足高的实时控制需求；

    （3）系统实现方便，并且成本低廉；

    （4）具有长期可用性，是一个不断提升而且发展的技术。

    5.3 实时以太网

    在上述标准之下，人们选择了以太网技术，然而，Ethernet无法满足实时控制的需求，因此产生了不同的实时以太网技术来满足实时控制的需求：

    （1）基于独立帧的Ethernet POWERLINK、PROFINET、Ethernet/IP；

    （2）基于集束帧的SERCOSIII和EtherCAT。

    其中Ethernet POWERLINK是第一个实现的实时以太网技术，2001年即投入使用，并且其标准化组织EPSG在2008年开放了所有源代码，使它成为了自动化领域里唯一的一个开源技术。

   宋华振（1972-）

   男，贝加莱工业自动化（上海）有限公司市场部经理、工程师，主要技术专长为运动控制和实时通信技术。   

   摘自《自动化博览》2012年第三期