Связывание систем управления: доверенные коммуникационные интерфейсы для датчиков позиции и движения

Коммуникационные интерфейсы обеспечивают важнейшую связь между сенсорами («нервами» системы управления) и контроллерами («мозгом»). Введена впечатляющая разнообразие коммуникационных технологий для обеспечения этой связи, обычно с функциями и возможностями, адаптированными к определенному типу системы управления. Рассмотрим некоторые широко используемые коммуникационные технологии для управления движением.

Специальные решения для особых случаев

Для некоторых сенсоров, обеспечивающих обратную связь для управления движением, технология измерения диктует коммуникационный интерфейс. Инкрементные энкодеры выдают непрерывный поток импульсов сигнала — по одному для каждого поворота вала энкодера на определенный угол. Они отлично подходят для управления скоростью, так как контроллер может точно определить скорость вращения из интервала между импульсами.

Многие инкрементные энкодеры передают два выходных сигнала, называемых A и B, с разницей фаз 90°, позволяя контроллеру определять направление вращения. Некоторые также выдают сигнал Z один раз за оборот при определенном угле вращения. Это обеспечивает точную опорную точку.

Соединение между инкрементным энкодером и его контроллером должно быть точка-точка, с выделенным кабелем, соединяющим каждый энкодер с его контроллером. Коммуникация обычно основана на дифференциальном сигнале, передаваемом по витой паре, где количество пар проводников в кабеле зависит от количества сигналов (A, B и Z).

Выходные драйверы в энкодерах должны быть совместимы с интерфейсом на контроллере — драйверы Push-Pull (HTL) или RS-422 (TTL) обычно используются. Эти стандарты определяют напряжение сигнала.

Абсолютные датчики позиции

Остальная часть статьи будет фокусироваться на абсолютных датчиках позиции, таких как энкодеры и инклинометры. Эти устройства сообщают измеренную позицию в конкретный момент времени, либо как уровень напряжения/тока (аналоговые энкодеры), либо передавая цифровое слово или «телеграмму» (цифровые энкодеры). Эти устройства идеальны для приложений управления позицией.

Аналоговые сенсоры имеют долгую историю, с ранними системами управления, использующими потенциометры (переменные резисторы). Недавно появились цифровые сенсоры со встроенными ЦАП. Они доступны с выходом либо по напряжению (например, 0–5 В), либо по току (например, 0–20 мА). Они имеют программируемые ЦАП, так что заданный диапазон механического движения (от доли оборота до множества оборотов) может быть установлен для охвата полного электрического выходного диапазона системы (например, 0–5 В, 0–20 мА). Это улучшает точность и разрешение по наиболее значимому диапазону движения. Аналоговые сенсоры требуют точечно-точечных соединений, часто с проводами относительно большого сечения для ограничения электрического сопротивления.

Абсолютные энкодеры с бит-параллельными интерфейсами сообщают измерения как цифровое слово, с отдельным проводником для каждого бита. Ответ практически мгновенный. Соединение точка-точка, обычно через ленточный кабель. Поскольку этот тип кабеля относительно громоздкий и негибкий, бит-параллельные системы лучше работают на коротких расстояниях.

Цифровая точка-точка проводка

При точечно-точечной проводке выделенный кабель идет от контроллера к каждому отдельному сенсору. Интерфейсы SSI (Serial Synchronous Interface) и BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) для абсолютных энкодеров используют точечно-точечные системы проводки. Это цифровые интерфейсы, которые могут подключаться напрямую к ПЛК или другим контроллерам. Соединения SSI предлагают хорошую скорость (тактовые частоты до 2 МГц), высокое разрешение, гибкую кабельную разводку и надежную связь до нескольких сотен метров (хотя бодрейты снижаются для больших расстояний). Протоколы SSI обеспечивают базовое обнаружение ошибок (обрыв провода, короткое замыкание, согласованность данных).

BiSS — продвинутая версия SSI, поддерживающая реальное время коммуникации между управляющими устройствами и сенсорами/актуаторами в сервоприводах, роботах и других системах автоматизации. Интерфейс также позволяет контроллеру устанавливать операционные параметры в ведомых устройствах. Существует несколько вариантов BiSS, включая BiSS C (непрерывная коммуникация) и BiSS Line (разработанный для конфигураций, сочетающих подачу питания и передачу данных в одном кабеле). Открытые стандарты интерфейсов SSI и BiSS не проприетарны, с бесплатными лицензиями.

Коммуникации SSI и BiSS используют точечно-точечные соединения — обычно RS-422. Несколько устройств могут быть объединены в цепочку (daisy-chained) для более эффективной компоновки кабелей.

Промышленная шина (Fieldbus): системы проводки с совместным доступом

Точечно-точечная проводка хорошо работает для систем с короткими расстояниями и ограниченным числом устройств, но по мере увеличения количества сенсоров схемы проводки могут стать громоздкими. По мере того как автоматизированные системы становились более изощренными и количество подключенных устройств росло, несколько производителей ввели системы fieldbus. Эти сети основаны на шиной топологии, с множеством устройств, совместно использующих общую магистраль проводки. Системы fieldbus надежны, быстры и относительно экономичны. Применения варьируются от конвейеров и производственных объектов до мобильного оборудования, медицинского оборудования, ветряков и солнечных панелей.

Наличие множества устройств, совместно использующих общий коммуникационный канал, может вызывать проблемы с временем отклика — когда трафик на шине интенсивен, отдельные сенсоры могут задерживать свои сообщения на непредсказуемое время. Чтобы обойти это, большинство конструкций fieldbus позволяют оператору ранжировать устройства по важности. Это помогает гарантировать, что критические сообщения получают приоритетное обращение. Физический уровень систем fieldbus обычно основан на витых парах (например, EIA-485).

Популярные стандарты fieldbus включают Controller Area Network (CAN) от Bosch, CANopen, Profibus (Process Field Bus) от Siemens и DeviceNet от Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, широко используемый в Северной Америке, объединяет физический уровень CAN с CIP (Common Industrial Protocol) протоколами более высокого уровня. SAE J1939, использующий стандарты транспортных данных CAN, оптимизирован для тяжелых транспортных средств.

Сети состоят из физических элементов (провода, разъемы и электронные компоненты, управляющие потоком сигналов) и логических элементов (адресация, протоколы коммуникации, профили устройств и т.д., реализуемые в ПО). В мире fieldbus многие системы используют стандарты CAN для определения физических аспектов сетей, в то время как протоколы более высокого уровня — такие как CANopen, DeviceNet, J1939 и т.д. — обеспечивают сквозную функциональность.

Промышленный Ethernet

Промышленный Ethernet использует те же технические основы, что и офисный Ethernet, но с улучшениями, делающими его более подходящим для суровых заводских условий. Промышленные коммутаторы могут иметь надежные водо- и пылезащищенные корпуса, в то время как многие устройства используют надежные разъемы M12 вместо более уязвимых RJ45.

Также есть важные обновления протоколов коммуникации. Промышленные приложения — особенно управление движением — часто требуют управления в реальном времени, без непредсказуемых задержек передачи (латентности или джиттера), которые могут возникать в обычных Ethernet-сетях. Промышленные Ethernet-системы, такие как Profinet IRT, EtherNet/IP и Ethernet Powerlink, решают это через модифицированные стеки протоколов и специальное оборудование, дающее критическим сообщениям приоритетный доступ к пропускной способности сети. Специальные компоненты, необходимые для достижения этого, могут увеличивать сложность и стоимость системы.

Следует отметить, что хотя Ethernet предлагает видение неограниченного числа устройств и гибких опций топологии, вопросы производительности системы — особенно для приложений управления движением в реальном времени — могут требовать дизайнерских компромиссов, снижающих локальный трафик и обеспечивающих прямые коммуникационные пути для критических компонентов.

IO-Link — низкозатратная, легко внедряемая система коммуникации, разработанная для упрощения соединений между fieldbus или промышленными Ethernet-сетями и простыми сенсорами или актуаторами, расположенными на заводском полу. С одной стороны IO-Link мастер-шлюза — интерфейс к заводской сети, с другой — множественные точечно-точечные соединения к отдельным сенсорным устройствам.

Интерфейс IO-Link для конечных устройств относительно прост, устраняя необходимость поддерживать сложные протоколы коммуникации на уровне сенсора/актуатора. IO-Link поддерживает множество типов данных, включая измерительные данные, инструкции по конфигурации устройства и информацию об операционных параметрах, таких как температура.

Беспроводные коммуникации

Беспроводные технологии позволяют коммуникацию с мобильной техникой (например, автономными управляемыми транспортными средствами) или оборудованием, которое должно часто перемещаться. Wi-Fi (IEEE 802.11) и Bluetooth — широко используемые стандарты для беспроводной коммуникации на коротком диапазоне. Другие стандарты доступны для более дальних коммуникаций, хотя они могут иметь более низкие битрейты. Возникающие 5G сети обещают высокие скорости данных и низкую задержку.

Беспроводная коммуникация может быть менее надежной, чем проводные соединения в электрически шумных средах и может не подходить для высокозависимых от времени сигналов обратной связи. В случае складского робота, например, беспроводной сигнал может использоваться для инструкции машины извлечь материал из определенного местоположения. Однако сенсоры для рулевого управления, контроля скорости и предотвращения столкновений обычно были бы жестко подключены к системе управления для обеспечения надежного мгновенного отклика.

Открытые стандарты для совместимости

Ни один поставщик не может обеспечивать лучшее в классе оборудование для каждой части сложной системы автоматизации, и поставщики промышленных сетевых технологий перешли от проприетарных сетевых систем к поддержке открытых (вендор-нейтральных) интерфейсных и сетевых стандартов. С этими стандартами покупатели оборудования управления движением могут комбинировать сертифицированные стандартами компоненты от разных поставников с ожиданием, что всё будет работать вместе.

Важные отраслевые стандартные организации включают Open Device Vendors Association , спонсоров DeviceNet и Ethernet/IP стандартов; CAN in Automation Association , спонсоров протоколов CANopen; и Profibus Nutzerorganisation , спонсоров интерфейсов Profibus и Profinet.

Статью написал Кристиан Фелл, генеральный менеджер FRABA Inc., Гамильтон, штат Нью-Джерси. Для получения дополнительной информации посетите .