运动控制标准不断发展

发布时间：2003-12-12 Frank J. Bartos, CONTROL ENGINEERING责任编辑

　　标准是太多还是不够？
　　运动控制的行业标准和通信标准的实际情况也许能回答这个问题。
　　标准和应用指南有很多来源。通信方法在运动控制中占有一定的位置，他们在自动控制中跟其他部分一样重要。运动控制的核心都与建立在整个系统架构上的标准有关，无论架构是集中式的还是分散式的。近来，分散式的架构越来越引人注目，原因是数字技术的发展促使了智能等技术的嵌入。
　　自上而下（Top-down）的方式
　　PLCopen是一个独立于制造商和产品的国际组织，致力于标准的推广，同时也涉及运动控制。大家最为熟悉的是PLC编程语言（IEC 61131-3）。2001年11月，PLCopen推出了"运动控制功能模块"规范1.0版。
　　这些功能模块类似于流程图，帮助弄清控制逻辑。PLCopen的规范包括了功能模块的库，有单轴运动、坐标运动和多轴运动的控制。在IEC61131-3的基础上，这种方法在不同运动控制方法中寻求标准界面，以使应用软件可得到更多的使用。此外，工程师使用IEC61131标准的语言对伺服运动系统进行编程，如，梯形图、结构化文字和流程图。
　　PLCopen的总裁Eelco van der Wal指出，支持运动模块规范就得增加产品供应商、用户和OEM商。van der Wal先生说，"很高兴看到最终用户和OEM商能接受规范，这表明，逻辑控制和运动控制的合并在一个平台上，使用户真正地得到益处。"
　　这就涉及了软件控制产品，Siemens和Beckoff在2002年德国的汉诺威展中，展出了PLCopen规范的产品，此类产品可使用授权的PLCopen标志。
　　PLCopen运动控制工程任务组（Task Force Motion Control）的工作重点就是拓广规范的基本功能性（第一部分），通过说明第二部分扩大的功能性和第三部分的用户指引。目前只有第一部分可用。目的是通过第三部分的高级技术功能，使"用户驱动的功能模块"运行，所有的支持功能都包含在第二部分中。工程任务共定义了17个功能模块，包括插补、注册、动态同步等。

　　图表明了PLCopen运动控制模块的基本知识。
　　开放式模块结构控制（Open Modular Architecture Controls ，OMAC）http://www.omac.org/是另一个的自上而下的推广标准的组织。建于1997年，OMAC实际上是一个汇集了最终用户、OEM厂商、供货商和系统集成商的协会，运动控制是其重点之一。近期，包装机械的电子伺服控制、以及相关的包装印刷、纸加工设备的标准开始引起关注。OMAC的10个用户导向的工作组之一的包装工作组，正在进行一项"通用方法"的研究，以进一步发展此类设备。
　　伺服电机和其他电机
　　电动机和驱动器中存在各种标准。如，NEMA ICS 16-2001. "工业控制和系统、运动/位移控制电机、控制器和反馈驱动器"是目前广广义上运动控制系统中的3项互相连接的成分。NEMA ICS 16 涉及的"控制电机"类别有：所有伺服电机、步进电机、有刷伺服及无刷伺服，也包括控制系统、位移/速度反馈设备（旋转编码器和解码器）。
　　NEMA的"可编程运动控制手册"包括了运动控制技术、产品和运用。这本手册100多页，内容有应用、厂商、标准和术语表。
　　通信任务
　　事实上，所有的运动控制通信标准都源自于其他的应用。除了，SERCOS(SErial Realtime COmmunication System), 它详细说明了运动控制、数字电机和其他系统部分中的接口。SERCOS是建立在光纤环架构的基础之上，以16 Mbps的速率提供通信。此协议支持组织是德国Interests Group Sercos、北美SERCOS N.A。访问SERCOS网站可点击www.sercos.com或 www.secos.org。
　　SERCOS宣称 在运动控制部分唯一认可IEC 标准61491。包装机械的运动概况在SERCOS中也有体现。然而，作为一明确的运动控制标准也存在些瑕疵。一些评论认为，SERCOS使视觉和数据采集系统复杂化，而且这一现象越来越明显。
　　IEEE 1394标准，高速串行总线（火线），由电气和电子工程师协会（IEEE）的微机标准委员会（Microcomputer Standards Committee）制定，虽然由电脑和电子产品的标准演化而来，现在也用于运动控制和伺服系统。这一标准的最大好处是高速的数据传输，可达400 Mbps。火线被认为相当适合视觉系统。火线协议也向供货商开放，无须再转换。
　　以太网，源自办公设备（IEEE 802.3标准），是运动控制的另一种通信标准，速率可达100 Mbps，最近IEEE又公布了一个10 Gbps 的以太网。在此，不同制造商之间情况可能有所不同。
　　自动化系统中的CAN总线，出身于自动化领域。由非赢利性CiA协会支持，包括各种以CAN为基础的高层协议。它可执行CANopen的规范，在网络节点中可作为简化工具，允许直接的对等数据交换。
　　其他的运动控制通信方式也在被采用，由一些行业团体采用通信方式事实上成为了某种标准。技术供应商的新的联盟促使这些标准的形成。
　　部分运动控制标准
　　APS www.aps.anl.gov
　　CiA www.can-cia.com/cia
　　IEC www.iec.ch
　　IEEE www.standards.ieee.org/micro
　　SERCOS N.A www.sercos.com
　　NEMA www.nema.org
　　NIST www.isd.mel.nist.gov
　　OMAC www.omac.org
　　PLCopen www.plcopen.org
　　其他的标准化
　　政府机构和行业中同样也会产生标准。NIST的智能系统部及制造业工程实验室（Manufacturing Engineering Lab）有运动控制标准的授权，提供了完善的标准概况，包括现行的大量通信标准的总结。详见http://www.isd.mel.nist.gov/projects/openarch/motstds.doc
　　一套来自于Advanced Photon Source (APS)的运动标准值得一看。作为内部发展，APS标准提供了广泛应用在科研合作组的步进典型电机的一致性接口，能在1公里的范围内产生高能X射线。APS标准想让科学家将他们的设备（或电机）从实验区移到其他地方，无需特殊电缆、连接器以及繁多的设备。
　　统一的前景
　　运动控制的前景如何？公认的独立于供应商的标准正不断发展，虽然发展缓慢。复杂性、技术问题、以及供应商出于对自己投资的保护都制约了统一标准的发展步伐。也希望整合各个独立的标准，使其凝聚为一体，让用户获得更大的利益。