提高运动网络抗噪声能力

大多数现代运动控制系统采用基于以太网的网络在各种电气和电子元件之间传输数据。这些网络的电气噪声抗扰性对运行至关重要，用于处理由于电气噪声和其他因素造成的数据传输中断的方法也至关重要。

实时运动控制系统的设计者希望基于以太网的运动网络以完美的数据完整性以指定的间隔传输循环命令和反馈数据。设计师选择的运动控制系统的增益和轨迹是基于这一基本假设。

但在许多工业应用中，以太网布线必须位于有电力开关设备、大型电机或其他电噪声设备引起的电气噪声的地方。如果这种噪声干扰网络并导致数据丢失，则设计者的假设是无效的，系统将不能按设计的方式运行。诸如控制回路不稳定和跟踪错误等问题可能会导致，以及其他操作问题。

当实时以太网网络必须在电噪声环境中运行时，为了优化系统性能，必须在系统设计中描述并考虑到由于噪声造成的潜在数据丢失。

减少数据丢失的一种策略是使用包含重试的网络协议，重试是一种在同一传输周期内自动重传损坏或丢失数据的机制。如果在网络硬件中内置了重试，主服务器和从服务器不需要显式操作来检测错误或触发数据重传。

本文通过测试两种实时工业以太网协议的抗干扰性能并比较结果，量化了重试对提高抗干扰性的贡献。两种实时工业以太网协议是包括重试的Mechatrolink-III和不包括重试的network X。虽然本文中没有指定网络X的商标名称，但其抗噪声性能与其他基于以太网的不包含重试的运动控制网络类似。

设计的因素

影响运动网络抗噪性的因素包括:

• 物理层的抗噪声能力。相关的设计因素包括网络布线的特性(屏蔽)、信令方案(单端还是差分)以及发射和接收电路的细节(隔离、阻抗、滤波等)。
• 通信协议的抗干扰性。相关的设计因素包括协议的错误检测和纠正机制。

大多数实时工业以太网协议使用相同的物理层，特别是100Base-T以太网。对于基于类似100Base-T硬件的网络，物理层并不是噪声抗扰性能差异的区分因素。然而，由于Mechatrolink-III和网络X节点是在不同的特定于应用的集成电路(asic)上实现的，因此不可能在完全相同的硬件上测试这两个网络。

在本次调查中，测试的Mechatrolink-III和network X网络的以太网物理层实现之间的差异包括:

• 不同的以太网连接器和电缆
• 不同的以太网物理层电路和印刷电路板布局
• 不同的以太网通信asic。

Mechatrolink-III协议包括用于检测损坏和丢失循环数据的校验和和看门狗机制，以及用于在同一传输周期内自动重传损坏或丢失数据的重试机制。启用重试后，重试是内置在Mechatrolink-III硬件中的全自动功能，因此主服务器或从服务器不需要显式操作来检测错误或触发数据重传(参见图1)。

网络X协议使用校验和来检测数据损坏，但没有提供在相同的循环更新周期内自动重传或重试的机制。如果一个循环数据包丢失或损坏，主服务器或从服务器必须没有它的命令或响应数据，直到下一个循环数据包成功到达。

缺乏重试是实时工业以太网协议之间的根本区别。在Mechatrolink-III的情况下，每个节点都有专用的时间槽，这使得每个节点重试是可行的。相比之下，许多其他基于以太网的协议优先考虑数据吞吐量，而不是将带宽分配给重试机制，这使得重试机制的实现不可行。

测试方法年代

在噪声测试实验室建立了Mechatrolink-III和network X运动网络。在每个网络运行时，使用噪声模拟器向运动网络电缆注入电噪声。在测试过程中，观察主和从都在运动网络上的数据丢失的迹象。测试的总体目标是确定对于每个网络配置，导致数据丢失的最低幅度噪声电压电平(正的和负的)。

在这项研究中使用的模拟噪声被称为脉冲噪声。这种产生噪声的方法通常用于模拟工业环境中遇到的噪声。相关行业标准包括日本电气控制设备工业协会指南TR-28和日本电气制造商协会指南杰姆- tr177。

每次测试运行包括注入噪声10分钟，或直到观察到数据丢失(见表1)。两个运动网络的测试配置包括一个主控制器指挥两个伺服放大器(见图2)。主控制器以4 kHz的循环更新速率向放大器发送数据。主机和放大器硬件的电源、I/O和接地连接都是根据制造商的安装说明进行的。附加噪声过滤装置，如铁氧体磁芯，没有使用在运动网络电缆。

测试的Mechatrolink-III和network X运动网络配置分别显示在表2和表3中。

测试了不同配置的Mechatrolink-III主机。在第一个配置中，重试被禁用。在这种配置下，丢失的循环数据包不会重发。在第二个配置中，启用了重试。在该配置中，主机在每个传输周期中触发重发最多一个丢失的循环数据包。

测试标准

在每次测试运行期间，观察运动网络主机和从机的数据丢失迹象。对于Mechatrolink-III，检查了以下数据丢失指标:

主:

1. 与丢失或意外Mechatrolink数据相关的控制器告警或警告。

奴隶:

1. 与丢失或意外的Mechatrolink数据相关的驱动器警报或警告
2. 中断运动。

由于所测试的Mechatrolink-III主和从机设计用于在检测到循环数据丢失时发出警报，驱动器和控制器警报足以表明运动网络上的数据丢失。

对于X网络，检查以下数据丢失指标:

主:

1. 循环冗余校验错误计数器(网络上发生数据损坏的次数)
2. 丢失帧计数器(丢失以太网数据帧的计数)
3. 发送/接收错误计数器(与PC以太网适配器通信时的错误计数)。

奴隶:

1. 与丢失或意外数据相关的驱动器告警或警告
2. 中断运动。

请注意，与测试的Mechatrolink-III网络不同，设计人员必须采取明确的步骤来监控网络x上的错误计数器，否则，可能会发生未检测到的数据丢失。

结果和结论

测试Mechatrolink-III网络时禁用了重试，启用了重试，这是正常设置。在- 2500v和+ 2000v下禁用重试时发生数据丢失。启用重试后，在-3,000 V和+3,000 V时发生数据丢失(见表4)。这表明重试可将MECHATROLINK-III的抗噪性提高高达1,000 V。

默认情况下，测试的Mechatrolink-III从机在发生无法通过重试机制纠正的数据丢失时产生告警。在没有这些警报的情况下，应用程序工程师可以确定没有发生数据丢失。

在- 2000v和+ 1500v时观察到Network X数据丢失(见表5)。在缺省情况下，测试的Network X从机在数据丢失的情况下没有产生告警。对于这样的slave，应用程序工程师必须要么更改配置参数，要么实现控制器软件来监控内部计数器，以确定是否发生了数据丢失。

因此，在本研究中测试的Mechatrolink-III网络实现，当配置为使用重试时，与网络X相比具有两倍的噪声幅度范围，且没有数据丢失(参见图3)。

基于以太网的运动控制网络被设计为包含重试，在典型的工业工厂和设施的电噪声环境中传输数据时具有更好的性能。这种卓越的性能是以类似于不包含重试功能的网络的价格点交付的。

Derek Lee是Yaskawa America Inc.的运动产品工程师，担任该职位已8年。他在安川公司位于伊利诺伊州沃基根的总部工作。他是MECHATROLINK会员协会美国分会的代表。

Ted Phares是一名嵌入式系统开发经理，在安川美国公司工作了6年。他在安川在旧金山的开发办公室工作，在该行业有15年的经验。

本文刊登在《应用自动化》杂志的增刊上控制工程而且设备工程．

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