工业以太网:SERCOS III

专门的现场总线系统用于简化机器驱动器，I/O, plc和其他设备的网络，但快速以太网技术取代了这些系统，并提供了优势。SERCOS III工业以太网平台结合了SERCOS I和SERCOS II接口，针对高速运动控制进行了优化，具有稳定性，成本效益和以太网物理层的广泛接受。SERCOS III为运动控制提供了硬实时性。

博世力士乐公司(Bosch Rexroth Corp.) Scott Hibbard 2010年9月20日

在终端用户制造商和原始设备制造商的需求推动下，工业以太网作为制造自动化的通信骨干的使用持续增长。越来越多的控制组件、执行器和传感器，以及许多大批量制造平台上复杂的运动和控制要求，为制造控制网络带来了越来越多的性能、吞吐量和稳定性挑战。此外，许多企业寻求一种“从办公室到工厂”的通用通信体系结构，而以太网上的TCP/IP是办公室/商业数据通信协议和最常用的传输层。

最初，专门的现场总线系统用于简化机器驱动器，I/O, plc和其他设备的网络，但快速以太网技术取代了这些系统，并提供了许多优势:

以太网是一种公认的、面向未来的技术;

提供比现场总线解决方案快10到100倍的高速数据吞吐量;

使用标准组件(CAT5e硬化电缆，连接器等)消除了更昂贵的专有技术，提供具有成本效益，广泛可用的产品;

基于全球标准的灵活、兼容的自动化解决方案;和

支持从办公室到机器级别的一致IT实现。

这使得以太网能够提供高吞吐量和低成本的通信。以太网不是为了提供确定的、实时的通信和机器轴和设备的同步而设计的。以太网上的基本I/O控制相对简单;有效的协调运动控制则不然。

标准的TCP/IP通信被设计成允许大文件在网络上分段传输，保证通过超时和重传传输。一些通过工业以太网实现实时运动控制的尝试试图通过向以太网堆栈添加新协议来克服这一点。这种方法被证明是带宽密集型的，当需要快速的周期时间时，限制了可以联网的节点数量，并且还需要网络中的特殊交换机来支持多轴同步和运动控制所需的确定性。

SERCOS III工业以太网平台结合了SERCOS I和SERCOS II接口，针对高速运动控制进行了优化，具有稳定性、成本效益和以太网物理层的广泛接受性。

SERCOS III为运动控制提供了硬实时性

SERCOS代表串行实时通信系统，是一种数字运动控制总线，用于连接数控机器和系统的驱动器，运动控制，I/O，传感器和执行器。它于20世纪90年代推出，在数千个应用程序中使用超过250万个实时节点，用于对动态和精度要求很高的自动化。

SERCOS III是开放的，符合iec标准的第三代SERCOS接口，提供实时工业以太网。它克服了其他一些基于TCP/ ip的以太网总线解决方案所浪费的带宽，因为它是基于以太网帧的，为SERCOS定义了一个新的、注册的EtherType。这使得所有驱动器和运动控制之间的持久，双向实时运动控制通信，加上丰富的I/O通信功能，同时还使所有传统协议(TCP/IP, UDP和其他)能够在与SERCOS实时通信并行的同一以太网网络上有效地传输。

对于oem和终端用户，SERCOS III提供:

周期时间低至31.25微秒;

高速:SERCOS III使用快速以太网的速度(100 Mb/s);

支持线或环拓扑;此外，还可以实现分层、同步、实时的耦合网络结构;

环形模式下无颠簸电缆断裂恢复;

高级交叉通信——从机对从机和控制器对控制器(有时称为机器对机器);

能够热插拔设备和网段-在同步启动和运行的情况下，将机器或线路组件添加到网络中，无需重置网络或循环电源;和

支持符合IEC 61508的SIL3级安全功能。

将该协议用于驱动和控制系统，可为制造商、系统工程师和机器制造商提高灵活性和性能。SERCOS III将硬实时运动控制消息传递机制与以太网物理层和协议合并。一个无碰撞的实时通道，提高了协议效率，传输由SERCOS定义的运动控制消息;独立于这个实时通道，并行通道(时隙)可以携带所有其他以太网消息和基于IP的协议，如TCP/IP和UDP/IP。

这种方法意味着SERCOS III网络在非实时期间对任何其他以太网协议保持开放;在某些情况下，可选择的工业以太网架构“接管”总线以获得最大可能的速度，这具有阻止其他协议共享网络的效果，或者在工业以太网电报中隧道化它们的电报，这通常是消息碎片。如果实时系统不运行，隧道还可以阻止其他协议使用网络，阻塞故障排除和信息检索的通信。

SERCOS III通信是基于标准化参数集来控制设备功能，如转矩控制、速度控制、位置控制等。当生产线或机器的网络初始化时，在配置中定义构成设备通道上实时数据集的参数。这种紧密的、依赖于硬件的同步是所有SERCOS接口的特点，它提供了处理跨网络运动序列的基本效率，使机器更有效地设计、构建和操作。

多轴分布式控制

机器设计人员希望将更多的速度，性能和复杂的运动配置文件放入多轴自动化中，这可能对基于plc的集中控制架构提出苛刻的要求。SERCOS III是专门为支持更高效的分布式控制架构而设计的。分布式控制通过将处理能力和决策从CNC或运动控制转移到驱动器和传感器来提高机器的灵活性。

SERCOS III非常适合分布式控制，因为它支持轴相关控制功能的放置，例如闭环，插补和驱动器中的配准，而不仅仅是在运动控制器中-使机器设计人员可以选择运动控制器专注于运动控制轮廓和独立于轴的刀具路径。

SERCOS III还支持集中控制。由于以太网物理的带宽更大，最小周期时间为31.25µs，因此可以实现分布式控制驱动器概念，驱动器中所有控制回路都关闭，或者集中式信号处理概念，其中只有电流环路在驱动器中关闭，所有其他环路都由运动控制器处理。SERCOS III是唯一支持集中式和分布式驱动概念的高性能自动化网络。

相互的交流能力

对于高性能的确定性运动控制，典型的架构(包括SERCOS I和II接口)使用主从通信路径:如果一个驱动器是另一个驱动器的从(即跟随)速度，则信息必须从主驱动器传输到控制，然后再传输到从驱动器。SERCOS III启用了驱动器到驱动器的交叉通信:驱动器可以相互通信，而不会增加时间延迟，也不会通过主机控制处理器开销。

这个概念已经扩展到支持控制器对控制器(C2C)或机器对机器通信。长期以来，自动化行业一直在寻求一种标准解决方案，将多个运动控制连接在一起，以实现同步应用，而不是传统的方法:编码器信号和并行I/O，这会增加硬件和处理成本。SERCOS III提供了一种交换控制器级同步信息的标准化方法，允许将多台机器连接起来，并添加到实现SERCOS III的任何机器或生产线的模块化中，这对于当今可能需要扩展或重新配置生产平台以响应快速变化的市场条件的制造商来说是一种好处。

增强的可靠性

在当今制造业竞争激烈的24/7世界中，最大限度地减少机器或生产停机时间至关重要。SERCOS III旨在通过支持线路拓扑(所有设备串联到主设备)或环形配置来增强可靠性:SERCOS III设备具有第二个以太网端口以支持额外的电缆。当电缆连接在线路网络的两端时，SERCOS自动启动跨环形网络的双反向旋转电报。

这通过支持冗余数据传输提高了容错性:在环中的任何一点中断的情况下，SERCOS III协议自动切换到双线结构。这种“无颠簸”恢复“几乎”是瞬时的:恢复发生在25µs内，不到一个周期。

这种冗余为机器用户提供了额外的优势:在机器运行期间“热”更换或安装设备，而不需要机器停机或循环电源-允许系统设计使用新的配置和硬件继续运行。

投资保护

SERCOS III提供了一个开放的架构，有超过30家驱动器制造商和50多家控制器公司支持SERCOS(20家驱动器制造商和近30家控制公司现在支持SERCOS III)，它给机器制造商和最终用户信心，选择协议不会将他们限制在可能影响长期成本和平台灵活性的有限总线架构中。它还完全向后兼容SERCOS I和SERCOS II总线架构，以增加与现有系统的互操作性。

SERCOS是一个开放批准的实时通信国际标准(IEC 61491)， SERCOS III实时以太网协议是IEC 61158和IEC 61784的一部分。SERCOS规范是非专有的和公开的。来自SERCOS工作组的专家(他们为国家和国际标准组织做出贡献)响应新的市场条件。SERCOS是支持北美和欧洲技术工作组的唯一现场总线，提供了根据当地需求影响标准制定的机会。

此外，SERCOS III采用标准以太网物理层技术，该技术经过验证，广泛可用，并提供具有成本效益的硬件实现，可以帮助降低机器生命周期内的运营成本(备件，维修，维护)。

通用硬实时工业以太网

实时、非专有的通信解决方案，具有以太网的强大性能和成本效益价值，一直是工业自动化领域的目标，而SERCOS III提供了一个开放、功能丰富的平台来实现这一愿景。对于当今的高带宽多轴制造系统，SERCOS III提供: