运动控制标准不断发展

本文的精简版本出现在2003年2月的《控制工程与设计新闻》的增刊中。

标准太多还是不够，这就是问题所在?不管你是否包括事实上的作为运动控制一部分的行业标准和通信标准将决定这个答案。

标准和应用程序指导可以来自许多来源。虽然通信方法在运动控制中占有一席之地，但它们在自动化和控制的其他领域同样重要。运动控制的核心是基于整体系统架构(无论是集中式还是分布式)的不断发展的标准。最近，由于数字技术的进步允许在本地嵌入智能和其他好处，分布式架构引起了最广泛的关注。

自上而下的方法

PLCopen(Zaltbommel, Netherlands)-参与标准的几个独立于供应商和产品的组织之一-已将其范围扩展到运动控制。以推动PLC编程语言标准(IEC 61131-3)而闻名，PLCopen的新活动是2001年11月发布的1.0版“运动控制功能块”规范。

这些功能块像流程图一样工作，以帮助开发控制逻辑。PLCopen的规范包括涵盖单轴运动的功能块库，以及协调的多轴运动控制。该方法基于IEC 61131-3，旨在标准化不同运动控制方法之间的接口，并促进应用软件的更大重用。除此之外，工程师还使用IEC 61131标准中指定的语言对伺服运动系统进行编程，例如阶梯逻辑，结构化文本和顺序功能图。

PLCopen总经理Eelco van der Wal指出，通过增加认证产品供应商、用户和原始设备制造商的数量，Motion Blocks规范得到了支持。van der Wal先生说:“我很高兴看到这个规范被最终用户和原始设备制造商(oem)所广泛接受。它清楚地表明，将逻辑控制和运动控制合并到一个平台中可以为用户带来巨大的利益。”他期待OMAC和欧洲用户组织的认可。”第一批基于该规范的应用已经进入市场，”van der Wal先生补充道。

这是指西门子和倍福的软件控制产品，通过了PLCopen规格要求的认证，并在2002年德国汉诺威博览会上展出。通过认证的产品可以使用相应的PLCopen标志。

PLCopen的特别工作组运动控制通过在第2部分中指定扩展功能和在第3部分中指定用户指南，继续扩大规范的基本功能(第1部分)。现在只有第1部分可用。其目的是通过在第3部分中提供最高级别的技术功能来启用“用户派生的功能块”，并在第2部分中包含所有支持功能。工作组已经确定了17个功能模块，其中包括插补、配准和技术层面的飞切、卷筒纸切割、旋转切割机、可编程凸轮开关和动态同步。

该图说明了PLCopen的“运动控制功能块”的基础知识。

开放式模块化架构控制(OMAC)是另一个采用自顶向下的标准化方法的倡议。OMAC成立于1997年，实际上是一个由终端用户、oem、供应商和系统集成商组成的协会，其任务包括运动控制。在包装机械中不断采用电子伺服控制，以及相关的包装印刷和转换设备，已经引起了当前标准的兴趣。OMAC的10个用户导向工作组之一——封装工作组——正在寻求一种“通用方法”来开发这种类型的未来设备。

包装工作组的项目之一是通过制造工厂的试点测试来评估PLCopen的运动控制规范(功能块)。根据OMAC的说法，项目目标是验证“这些规范在编程、维护和代码重用方面的节省”。另一个OMAC工作组API WG的任务是开发工业机械伺服驱动控制的应用程序接口。API定义了控制模块及其接口规范，以允许它们完全互操作性。API在伺服驱动包装机上的应用测试很快就会在NIST(美国国家标准与技术研究所，马里兰州盖瑟斯堡)开始。

伺服，其他类型的电机，电力驱动

电机和驱动器在各种标准下得到覆盖。例如，NEMA标准出版物ICS 16-2001，“工业控制和系统，运动/位置控制电机，控制和反馈设备”是最近对运动控制系统的这三个“相互连接的组件”的广泛关注。由全国电气制造商协会(Rosslyn, VA)， NEMA ICS 16解决了所有伺服电机等“控制电机”类别的要求;全步进电机;刷式伺服;和无刷伺服。还包括控制和位置/速度反馈设备(旋转编码器和解析器)。关于定义和术语的全面部分增加了出版物的实用性。

关于运动控制技术、产品和应用的进一步资源指南是NEMA的“可编程运动控制手册”。这本100多页的出版物包含应用程序、供应商参考、标准和术语表。

还有另一个NEMA来源，“交流调速驱动系统应用指南”，帮助选择这些额定电压高达600伏的“系统”，定义为三相感应电动机;电压源，脉宽调制(PWM)可调频率控制;以及相关的组件。该指南解决了在选择驱动系统组件和安装或应用整个驱动系统时要考虑的常见问题。

的国际电工委员会(IEC，日内瓦，瑞士)是标准的首要来源。IEC在运动控制领域的产品包括可调速电力驱动系统和各种电动机的标准。例如，IEC 61800-2提供了高达1000 v输入的低压、可调频率交流电源驱动系统的额定规格。

沟通的作用

实际上，运动控制中使用的所有通信标准都起源于其他应用。一个例外是serco(串行实时通信系统)，它指定了运动控制器、数字驱动器和其他系统组件之间的接口。SERCOS基于光纤环结构，现在提供高达16 Mbps的消息传输速率。本协议的支持组织是利益集团Sercos(德国斯图加特)和北美Sercos N.A.(伊利诺伊州布鲁明代尔)。www.sercos.comwww.secos.org。

SERCOS声称通过其指定为IEC标准61491，在运动控制领域获得唯一的国际认可。赛科斯也在开发包装机械专用的运动配置文件。然而，作为特定于运动控制的标准也有缺点。一些批评人士说，SERCOS使视觉和数据采集系统的添加变得复杂，这些系统越来越多地与运动控制集成在一起。

IEEE标准1394，“高速串行总线”(火线)，由电气和电子工程师协会的微机标准委员会(IEEE, New York, N.Y.)制定，在运动控制和伺服系统中有追随者，尽管它是为计算机和消费电子产品开发的。该标准的一个主要优点是高速数据传输，速率高达400mbps。据说火线与视觉系统兼容。还要注意，虽然FireWire的基本协议是开放的，但不同供应商的具体实现是不可互换的。

以太网起源于办公设备领域(基于IEEE 802.3标准家族)，是应用于某些运动系统的另一种通信方法。以太网有几种版本，数据速率最高可达100mbps，但IEEE最近批准了10gbps的以太网版本。在这里，硬件实现因制造商而异。最近的一个版本，开发的分布式和快速，同步运动控制应用程序B&R奥地利Eggelsberg的Bernecker + Rainer Industrie-Elektronik公司(美国位于佐治亚州罗斯威尔)声称网络抖动小于1

CAN in Automation (CiA, Erlangen, Germany)推动了CAN(控制区域网络)串行总线的营销，诞生于汽车世界。非营利性的CiA协会开发和支持各种基于can的高层协议。它还管理CANopen规范，它作为一种简化工具，允许在网络节点之间直接进行点对点数据交换。

在这个领域有两个重要的CANopen设备配置文件——驱动器和运动控制(DS 402)和编码器(DS 406)。通过CiA，这些设备配置文件定义了基本功能和参数，以帮助标准化运动系统的实现。配置文件ds402规定了各种操作模式，如配置文件位置，插补位置，配置文件速度，和配置文件扭矩。它还涵盖了协调的多轴运动，允许制造商特定的对象，并包括一个对象字典。

其他通信方法也应用于运动控制，由工业团体使用事实上的或者私有的“标准”。对性能更强的通信总线的需求仍在继续。技术供应商之间的新联盟定期形成，以促进这种“行业标准”。

选定的运动控制标准源
APS	www.aps.anl.gov
美国中央情报局	www.can-cia.com/cia
IEC	www.iec.ch
IEEE	www.standards.ieee.org/micro
serco美商	www.sercos.com
NEMA	www.nema.org
NIST	www.isd.mel.nist.gov
OMAC	www.omac.org
PLCopen	www.plcopen.org
在某些情况下，下载出版物是免费的。

其他标准化

政府机构和行业倡议同样制定标准并增加相关知识。NIST智能系统部门制造工程实验室的出版物，简单地命名为“运动控制标准”，提供了标准“景观”的优秀概述。它包括对正在使用的众多通信标准的总结。点击这里了解更多信息。

一套运动标准来自先进光子源(APS)研究设施的阿贡国家实验室(芝加哥附近，伊利诺伊州)是值得注意的。作为一项内部开发，APS标准为电机提供了一致的接口(通常是步进电机)，由科学家组成的合作团队在圆周约1公里的区域内工作，为研究提供高能x射线。”APS标准“旨在允许科学家将他们的设备(和马达)从一个实验区移动到另一个实验区;也可以交换类似的组件，不需要特殊的电缆，连接器或冗长的设置。

“实验是在锁定的、屏蔽的外壳中进行的，每次设置都需要一个全自动的、远程操作的运动控制和数据采集系统。“我们的想法是，一个实验区的科学家应该能够把一台设备连接到另一个实验区，而不需要特殊的电缆、连接器等，”阿贡国家实验室APS波束线控制和数据采集组的库尔特·格泽说。到目前为止，结果是积极的。”

杰森·威尔金森，运动控制产品经理国家仪器(NI, Austin, TX)指出，考虑到众多的供应商公司和各种各样的应用，采用一个或几个标准是很困难的。创造一种能够满足他们所有需求的连接和通信标准是很困难的。”威尔金森解释说，当用户希望将来自不同制造商的同类最佳产品组合在一起时，他们面临着进一步的标准“挑战”。他们需要验证“产品是否确实兼容，然后确定如何连接它们”。NI解决这些问题的一种方法是通过其运动合作伙伴计划，该计划邀请连接设备的领先制造商来定义NI运动控制器与其产品之间的连接。其他运动技术公司也采取了合作的方式，通常是组成一个有着相似兴趣的团体。

统一的前景

运动控制标准的未来是什么?公认的、独立于供应商的标准正在发展，尽管进展缓慢。复杂的、潜在的技术问题，以及供应商保护其投资的愿望，都会影响进展的速度。

还缺少一个统一的主体，将各种独立的标准开发和进一步的计划集成到一个有凝聚力的整体中，以使用户获得更大的利益。

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