Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №5

Интерфейс Sercos для управления двигателями

Бессонов Ян


В статье описываются продукты фирмы Beckhoff с интерфейсом SERCOS, который соответствует стандарту IEC 61491. Данная информация будет полезна разработчикам АСУ ТП, перед которыми стоят задачи разработки распределенных АСУ с элементами точного позиционирования в режиме реального времени.

На сайте компании Beckhoff представлены краткие описания проектов, построенных на основе технологий фирмы Beckhoff (www.beckhoff.ru). Проекты реализованы в самых разных областях: в машиностроении, текстильной отрасли, в сферах, связанных с управлением зданиями, производством упаковки и др. В этом достаточно обширном списке проектов можно выделить те, которые реализованы с использованием технологии LightBus. Главное отличие этих проектов от других заключается в том, что системы АСУ на основе LightBus удовлетворяют нескольким противоречивым требованиям, среди которых высокая помехоустойчивость связи, точное позиционирование большого количества объектов, малое время цикла обмена данными между контроллером и объектом управления, оперативная диагностика АСУ и быстрая локализация отказа.

Технология LightBus была разработана в 1989 году и используется по сей день. За это время компания Beckhoff получила огромный опыт в области разработки и производства базовых средств АСУ точного позиционирования в условиях сильных электромагнитных помех. Технология LightBus — это интерфейс обмена данными между IBM-совместимыми компьютерами, двигателями, ПЛК (программируемый логический контроллер), различными УСО. На данный момент компания также поддерживает интерфейс SERCOS — аналог интерфейса LightBus. Интерфейс SERCOS (www.sercos.org) развивается с 1995 года. Аббревиатура SERCOS расшифровывается как SErial Real-time COmmunication System. Автор рекомендует посетить указанный сайт для получения информации о последних мировых достижениях в области синхронного управления валами в составе распределенных АСУ ТП. Стоит отметить, что на сайте можно найти таблицу сравнения интерфейсов для синхронного управления приводами, а также презентации в формате MS PowerPoint.

Требования к интерфейсу, которым соответствует SERCOS

Интерфейс ориентирован на решение задач позиционирования распределенных объектов. Объектом управления может быть звено, совершающее угловое или линейное движение. В англоязычной литературе это называется «Distributed Motion Control» — то есть распределенная система управления движением объектов. Особенность задачи управления заключается в том, что она должна соответствовать ряду жестких и противоречивых требований, которым удовлетворяет рассматриваемый интерфейс:

  • позиционирование звена с минимальной погрешностью (текущее положение, координаты);
  • управление скоростью звена с минимальной погрешностью;
  • управление моментом (либо линейным ускорением) звена с минимальной погрешностью;
  • синхронное управление несколькими звеньями по всем выше перечисленным параметрам;
  • диагностика интерфейса и оконечных устройств в реальном времени;
  • большое количество оконечных устройств(в основном для управления электродвигателями);
  • децентрализованная, территориально распределенная АСУ.

На основе небольшого списка требований можно сделать предварительные выводы:

  • интерфейс ориентирован для работы в условиях большого количества электротехнического оборудования (двигатели и т. д.), то есть в условиях мощных электромагнитных помех;
  • для синхронного управления валами электродвигателей к интерфейсу предъявляются повышенные требования по надежности передачи данных за ограниченное время обмена данными по интерфейсу;
  • интерфейс должен поддерживать большое количество оконечных устройств.

Таким образом, к интерфейсу предъявляются жесткие требования по условиям эксплуатации. Требования, которым соответствует интерфейс:

  • эксплуатация в условиях жестких электромагнитных помех;
  • гальваническая развязка между узлами сети;
  • высокая скорость передачи данных (2, 4, 8, 16 Мбит/с);
  • жестко ограниченное время цикла обмена данными по интерфейсу (62,5, 125, 250 мкс);
  • нестабильность времени цикла интерфейса менее 1 мс (0,01%);
  • 254 узла на одну кольцевую шину (в одном узле может быть группа различных устройств, например электродвигателей);
  • возможность передачи данных по длинному кабелю (до 400 м для стеклянного и 40 м для пластикового кабеля).

Итак, с одной стороны, требуется высокая надежность передачи данных для синхронного управления валом электродвигателя и малая нестабильность времени цикла работы интерфейса, с другой стороны, имеется большое количество электротехнического оборудования, которое может создавать электромагнитные помехи, а длина кабеля достигает 400 м.

Для решения проблемы обеспечения целостности и надежности передачи данных многие протоколы предусматривают избыточный обмен данными и тайм-аут для повторных циклов обмена данными. В качестве примера можно привести стек протоколов TCP/IP. Однако такие решения приведут к нарушению условия ограничения времени цикла на обмен данными, необходимого для синхронного управления несколькими электродвигателями.

Таким образом, требование надежности передачи данных косвенным образом входит в противоречие с требованием поддержки большого числа оконечных устройств (электродвигателей и др.).

За счет каких технологий обеспечивается удовлетворение столь противоречивых требований? Так же как и в LightBus, в SERCOS передача данных осуществляется через оптический кабель. В качестве передатчика используется светодиод, в качестве приемника — фотодиод. При этом стандарт обещает сравнительно низкую стоимость оборудования и совместимость между различными производителями.

Beckhoff утверждает, что процесс монтажа и наладки АСУ ТП по технологии LightBus будет происходить достаточно быстро. Надо полагать, что с интерфейсом SERCOS процесс монтажа и наладки как минимум не усложнится и не будет занимать больше времени. По некоторым данным, монтаж и наладка АСУ ТП на базе оптических интерфейсов может занимать на 90% времени меньше, чем на интерфейсах с медным кабелем. Применение оптики обеспечивает гальваническую развязку узлов сети и устойчивость к электромагнитным помехам. Протокол SERCOS обеспечивает ограничение времени обмена данными по сети, что в сочетании с аппаратной помехоустойчивостью обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к интерфейсу. Интерфейсы LightBus и SERCOS обеспечивают оперативную диагностику оборудования и локализацию отказа.

Топология сети на базе интерфейса SERCOS

На рис. 1 представлена блок-схема топологии сети SERCOS. В состав сети SERCOS входят элементы: контроллер управления узлами сети (master) и подчиненные ему узлы (slave). Все элементы сети соединены оптическим кабелем по схеме «кольцо» (или «замкнутая петля»). Контроллер master посылает в сеть сообщения. Сообщение последовательно проходит через каждый узел сети slave и обрабатывается в том узле, для которого она предназначена. После этого узел slave посылает ответное сообщение следующему узлу, которое также последовательно проходит через остальные узлы и в конечном итоге попадает в контроллер master. Максимальное количество узлов в сети — 254. Сообщения бывают различных типов, в общей сложности они позволяют контролировать примерно 400 различных параметров.

На рис. 1 показано, что прием, обработку и отправку сообщений выполняет микросхема типа ПЛИС. Благодаря использованию ПЛИС увеличивается скорость обработки принятого сообщения, а также формирования и отправки ответного. На данный момент реализованы решения интерфейса SERCOS на базе различных микросхем Xilinx. Есть также реализация интерфейса в виде специализированной микросхемы SERCON816. Более подробную информацию можно получить на официальном сайте SERCOS.

Рис. 1. Блок-схема топологии сети SERCOS
Рис. 1. Блок-схема топологии сети SERCOS

Опишем пример решения задачи по управлению положением вала двигателя. На рис. 1 на примере узла № 254 показана связь между серводрайвером (электрическая часть) и электродвигателем (механическая часть). В состав серводрайвера входят микросхема ПЛИС и схема управления. В составе механической части находятся электродвигатель и датчики положения вала. Микросхема ПЛИС получает управляющее сообщение, обрабатывает его и передает данные схеме управления. Схема управления получает данные от ПЛИС, а со стороны механической части получает информацию от датчиков о текущем положении и скорости вала. На основе этой входной информации схема управления вырабатывает корректирующие воздействия на силовую электронику, которая подключена к двигателю.

Схема работы драйвера

Рис. 2. Схема управления двигателем
Рис. 2. Схема управления двигателем

На рис. 2 представлена обобщенная блоксхема управления двигателем. На вход схемы поступают управляющие сигналы и сигналы отрицательной обратной связи от датчиков вала двигателя. На основе этих данных схема управления вычисляет корректирующий импульс для силовой электроники, которая управляет двигателем.

Управляющие сигналы и датчики обратной связи могут содержать информацию о положении, угловой скорости, а также о моменте вала двигателя.

Сообщения интерфейса

Сообщения проходят через сеть SERCOS за жестко фиксированный цикл. Они содержат команды и информацию о состоянии мотора. За один цикл master может обменяться данными со всеми моторами. Существует также информация, которая не требует обновления в реальном времени. Такая информация передается вне цикла. Master может получать за один цикл нецикличную информацию только об одном моторе.

Физика интерфейса

Интерфейс состоит из линии связи — пластикового или стеклянного оптоволокна типа z1100, z1101, z1111. Оптоволокно соединяется со светодиодами и фотодиодами с помощью F-SMA разъемов z1003.

Оборудование Beckhoff

Рис. 3. Интерфейсная плата FC7502
Рис. 3. Интерфейсная плата FC7502
Рис. 4. а) интерфейсный master модуль CX1500-M750; б) интерфейсный slave модуль CX1500-B750
Рис. 4. а) интерфейсный master модуль CX1500-M750; б) интерфейсный slave модуль CX1500-B750
Рис. 5. Интерфейсный модуль BK7500
Рис. 5. Интерфейсный модуль BK7500

Компания Bekchoff предлагает спектр продукции, которая необходима для разработки АСУ ТП на базе интерфейса SERCOS. В частности:

  • интерфейсные платы PCI FC7501 и FC7502 для обеспечения обмена данными между сетью SERCOS и IBM-совместимым компьютером (рис. 3);
  • интерфейсный master модуль CX1500-M750 для обмена данными между сетью SERCOS и контроллерами серии CX (рис. 4а);
  • модуль CX1500-B750 для обмена данными в режиме slave (рис. 4б);
  • интерфейсные модули BK7500, BK7520 для обмена данными между интерфейсом SERCOS и модулями ввода-вывода серии KLxxxx (рис. 5);
  • серия цифровых сервоусилителей AX2xxx с поддержкой интерфейса SERCOS (рис. 6).
Рис. 6. Цифровой сервоусилитель AX2xxx с поддержкой интерфейса SERCOS
Рис. 6. Цифровой сервоусилитель AX2xxx с поддержкой интерфейса SERCOS

Литература

  1. http://www.sercos.org
  2. Chuck Lewin. Distributed Motion Control: AWorthy Option for Connectivity. Performance Motion Devices Inc. 2006. Reed Business Information.

Компания Wind River выпустила версию 2.1 операционной системы VxWorks 653, предназначенной для применения в бортовых авиационных системах, построенных согласно концепции интегрированной модульной авионики (ИМА) и сертифицируемых по стандартам надежности и безопасности ARINC 653 и DO-178B.

На базе VxWorks 653 и среды разработки Wind River Workbench выпускается интегрированный пакет Platform for Safety Critical ARINC 653, предназначенный для разработки ПО сертифицируемых бортовых авиационных систем. Пакет Platform for Safety Critical применяется для разработки и сертификации программного обеспечения воздушного танкера Boeing KC-767A, пассажирского лайнера Boeing 7E7 Dreamliner, беспилотника Northrop Grumman X-47B, вертолетов Eurocopter и др.

В России пакет Platform for Safety Critical применяется в ГосНИИ Авиационных Систем (Москва), в ЗАО «Котлин Новатор» (СПб) и в НИИ Авиационного Оборудования (Жуковский) в рамках совместного проекта по созданию интегрированной модульной авионики с открытой архитектурой.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке