羅克韋爾自動化IEEE1588在分散運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘 要：本文說明IEEE1588在一個分布運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前的解決方案是依靠分散運動部件對時間同步的專門實現(xiàn)。隨著IEEE1588標準的出現(xiàn)，可以開發(fā)一種在標準網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))上使用商用技術(shù)的運動控制解決方案。本文通過一個范例說明在一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)IEEE1588和運動的基本操作。這是開發(fā)CIP Sync同步原理工作中的結(jié)果。
引言
本文說明IEEE1588在一個分散運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，目前的解決方案依靠分散運動部件對時間同步的專門實現(xiàn)。隨著IEEE1588的出現(xiàn)，可以開發(fā)一種在標準網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))上使用商用技術(shù)的運動控制解決方案。本文要說明在一個網(wǎng)絡(luò)范例內(nèi)IEEE1588和運動的基本操作。
分散運動控制要求系統(tǒng)節(jié)點之間緊密地同步，通常這要求在系統(tǒng)內(nèi)時鐘間的波動是微秒數(shù)量級。更高性能的應(yīng)用驅(qū)動將這個性能提高到幾分一微秒范圍。當(dāng)前的解決方案是使用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)和接口部件達到使分散系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點間的緊密同步。定制的接口卡控制整個系統(tǒng)時鐘的分配和同步以及控制數(shù)據(jù)的定時傳送。
IEEE1588精確時間協(xié)議提供分布網(wǎng)絡(luò)上的標準化的同步機制，通過使用IEEE1588協(xié)議就可在標準網(wǎng)絡(luò)上用標準化的解決方案取代專用解決方案。就可用現(xiàn)成的部件代替專用的網(wǎng)絡(luò)接口部件。
現(xiàn)使用IEEE1588協(xié)議和以太網(wǎng)實現(xiàn)一個簡單的分布運動控制系統(tǒng)，用以演示這個原理。
范例說明
范例運動系統(tǒng)由三個控制器組成，每個控制器通過一個SERCOS適配器連接一個驅(qū)動器。SERCOS是連接數(shù)字驅(qū)動器的工業(yè)標準。所有的運動節(jié)點都用以太網(wǎng)卡連接到標準的以太網(wǎng)。
調(diào)節(jié)器內(nèi)的“運動計劃器”管理每個驅(qū)動器的位置信息，以控制點動、移動、和聯(lián)動操作。每個驅(qū)動器作為一個運動軸，其中一個軸是主軸，其它兩個為從動軸。每個從動軸都與主軸以1：1的比率聯(lián)動。連接到主軸的控制器以一定時間間隔向連接到從動軸的控制器發(fā)送位置基準。
在系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點的時鐘是同步的，它使用IEEE1588協(xié)議達到以太網(wǎng)的時鐘同步。在底板上的時鐘同步是用先與IEEE1588的專用協(xié)議實現(xiàn)的。
系統(tǒng)時鐘同步
網(wǎng)絡(luò)時鐘同步是在以太網(wǎng)適配卡上實現(xiàn)的，這個適配卡包含一個FPGA硬件輔助電路，用于對進入和輸出的IEEE1588協(xié)議報文打上時間印記。這個FPGA包含一個64位，每片25納秒的高分辨率的可調(diào)諧時鐘。
1588協(xié)議運行在一個50MHz PowerPC CPU上，1588代碼和按1588協(xié)議的規(guī)定的FPGA交互作用使從站的時間與子網(wǎng)上與此相關(guān)的主站時鐘同步。調(diào)諧算法在每個1588同步刷新周期調(diào)節(jié)這個FPGA可調(diào)諧時鐘的頻率。
這個適配器也包含一個連接底版的接口芯片，底版芯片的時鐘與1588時鐘同步。在這個適配器上的底版接口作為主時鐘，在底版上的其它時鐘都與這個適配器上的主時鐘同步。底版時鐘與1588時鐘的同步使用一個簡單的算法。這個適配器表示一個1588邊界時鐘節(jié)點而底版時鐘劃為“外部”時鐘。
運動的同步
基本的運動控制要求在一個節(jié)點的運動任務(wù)的運行要與其它所有節(jié)點同步。節(jié)點之間的所有事務(wù)都建立在同步刷新周期基礎(chǔ)上。對控制器與傳動和控制器與控制器之間的兩種事務(wù)是相同的。
控制器對驅(qū)動的事務(wù)：在周期的開始控制器發(fā)送插值位置刷新每個驅(qū)動器，驅(qū)動器使用這個位置刷新值控制電機的閉環(huán)位置和速度，每臺驅(qū)動器向控制器返回它的實際位置，控制器計算一個新位置并周期重復(fù)，這個操作持續(xù)一個位置刷新周期。
控制器對控制器的事務(wù)：在周期的開始，主軸控制器向每個從動軸發(fā)送位置基準，每個從動軸的控制器用這個位置基準計劃本軸的運動。
為了同步整個系統(tǒng)的運動，運動任務(wù)和位置的刷新要與1588時鐘同步，F(xiàn)PGA內(nèi)的一個小電路提供對CPU的周期中斷來觸發(fā)這個位置刷新周期。這個電路將一個裝入目標寄存器的時間與當(dāng)前的1588時鐘時間比較，在當(dāng)前時間與目標時間符合時產(chǎn)生一個中斷。在這個中斷子程序內(nèi)，CPU還會裝入一個新的目標時間，它等于當(dāng)前目標時間加上周期時間，然后重復(fù)這個過程。周期時間和相位是在節(jié)點配置過程中設(shè)置的。
1588的實現(xiàn)
1588協(xié)議是一個運行在適配器上的C/C++工具，大多數(shù)1588協(xié)議的實現(xiàn)包括同步，診斷，延時請求，延時響應(yīng)和報文管理。1588引導(dǎo)協(xié)議用于在啟動時加快時間從站的時鐘同步。實現(xiàn)8個同步報文的引導(dǎo)。
這里未提供“最佳主站”算法，本系統(tǒng)使用“推薦”主站選擇方法決定子網(wǎng)絡(luò)的主時鐘。在啟動時從站時鐘無限期地收聽主時鐘。從時鐘永遠不會成為主時鐘。也不會任命一個以上“推薦”主站。
為主時鐘完整性的監(jiān)視提供某些支持，如果一個從時鐘發(fā)現(xiàn)失去主時鐘，它將停止它的底版時鐘，這將引起SERCOS適配器關(guān)閉SERCOS環(huán)路，并且所有運動停止。
輸出同步
在范例應(yīng)用中需要根據(jù)主軸的位置精確地接通或斷開一個輸出。用這個輸出觸發(fā)一個選通燈，照亮所有三個軸的相位。為了達到精確的輸出閘門，使用一個特別的輸出組件，它的時鐘與系統(tǒng)中的其余時鐘同步，由控制器內(nèi)的運動計劃器向這個組件發(fā)送一個輸出值，這個值帶著時間標記指示釋放輸出或停止輸出的時間。輸出組件使用先前說明過的任務(wù)同步電路管理輸出的“定時”以達到精確的輸出時間。
GPS作為最高主時鐘
本運動系統(tǒng)范例的啟動時間缺省為時間為0的UTC時間。對運動系統(tǒng)通常不需要絕對時間，但對一些明顯的事件如故障條件，時間標記可能很有用處。所以這里集成了一個全球定位系統(tǒng)(GPS)接口，用于提供精確的UTC時間源。并用作系統(tǒng)的最高主時鐘。這個接口集成在以太網(wǎng)適配器模塊上，適配器上的算法從GPS接收器接收“秒脈沖”和UTC刷新，并調(diào)節(jié)它的本地時鐘維持與GPS的同步。
結(jié)論
提供的1588在以太網(wǎng)分布運動系統(tǒng)的應(yīng)用例子是可靠和精確的應(yīng)用。硬件輔助電路提供的主時鐘和從時鐘之間的起伏精度不大于200納秒。當(dāng)使用GPS作為主時間基準時，在從時鐘的累計波動為500納秒。如果耒自GPS接收器的秒脈沖信號的邊沿不清晰，還會產(chǎn)生附加的波動。
本例子展示的是一個相對較小的系統(tǒng)，還需要更大的范例和在各種負載條件下進行測試。這是開發(fā)CIP Sync同步原理工作中的結(jié)果。這里表述的想法、觀點和建議只是為說明作者對使用CIP網(wǎng)絡(luò)的可能性的概念，并不反映ODVA的想法、觀點和建議。由于CIP網(wǎng)絡(luò)可用于各種不同的情況，可融入各制造商的各種產(chǎn)品和系統(tǒng)。因此試圖使用的讀者和特定CIP網(wǎng)絡(luò)的從業(yè)者應(yīng)自行決定這里表述的想法、觀點和建議是否適合你的應(yīng)用條件。
引言
本文說明IEEE1588在一個分散運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，目前的解決方案依靠分散運動部件對時間同步的專門實現(xiàn)。隨著IEEE1588的出現(xiàn)，可以開發(fā)一種在標準網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))上使用商用技術(shù)的運動控制解決方案。本文要說明在一個網(wǎng)絡(luò)范例內(nèi)IEEE1588和運動的基本操作。
分散運動控制要求系統(tǒng)節(jié)點之間緊密地同步，通常這要求在系統(tǒng)內(nèi)時鐘間的波動是微秒數(shù)量級。更高性能的應(yīng)用驅(qū)動將這個性能提高到幾分一微秒范圍。當(dāng)前的解決方案是使用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)和接口部件達到使分散系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點間的緊密同步。定制的接口卡控制整個系統(tǒng)時鐘的分配和同步以及控制數(shù)據(jù)的定時傳送。
IEEE1588精確時間協(xié)議提供分布網(wǎng)絡(luò)上的標準化的同步機制，通過使用IEEE1588協(xié)議就可在標準網(wǎng)絡(luò)上用標準化的解決方案取代專用解決方案。就可用現(xiàn)成的部件代替專用的網(wǎng)絡(luò)接口部件。
現(xiàn)使用IEEE1588協(xié)議和以太網(wǎng)實現(xiàn)一個簡單的分布運動控制系統(tǒng)，用以演示這個原理。
范例說明
范例運動系統(tǒng)由三個控制器組成，每個控制器通過一個SERCOS適配器連接一個驅(qū)動器。SERCOS是連接數(shù)字驅(qū)動器的工業(yè)標準。所有的運動節(jié)點都用以太網(wǎng)卡連接到標準的以太網(wǎng)。
調(diào)節(jié)器內(nèi)的“運動計劃器”管理每個驅(qū)動器的位置信息，以控制點動、移動、和聯(lián)動操作。每個驅(qū)動器作為一個運動軸，其中一個軸是主軸，其它兩個為從動軸。每個從動軸都與主軸以1：1的比率聯(lián)動。連接到主軸的控制器以一定時間間隔向連接到從動軸的控制器發(fā)送位置基準。
在系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點的時鐘是同步的，它使用IEEE1588協(xié)議達到以太網(wǎng)的時鐘同步。在底板上的時鐘同步是用先與IEEE1588的專用協(xié)議實現(xiàn)的。
系統(tǒng)時鐘同步
網(wǎng)絡(luò)時鐘同步是在以太網(wǎng)適配卡上實現(xiàn)的，這個適配卡包含一個FPGA硬件輔助電路，用于對進入和輸出的IEEE1588協(xié)議報文打上時間印記。這個FPGA包含一個64位，每片25納秒的高分辨率的可調(diào)諧時鐘。
1588協(xié)議運行在一個50MHz PowerPC CPU上，1588代碼和按1588協(xié)議的規(guī)定的FPGA交互作用使從站的時間與子網(wǎng)上與此相關(guān)的主站時鐘同步。調(diào)諧算法在每個1588同步刷新周期調(diào)節(jié)這個FPGA可調(diào)諧時鐘的頻率。
這個適配器也包含一個連接底版的接口芯片，底版芯片的時鐘與1588時鐘同步。在這個適配器上的底版接口作為主時鐘，在底版上的其它時鐘都與這個適配器上的主時鐘同步。底版時鐘與1588時鐘的同步使用一個簡單的算法。這個適配器表示一個1588邊界時鐘節(jié)點而底版時鐘劃為“外部”時鐘。
運動的同步
基本的運動控制要求在一個節(jié)點的運動任務(wù)的運行要與其它所有節(jié)點同步。節(jié)點之間的所有事務(wù)都建立在同步刷新周期基礎(chǔ)上。對控制器與傳動和控制器與控制器之間的兩種事務(wù)是相同的。
控制器對驅(qū)動的事務(wù)：在周期的開始控制器發(fā)送插值位置刷新每個驅(qū)動器，驅(qū)動器使用這個位置刷新值控制電機的閉環(huán)位置和速度，每臺驅(qū)動器向控制器返回它的實際位置，控制器計算一個新位置并周期重復(fù)，這個操作持續(xù)一個位置刷新周期。
控制器對控制器的事務(wù)：在周期的開始，主軸控制器向每個從動軸發(fā)送位置基準，每個從動軸的控制器用這個位置基準計劃本軸的運動。
為了同步整個系統(tǒng)的運動，運動任務(wù)和位置的刷新要與1588時鐘同步，F(xiàn)PGA內(nèi)的一個小電路提供對CPU的周期中斷來觸發(fā)這個位置刷新周期。這個電路將一個裝入目標寄存器的時間與當(dāng)前的1588時鐘時間比較，在當(dāng)前時間與目標時間符合時產(chǎn)生一個中斷。在這個中斷子程序內(nèi)，CPU還會裝入一個新的目標時間，它等于當(dāng)前目標時間加上周期時間，然后重復(fù)這個過程。周期時間和相位是在節(jié)點配置過程中設(shè)置的。
1588的實現(xiàn)
1588協(xié)議是一個運行在適配器上的C/C++工具，大多數(shù)1588協(xié)議的實現(xiàn)包括同步，診斷，延時請求，延時響應(yīng)和報文管理。1588引導(dǎo)協(xié)議用于在啟動時加快時間從站的時鐘同步。實現(xiàn)8個同步報文的引導(dǎo)。
這里未提供“最佳主站”算法，本系統(tǒng)使用“推薦”主站選擇方法決定子網(wǎng)絡(luò)的主時鐘。在啟動時從站時鐘無限期地收聽主時鐘。從時鐘永遠不會成為主時鐘。也不會任命一個以上“推薦”主站。
為主時鐘完整性的監(jiān)視提供某些支持，如果一個從時鐘發(fā)現(xiàn)失去主時鐘，它將停止它的底版時鐘，這將引起SERCOS適配器關(guān)閉SERCOS環(huán)路，并且所有運動停止。
輸出同步
在范例應(yīng)用中需要根據(jù)主軸的位置精確地接通或斷開一個輸出。用這個輸出觸發(fā)一個選通燈，照亮所有三個軸的相位。為了達到精確的輸出閘門，使用一個特別的輸出組件，它的時鐘與系統(tǒng)中的其余時鐘同步，由控制器內(nèi)的運動計劃器向這個組件發(fā)送一個輸出值，這個值帶著時間標記指示釋放輸出或停止輸出的時間。輸出組件使用先前說明過的任務(wù)同步電路管理輸出的“定時”以達到精確的輸出時間。
GPS作為最高主時鐘
本運動系統(tǒng)范例的啟動時間缺省為時間為0的UTC時間。對運動系統(tǒng)通常不需要絕對時間，但對一些明顯的事件如故障條件，時間標記可能很有用處。所以這里集成了一個全球定位系統(tǒng)(GPS)接口，用于提供精確的UTC時間源。并用作系統(tǒng)的最高主時鐘。這個接口集成在以太網(wǎng)適配器模塊上，適配器上的算法從GPS接收器接收“秒脈沖”和UTC刷新，并調(diào)節(jié)它的本地時鐘維持與GPS的同步。
結(jié)論
提供的1588在以太網(wǎng)分布運動系統(tǒng)的應(yīng)用例子是可靠和精確的應(yīng)用。硬件輔助電路提供的主時鐘和從時鐘之間的起伏精度不大于200納秒。當(dāng)使用GPS作為主時間基準時，在從時鐘的累計波動為500納秒。如果耒自GPS接收器的秒脈沖信號的邊沿不清晰，還會產(chǎn)生附加的波動。
本例子展示的是一個相對較小的系統(tǒng)，還需要更大的范例和在各種負載條件下進行測試。這是開發(fā)CIP Sync同步原理工作中的結(jié)果。這里表述的想法、觀點和建議只是為說明作者對使用CIP網(wǎng)絡(luò)的可能性的概念，并不反映ODVA的想法、觀點和建議。由于CIP網(wǎng)絡(luò)可用于各種不同的情況，可融入各制造商的各種產(chǎn)品和系統(tǒng)。因此試圖使用的讀者和特定CIP網(wǎng)絡(luò)的從業(yè)者應(yīng)自行決定這里表述的想法、觀點和建議是否適合你的應(yīng)用條件。
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