帶有切割功能的表格、宣傳冊、日歷和郵件打印是一個高速的工作，具有高精度的要求。當(dāng)Jakob Graphic Services GmbH升級這種操作時，運動控制和短的啟動時間是選擇網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵指標(biāo)。
這些復(fù)雜打印工作具有很多步驟，諸如切割、膠合、打孔和裝訂。所有這些步驟是緊密結(jié)合的。Jakob，位于德國的普豐施塔特（Pfungstadt），處理了很多類似的工作，而且啟動時間必須很短，生產(chǎn)時不能停車。
切割也是一個重要的工作。分開的切割必須與紙幅速度保持同步，這樣可以達(dá)到最大的生產(chǎn)率。這個網(wǎng)絡(luò)連接了壓機(jī)和切割工具，必須在準(zhǔn)確的時間傳遞信息，否則就會在錯誤的地方切割，損毀了印刷的材料。設(shè)備要與紙卷一起工作，紙卷的最大直徑可達(dá)50英寸，紙卷的寬度范圍從4到27英寸。
Jakob使用了來自Kollmorgen的硬件和軟件來處理這些高精度的工作。Radford, Va., 設(shè)備制造商使用了EtherCat以太網(wǎng)來滿足實時的要求。這樣的選擇對于Kollmorgen是重要的， 但多數(shù)的用戶不是真正在意使用什么樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來處理這種關(guān)鍵確定性的命令。
“很多用戶不太考慮確定性的問題。他們僅是關(guān)心他們的應(yīng)用，他們希望在一分鐘里，按特定的精度，整理或者切割350袋紙，”在 Kollmorgen的高級系統(tǒng)工程師Carroll Wontrop說道。用戶非常希望知道以太網(wǎng)是否可以用于通信，但僅有非常資深的工程師才知道哪些變量用于數(shù)據(jù)包，它們都是極具時間敏感性的指令。
在很多工業(yè)供應(yīng)商中，這是真實的故事。有很多應(yīng)用需要確定性的網(wǎng)絡(luò)，并且它們的數(shù)量隨著生產(chǎn)設(shè)備運行的更快而不斷增長，用戶期望極為精確的切割、裝訂和密封。在這些應(yīng)用的多數(shù)要求中，包傳遞的時間必須用納秒來測量。
時間就是一切
專注于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的工程師花費很多時間定義需求的確定性等級，因此用戶能夠滿足他們設(shè)計需要，而不用關(guān)心數(shù)據(jù)位是怎樣傳遞的。當(dāng)這些專家關(guān)注網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時，他們更關(guān)心低階秒的傳輸性能。
“EtherCat能夠在輸出設(shè)備的出線端，實際信號的抖動數(shù)量為 +/- 20 納秒，”北美EtherCat 技術(shù)組織設(shè)在德州奧斯丁辦公室的代表Joey Stubbs說道。
網(wǎng)絡(luò)開發(fā)者采用電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢，這些標(biāo)準(zhǔn)在需要技術(shù)的環(huán)境中被廣泛接受。IEEE 1588冗長的標(biāo)題解釋它的基本概念：“用于網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精確時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。”它確保在一個精確時間完成所有操作。
“使用EtherNet/IP和IEEE 1588時間同步，你可以在100納秒之內(nèi)同步多個節(jié)點，”位于俄亥俄州，梅菲爾德海茨，羅克韋爾自動化的供應(yīng)商應(yīng)用工程經(jīng)理Steve Zuponcic 說道。“當(dāng)每個節(jié)點精確地知道時間是多少，你就可以告訴每個驅(qū)動器和每個電動機(jī)在一個確定的時間到達(dá)一個確定的點。它們都是同步的，完成你需要的準(zhǔn)確控制。”
網(wǎng)絡(luò)開發(fā)者需要把這些技術(shù)嵌入他們的設(shè)備和軟件中，使用戶不用為在一秒鐘發(fā)生幾千步的程序步驟而犯愁。即使這樣，很多控制工程師直到最近才參與了基于時間系統(tǒng)的工作，他們可以使用眾所周知編程語言來設(shè)立他們的工作節(jié)點。
“協(xié)同運動控制使用絕對時間是一個新概念。對于編程人員來說它是透明的，” Zuponcic說。“與使用SERCOS（串行實時通信系統(tǒng)）編程沒什么不同，可以使用相同的指令，和他們原先的一樣。”
當(dāng)客戶正在建立他們的系統(tǒng)，他們通常必須阻止把所有數(shù)據(jù)都用最高的優(yōu)先級進(jìn)行傳送。如果所有通信都在網(wǎng)絡(luò)上按峰值速率傳送，網(wǎng)絡(luò)很快就會達(dá)到飽和點。“不是每件事都需要確定性。如果你把每件事都做為時間關(guān)鍵事務(wù)，你就沒有空間了，” Wontrop說。“客戶必須知道他們需要的性能，哪些信息從A點到B點需要是確定性的。”
時間在EtherCat網(wǎng)絡(luò)中也是重要的，主站同步和鎖定所有設(shè)備時鐘到一個參考時鐘時間。有效發(fā)布一個精確的64位時間值到所有現(xiàn)場從設(shè)備。主站這樣可以用同樣的系統(tǒng)時間同步和鎖定網(wǎng)絡(luò)上的所有時鐘。
“用這樣的方法，網(wǎng)絡(luò)的確定性和抖動可以從以太網(wǎng)幀的抖動脫離。這使得EtherCat工作不需要昂貴、專用主站控制器卡。”Stubbs說。
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使用環(huán)網(wǎng)
雖然有一個強(qiáng)勁的驅(qū)動實施確定性網(wǎng)絡(luò)，不是所有人需要納秒級的傳送時間。雙口節(jié)點已經(jīng)可以非常簡單滿足主流網(wǎng)絡(luò)的需求，不用增加硬件或者軟件把時間縮到最短來實現(xiàn)確定性。
“我們相信如果我們得到50到100毫秒的確定性，我們可以覆蓋80－85％的應(yīng)用，” 自動化供應(yīng)商施耐德電氣以太網(wǎng)市場部的經(jīng)理Dan DesRuisseaux說，位于Raleigh, N.C.
使用雙口或者四口設(shè)備做成環(huán)狀拓?fù)涫且粋€簡單的方法滿足時間敏感性需求，它們接受毫秒級的數(shù)據(jù)傳送時間。這種配置使得節(jié)點在一個口發(fā)送數(shù)據(jù)而在另一個口接收數(shù)據(jù)。環(huán)結(jié)構(gòu)也使得信號可以反方向傳送，如果有電路斷開或者節(jié)點失效，減少宕機(jī)時間。“當(dāng)你的可編程控制器（PLC）有兩個口，你具有多個故障容錯，”西門子工業(yè)公司的網(wǎng)絡(luò)咨詢顧問Marty Jansons說道，位于Norcross, Ga.
另一種選擇是把需要的任務(wù)放在有傳輸限制的網(wǎng)上。這種方法不總是適用，但它可以提供足夠的吞吐量確保數(shù)據(jù)包及時到達(dá)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不是很多時，用戶不必限制他們自己成環(huán)或者回路。
“CC-link IE 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)可以采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以適應(yīng)用戶的不同應(yīng)用。走線布局可以是菊花鏈、星形、或者任意的組合－或者甚至一個回路，”CC-link 伙伴協(xié)會的美洲總監(jiān)Chuck Lukasik說道，位于Vernon Hills, Ill.
使用小型、專用的網(wǎng)絡(luò)可能增加一些成本，但它也可以幫助控制支出。比如，施耐德可以使用商場里的市售設(shè)備諸如思科的路由器和標(biāo)準(zhǔn)的可編程控制器（PLC）設(shè)計控制網(wǎng)絡(luò)。 小型環(huán)可以具有很高的性能。
“我們創(chuàng)建的專用環(huán)僅有不多的設(shè)備在上面跑，”DesRuisseaux 說道。“我們知道它們的性能，我們不把像錄像機(jī)或者PC（個人電腦）等占用高帶寬的組件放在網(wǎng)絡(luò)上。采用控制環(huán)和安裝少量設(shè)備，用戶可以把延時確定在10到20毫秒之間。”
使用雙口和四口的節(jié)點，通信可以足夠的牢靠。多口PLC可以在它們發(fā)送數(shù)據(jù)時同時接收數(shù)據(jù)，比起只有一個口的老式組態(tài)性能和可用性都有大幅度提高。DesRuisseaux解釋道：不斷增加的輸入/輸出（I/O）設(shè)備正轉(zhuǎn)向使用雙口版本，這使得它實施更為簡單。這種體系架構(gòu)可以用在現(xiàn)場總線層。
在很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，設(shè)備的放置是非常重要的。如果信號遠(yuǎn)離一臺中心控制器，數(shù)據(jù)包通過交換機(jī)會產(chǎn)生更多的延時。如果設(shè)備發(fā)送和接收多個信號非常接近網(wǎng)絡(luò)的終點，這也會使交換機(jī)超載。“你不想把圖像系統(tǒng)或者人機(jī)界面放在線路的終點，”Carl Henning說道，他是PI 北美的代理總監(jiān)，從前是Profibus行業(yè)組織，辦公室位于Scottsdale, Ariz。“它們具有很多通信量。當(dāng)它通過很多交換機(jī)時，它占用了很多可用帶寬。”
擴(kuò)展領(lǐng)域
建立實時網(wǎng)絡(luò)的另一個的方面是確保所有關(guān)鍵設(shè)備不需要網(wǎng)關(guān)或者轉(zhuǎn)換器就能夠通信。雖然以太網(wǎng)正在工業(yè)領(lǐng)域里廣泛使用，現(xiàn)場總線不會馬上消失。很多老設(shè)備不能兼容以太網(wǎng)，甚至很多新產(chǎn)品為了保持價格低廉，也避開以太網(wǎng)而采用簡單的現(xiàn)場總線。
然而，隨著控制器的成本下降，以太網(wǎng)的連接會不斷從骨干網(wǎng)進(jìn)一步往前推進(jìn)。“我們正在把以太網(wǎng)技術(shù)加入到更多的產(chǎn)品中去，產(chǎn)品開發(fā)人員都理解協(xié)議，”Jansons說道。“Profinet協(xié)議將植入更多的現(xiàn)場設(shè)備中。”
網(wǎng)絡(luò)確定性網(wǎng)絡(luò)工作更加有效，這些低層設(shè)備必須具有接收高速報文和快速處理指令的能力。如果簡單設(shè)備不能滿足這些要求，網(wǎng)絡(luò)的能力就沒有充分發(fā)揮。
“一個確定性網(wǎng)絡(luò)不一定意味著一個確定性系統(tǒng)，”Stubbs說道。“對于工業(yè)基礎(chǔ)實施和控制，整個系統(tǒng)需要滿足應(yīng)用的需求，無論這意味著包括時間戳輸入、在精確的時間確保輸出，包括超出采樣模擬量值，或者調(diào)整復(fù)雜的運動控制網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場設(shè)備必須按一種方法集成，使他們作為確定性系統(tǒng)的一部分執(zhí)行工作。”
除了進(jìn)行適當(dāng)?shù)募桑O(shè)計人員必須確保設(shè)備具有記憶能力和處理能力，保持確定性所要求的通用速度。很多中央處理單元（CPU）芯片可以同時處理通信和通用目的計算，所以有可能超載。隨著節(jié)點增加信息發(fā)送量的上升，微控制器的處理能力也必須提高。
“使用確定性以太網(wǎng)的服務(wù)越多，可以執(zhí)行運動控制任務(wù)的能力就越少，” Wontrop 說道。“節(jié)點處理數(shù)據(jù)的能力是一個重要因素。”
