PLCopen运动控制

来源：br-automation As industrial automation systems become increasingly complex, software development time and engineering expenses can exceed all other development hurtles. PLCopen offers standard, open motion control function blocks based on the IEC 61131 languages to create efficient, flexible code that is vendor- and product-independent. PLCopen Motion Control reduces software development time while maintaining a portable and easily upgradeable code base for future applications. The result is a shorter time to market with greater profits and future growth that is independent of the hardware platform. 绪论 为满足更大的系统产量和改进的产品质量和精度的市场需求，运动控制变得日益复杂。当降低总的机器成本时，这些目标必须实现。创新的、高性能的解决方案必须取代常规系统设计。 当然，市场需求开始于客户级。为了保持和增加客户基础，当降低成本时，生产者必须持续更新他们的产品、包装和工艺。为了实现这个目标，生产者想让机器制造者交付更小的轨迹、更高的速度、更快的设备转换、更低的废品以及改进的可靠性的设备。控制供应商必须提供能满足这些需要的平台。 运动控制技术常跟踪这些要求的目标领域。这个领域代表高比例的机器总成本和开发，也代表最大性能和节省利润的潜力。PLCopen运动控制功能块通过提供独立的供应商和独立的平台以及降低总的开发时间支持用户。这对包装工业的机器制造商是特别现实的。包装厂常包括装袋机、打包机、装瓶机、标签机、称重机、检测机、堆垛机等。在这种工业，制造商必须对客户需求快速反应。当然，这要求柔性机器设计，否则现存的机器变得不能用了。 例如，食品和饮料公司需要快速改变包装概念来满足市场需求。大的产品包装和体积比简单应用折扣对客户来说更直观。然而，这要求变更包装材料和分发系统。这是主要的生产变更。严格的机械系统要求生产线停止数小时甚至数天，或更换生产线。用柔性软件接口的机电一体化解决方案能更快速的变更生产线。这种更快的市场反应的转换，降低了成本，增加了利润。 为什么标准化？ 在PLCopen和IEC 61131标准的引进之前，运动控制工业是零散的。有各种系统可用，每种系统都有它们的私有技术、语言、通讯以及开发工具。机器制造商常交付多种版本的机器，包括低成本的版本，中等的机器和高性能的解决方案。另外，机器制造商常发行应用于不同领域的不同商标的控制器。 PLCopen运动特定任务开始创建功能块库，它作为标准运动接口而不是架构起作用。这种标准接口能用于很多不同的系统。这意味着应用能在独立平台上开发，因此机器制造商能更容易地变更架构或支持多个平台。制造商能等待，直到项目的应用阶段完成他们的硬件选型。同时，也极大地降低维护和培训成本。 PLCopen运动控制功能块满足长期等待的要求，这种要求是快速、容易、高效率地控制定位任务的标准化编程方法。这些功能块能在IEC 61131语言（例如，梯形图和结构化文本）下编程。因为这些功能块是独立的硬件，它们能用于许多不同类型的电机、驱动器、反馈系统甚至不同拓扑（例如集中或分散的解决方案）的编程。这种独立硬件和编程灵活性也允许用户选择基于应用要求的硬件，从而取代仅因为以前的经验或培训水平就简单地限制他们的决策。这种最适合的解决方案能方便地为应用配置。 运动接口的标准化也使教育更容易以及更有效。它有更大的好处，能培训将来的编程人员，而不需要直接参考特殊硬件或编程工具。一旦培训，工程师能应用他们的知识到更宽的运动控制产品的领域。 软件的重要性 按照PLCopen组织的常务懂事的说法，三十年前，机器几乎没有软件要求，然而，现在软件开发大约占生产线总成本的一半。柔性运动控制技术和开放、标准的工业软件接口能极大地降低所有类型工业机器的复杂性。运动控制工业的零散的本质通过阻止软件的重新使用，增加设计时间，使不同架构不兼容以及限制新的开发，从而产生可观的开支。运动控制软件标准化以及IEC 61131标准语言致力于解决这些问题。标准化软件接口的意思是： ·更大的软件重复利用率； ·更少的依赖硬件； ·更快的上市时间； ·降低时间以及安装和维护成本； ·更宽的工业接受领域； ·降低培训时间和成本。 架构独立 PLCopen独立平台的目标是机器开发人员能利用的关键特点。例如，由于开发人员认识到分散解决方案的优势，许多开发人员正从集中运动控制方法转移。集中设计要求能处理多轴系统的重加工负载的昂贵的运动控制器。即使那样，由于控制器和通讯网络的限制，大量的轴也是不可能的。带智能驱动的分散控制平台从主运动控制器删除许多负载，从而通过关闭它们自己的定位回路降低网络限制。这消除昂贵运动控制器的需要。大量的同步轴在能提供高速、可扩展运动解决方案的单一网络上是可行的。运动控制性能不依赖处理器性能或运行在网络上轴的数量。 为了机器制造商实现这些性能和成本利益，他们必须在软件二次开发和培训上投资。然而，通过多平台的标准化运动控制接口，机器制造商能最小化开发时间和成本。PLCopen的目的是当技术变的可用时，允许开发人员从一个平台移到另一个平台。PLCopen功能块在基础架构上独立运行。机器制造商能持续开发他们的机器，而不用害怕荒废或额外的设计成本。 基于以太网的运动控制网络是机器制造商能利用技术的另一个例子。通过点对点的通讯能力、高通信带宽、标准硬件可用性，以太网是在最短时间内传输大量信息极好的媒介。现在，网络的实时决定能力，例如以太网Powerlink，以太网是高性能运动应用的理想选择。机器制造商有能力从现存架构升级到基于以太网的实时通信，而不用浪费在开发中消耗的时间和金钱。 PLCopen运动控制功能块 PLCopen组织努力实现这个标准化。PLCopen组织成立于1992年，在开发、安装、维护中按照IEC61131编程环境通过不同平台协调工业控制市场。现在的主题包括运动控制、安全功能、XML数据交换和评价标准。PLCopen也持续促进这种标准在世界上的使用和培训，因为世界范围内的接受对它的开放的、独立的目标非常重要。为了创建标准运动控制规范，一套可重复使用的独立于硬件的控制组件已基于IEC61131功能块定义。根据这个标准，能重复使用应用软件。甚至多平台也是可能的。同时，也降低了培训和支持成本。实施新的开发更容易，从而带来更短的上市时间。 在定义他们的运动控制功能块时，PLCopen特定任务要实现下列目标： ·容易编程、安装和维护的简单设计； ·创建多个功能块的效率； ·遵守著名的IEC 61131语言标准的一致协议； ·允许硬件独立实施的广泛的适应性； ·这些功能块和将来扩展的柔性； ·大多数运动控制应用的足够覆盖率。 用允许单轴运动和同步多轴运动的一套基本的功能块实现这些目标。状态机在机器的顺序中描述单轴的行为。 表1 运动控制的基本PLCopen功能块 这些功能块的编码对用户是隐藏的，它是控制软件供应商的责任。这个编码是独立于系统硬件和架构的。这个包括这些功能块的输入输出的接口兼容任何平台。这个软件水平的区别对PLCopen的功能性是关键的。一个应用的运动能在相同的环境编程，而不管硬件，因为低级编码对用户是隐藏的。用户不需要有驱动和网络架构的详细知识。运动轴的编程非常具有逻辑性。轴需要供电、归零和移动。在以上三步中，轴正在移动，甚至和另外的轴同步。 图1.PLCopen运动控制状态机 PLCopen的扩展性 在特定任务描述一套覆盖单轴和多轴控制的基本功能块之后，需要额外的功能性实现更宽领域的运动控制系统变得清晰，因此开发PLCopen运动控制扩展。 除此之外，机器制造者能创建高级功能块，控制供应商作为标准功能块的补充。这些可重复使用的库甚至更进一步采用PLCopen。PLCopen用户指导方针提供这些用户特定库怎样能创建基于标准PLCopen功能块和根据相同规范的细节和例子。然后，机器制造商能应用和重复使用他们为竞争领域创建的功能块。这个特定任务也进一步在三维空间用协调多轴运动插补扩展编程，同时扩展归零程序。 图2：这种金属薄片切削应用需要注册 用户可能开发的功能块的例子是注册命令。因为不同应用的注册操作差别很大，所以在PLCopen命令集中没有定义特定的注册功能块。标准版不是有效的。取而代之的是，用户的标准能使用现存的功能块创建匹配他们严格需要的注册功能。触摸探针功能块根据这个原因设计。它能结合一些其他的运动功能（例如定相功能块）满足注册任务。一旦这个新的注册功能已创建，用户能在其他轴上或甚至其他平台上重复使用。按照这种方式，机器开发人员能创建基于他们自己的可重复使用的独立硬件的库。 表2. PLCopen的扩展功能块 在上例中，创建注册功能切削基于印痕标志的金属薄片材料。PLCopen扩展了功能块。在触发事件时，触摸探针提供非常快的轴位置记录，在这种情况下，在金属薄片材料上打印标志。触发位置的偏差传到定相功能块，它超前或滞后进给的切削轴。 集成的安全 和运动控制并进的另一个发展领域是安全。与运动控制定义类