实时以太网及运动控制总线技术

《现场总线技术及应用教程(第2版)》内容简介：在工业自动化应用技术领域，国际和国内市场占有率最高的现场总线技术和实时以太网技术分别是PROFIBUS和PROFINET。《现场总线技术及应用教程（第2版）》的开始，对控制系统以及现场总线技术的发展历程、现场总线技术中使用的工业网络和通信基础知识进行了概括性的介绍；全书重点讲解了PROFIBUS DP/PA和PROFINET的基本原理和具体应用，并在此基础上详细地剖析了DP V0/V1、PROFINET和AS-i的报文结构和含义，在重点章节中给出了具体的应用实例。此外，《现场总线技术及应用教程（第2版）》还对传感器级和执行器级的现场总线技术的代表——AS-i以及工业控制系统国际标准编程语言IEC611313进行了深入浅出的讲解，并给出了许多实例。为方便高校和培训机构作为教材使用，全书各章都配有大量的习题和思考题，在附录A中配有11个实验的指导书。在附录中还提供了精心编排的PROFIBUS常用信息速查表，罗列出了学习现场总线技术及下载相关软件及文档的常用网站地址。

运动控制起源于早期的伺服控制（Servomechanism）。运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行动作。

自上世纪80年代运动控制器得以应用以来，经历了三个发展阶段。第一阶段，以单片机和微处理器为核心的运动控制器，在一些需要点位控制、对轨迹要求不高的轮廓控制中有所应用；第二阶段是以专用芯片为核心处理器的运动控制器。由于可以驱动多轴联动，应用到了激光加工、纺织设备、电子产品加工等领域；第三阶段是基于PC总线、以DSP为核心的开放性运动控制器。这类运动控制器充分利用DSP的高速数据处理功能和配套器件超强的逻辑处理能力，提供了多轴协调运动和复杂的轨迹规划、实时插补运算、误差补偿、伺服滤波等功能，能够实现多轴伺服驱动、实时控制管理，而且方便使用者按实际工程要求进行个性化参数设置。

近年来，随着运动控制技术的不断创新和完善，基于PC总线的通用多轴联动运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，得到了迅猛发展，被越来越多的产业领域接受，已经达到一个引人瞩目的市场规模。这种多轴联动的运动控制器，具有以下特点：

（1）硬件配置简单。按工程要求选用合适的运动控制器、计算机或工控机，插入PC总线，联接信号线即可构成硬件控制系统；

（2）可以使用PC机及其专用上位软件。完成运动控制器参数配置后，控制系统还可利用丰富的计算机资源；

（3）同一公司生产的运动控制器，其软件代码通用性能好，可移植性高。

目前运动控制器的代表产品有：西门子SIMOTION运动控制系统、美国Delta运动控制系统、台达运动控制系统、研华运动控制系统、固高运动控制系统、众为兴运动控制系统等等。这些运动控制器的差异，主要表现在硬件接口（输入/输出信号种类、性能）、软件接口（运动控制函数库、功能函数）的不同。

西门子SIMOTION运动控制器，是一系列极具特色的运动控制器产品。完整的SIMOTION运动控制由“一套系统”来完成所有的控制任务，特别适用于要求多部件联动机械设备的运动控制任务。一套完整的西门子SIMOTION运动控制系统，无论是C系列、 D系列还是P系列，均由三部分组成：即硬件平台、工程开发系统（参数设置模块）和实时软件模块。

SIMOTION各种运动控制器均使用同一种工程开发工具，实际工程中需要根据控制任务性质，选择运动控制器类型，即西门子运动控制器具有针对特定应用领域的优势。C\D\P型运动控制器的区别在于：

（1） SIMOTION C控制器采用S7-300 PLC模块化设计。该系列运动控制器具有多个模拟量驱动/步进电机驱动接口用于连接驱动器，而且带有若干数字量输入及输出端口。应用时，可以扩展S7-300的I/O模板及功能模板。 C系列具有极高的灵活性，可以满足许多工程应用领域的要求；

（2） SIMOTION D系列运动控制器是紧凑型系统，特点是集成了SINAMIC S多轴驱动系统在控制模板上，成为一个极其紧凑的、拥有控制器及驱动器的系统。该系列运动控制器将运动控制与驱动器功能集成在一起，因此系统具有极快的响应速度，SIMOTION D特别适应于小型机械；

（3） SIMOTION P 系列针对有开放性需求的控制任务，是基于PC的运动控制系统。采用具有实时处理能力的PC操作系统，除了完成SIMOTION控制任务之外，也能执行其它的PC应用程序，如操作员监控、过程数据分析、标准PC应用等等。

无论SIMOTION C型、SIMOTION D型、还是SIMOTION P型，其PC平台和系统资源相同，而且工程开发过程相似。此外，不同的硬件平台可以组合在一起，用于处理更为复杂的控制任务，因而具有功能搭配灵活，针对性强的特点。

本书选用SIMOTION C系列中的C240，是基于这款控制器应用性广泛、灵活性强、性价比好等因素的考虑。这款控制器集成了运动控制模块，执行元件可以是伺服电机或步进电机，也可以是变频电机或液压驱动元件。技术人员需要了解具体被控对象的工艺要求、参数设置模块和实时软件模块。C240应用已遍及众多领域，特别是交流伺服的多轴控制系统中，它能充分利用计算机资源，方便实现运动轨迹规划完成既定运动和高精度伺服驱动。

书中内容从西门子运动控制器的工程应用出发，以清晰易懂的运动控制功能描述、结合多个典型案例，全面介绍了西门子运动控制器SIMOTION C240。本书典型案例来源于编者做过的工程项目，并查阅了大量公开和内部发行的资料。编者从实际工程应用的需要出发，有的放矢地介绍SIMOTION C系列中的C240系统构成、调试、参数设置等应用技术，相信读者在掌握了C240控制器基本原理和应用技能的基础上，可以较快地掌握其他型号的运动控制器控制复杂设备的方法。

对于某些低功率应用，内在控制简单，微电机及驱动器、高密度转矩步进系统构成了伺服电机可行的选择。

步进是唯一可以在开环情况下运行，而不需位置反馈的运动控制方法。

基于步进的运动系统可以达到0.75千瓦（1马力）的功率，但对大多数应用来说，都是在较低输出功率中运行的。大批厂商关注于这个市场。

Baldor电气的实时运动控制器NextMovee100，可以为16个轴进行插值，并且最多可以管理连接到以太网Powerlink上的240个轴。这些轴处理简单的点对点运动、引导序列、点动控制，以及与步进（伺服）运动系统相关的扭矩需求。