运动控制为什么需要使用总线

• PTO/模拟量接口

• 网络通讯控制总线

近几年，无论是看各大厂商发布的新产品，还是看各主机厂和生产企业用户的自动化设备，采用控制总线技术的运动控制产品正在被越来越多的应用。

我以前一直认为这是运动控制性能不断提高的原因，采用控制总线的方式实现运动控制可以实现更高的运动控制性能。但我后来发现并不是这样的，因为，事实上很多非常高端的运控设备，通过全闭环的PTO或模拟量的控制，达到的运控性能（精度和动态性能）绝对碉堡总线型运控系统，比如多轴模拟试验平台。从原理上也不难理解，总线技术毕竟是设备通讯技术，与单纯的电脉冲信号构成的电控回路相比，通过通讯网络构成的网络控制回路，其控制速率和实时性必然是相对低的。这样看来，设备其实是不会因为采用了总线控制就可以达到更高性能的。

那么，是什么原因，使得总线控制在设备的运动控制系统中越来越普及了呢？这里就简单聊聊一些个人见解。

我们上周曾经谈过在工业应用中的运动控制的特点，高性能、高精尖并非工业生产的唯一目标，工业设备必须同时考虑经济性、可靠性以及够用的性能。所以，个人觉得要探讨这个控制总线的问题，就要从工业环境下运动控制系统的各个应用环节来谈，将两种控制方式做些比较。

架构

采用PTO（或模拟量）控制运动轴，需要使用硬接线将每个轴的驱动器与控制器相连接。这种物理连接的方式使得控制系统架构布局只能是以控制器为中心的星型结构。

PTO控制的系统架构

采用总线控制时，无论是控制器还是轴驱动器，每台设备都是一个网络通讯节点。其可以使用的网络拓扑结构是可以非常灵活的，比较经典的是下图这种链式结构。

总线控制的系统架构

线缆

从上面的拓扑图的比较，已经能看到从星型拓扑到链式拓扑在电缆数量上的减少，但绝不只是这几根电缆的事情，我们需要从线缆使用的整体应用体验去看。

想象下，在PTO脉冲（或模拟量）控制时，从控制器到驱动器的线缆中，除了运动（速度、位置或扭矩）给定（脉冲或模拟量）用的几芯线外，经常还需要有其他辅助控制信号线，如：方向、使能、复位、Ready等等。由此将会带来的一些列相关的系统集成工作：系统原理图、控制器接线图纸、驱动器接线图纸、预制线缆各芯定义、接线查线工作等等，同时，由于线路接线节点较多，其潜在可能的故障点也会很多，设备运行稳定性风险也是比较大的。

而在使用总线控制时，所有的控制信号都通过通讯的形式在总线上传输的，无论使用多少控制变量，驱动器和控制器的连接都使用统一的通讯电缆。现在各种总线协议都已经将其使用的通讯电缆接口标准化了，因此使得上述的电缆集成工作量几乎为零；而且由于线缆接线节点较少，设备运行稳定性也就提高了。

信息化

刚才说了，如果使用PTO或模拟量的控制方式，在控制器和驱动器之间的信号是通过硬接线实现的，线芯的数量决定了能够使用的传输信号量，这使得控制器能够读写驱动器的信息量受到极大限制。

而如果使用总线控制，控制器基本上可以把驱动器中的所有数据全部都读取出来，也可以随时对驱动器内的任何参数进行配置。在当今大谈4.0、智能化、物联网、iot的时代，其重要性就不用我多啰嗦了吧。

人机接口

在PTO脉冲（模拟量）的系统中，由于驱动器和控制器是物理线路连接，所以在编程、调试和操作维护时，如果要读写设备参数，只能将调试终端（电脑或手操器）连到各轴驱动器。这就使得在项目实施时需要无数次插拔数据线、在各个驱动器参数表和控制器软件界面之间来回切换、在设备控制柜前跑来跑去......， 项目实施效率可想而知。

使用总线控制的运动控制系统，由于设备之间是通过网络通讯连接起来的，我们可以在设备的任意一个网络端口接入系统，一次接入、使用一个软件（无需在多个软件之间来回切换），便可以对系统内的任何一台驱动器进行多次持续操作，无需反复接插，极大提升决策和实施的效率。

运维、诊断

上面的信息化和人机接口带来一个很实用的应用场景。

在PTO脉冲（模拟量）系统中，各个驱动器的运行状态信息很少能被读取到控制系统中。于是，让我们想象下这样的场景：

一台驱动器故障导致生产停机，在故障诊断的时候，需要花多少时间在几个盘柜、多台设备中找到那台故障驱动器、从其面板读取故障代码，然后还需要通过查找手册了解故障代码含义，如果需要进一步排查驱动器运行参数数据，仍然得通过驱动器上的按键去查阅或设定参数。而如果，此时还需要去排查多个驱动器设备，绝对是件非常蛋疼的事情。想想这开机率得受到多大的影响。

当使用总线网络将驱动器和控制器连起来，那么驱动器内的任何数据将都可以被上位机读取，我们可以从上位机获取的报警中迅速定位故障驱动器的诊断信息，并对其进行快速深入的排查和操作，更重要的是，我们将有能力对整台设备的任意一个或多个点的运行数据（包括历史数据）进行分析、比对和排查。这将极大提升设备诊断效率，缩短设备停机时间。

当然，要实现这些智能化诊断的功能，是需要另外做系统集成的；但如果没有网络，这基本没戏。

设备布线长

很多设备的电机布置是很分散的，很多电机离控制柜的距离很远，PTO脉冲和模拟量控制使用的线缆是不允许很长的（一般也就几米），在这种情况下，就只能将驱动器和控制器近距离集中布置，这样电机电缆就会很长，同时如果传动轴很多，盘柜体积必然不小。带来的结果不仅是盘柜和线缆的高成本，想象下那么多动力电缆好似很多无线电发射天线一样，会对设备造成极大的EMC噪声危害。

采用网络总线系统，驱动器到控制器的距离可以允许到几百米，驱动器可以就近布置在离电机较近的位置，然后各个驱动器通过链式拓扑和控制器连接在系统中。一方面节省线缆成本，另一方面减少了不少动力线缆干扰源，提升设备EMC特性。

---

通讯总线在运动控制系统中的应用场景可能还有很多，由于篇幅的关系，在这里就不一一举例了。但总的来说，总线技术在运动控制的应用往往都和提升运动控制性能没太大关系。

在工业应用场合的运动控制中，更多时候遇到的挑战主要还是体现在应用的复杂。这里说的复杂性，指的是大量的运动轴数、复杂的设备动作（运动曲线）、以及各个部件的之间错综复杂的相互运动关系。而在这种情况下，相比脉冲（或模拟量）的控制方式，采用总线技术的系统应用集成的实施过程将被极大的简化，比如：安装、布线、接线、编程、曲线规划、配置、调试等等。

我个人的观点，如果是通用自动化的应用，运动轴数较多时，即使各轴都是独立定位，还是建议采用带有总线接口的产品；而如果应用中有比较多的多轴协同动作（如插补、凸轮等），那么就要选用带有时钟同步的运控总线产品了。关于这部分内容，就牵扯到使用总线控制的实时性和时钟同步问题了，咱们下回找时间接着聊......

mcrazy