工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信新概念及FLEX產(chǎn)品介紹

為了滿足各種要求，設(shè)備中的可編程邏輯控制器 (PLC) 和電機/驅(qū)動器已通過多種方式連接，例如脈沖序列、數(shù)字 I/O 和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。

我們開發(fā)了可以連接到多個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品。它們可以連接到 I/O 設(shè)備和 Modbus RTU 網(wǎng)絡(luò)。它們還可以通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器（我們的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品）連接到其他現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。這些產(chǎn)品可以靈活地連接到一個主機 PLC，它允許客戶根據(jù)他們的需要選擇一個系統(tǒng)。我們稱這個概念為 FLEX。由于部分FLEX產(chǎn)品具有定位功能，因此可以省去上位PLC的定位單元，從而降低設(shè)備成本。FLEX 產(chǎn)品允許客戶通過利用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的每個優(yōu)點來降低開發(fā)設(shè)備的成本和時間。

我們以“降低成本”和“縮短設(shè)備啟動時間”為關(guān)鍵詞介紹每個控制系統(tǒng)和FLEX產(chǎn)品的優(yōu)點。

一、簡介

關(guān)于生產(chǎn)設(shè)備存在各種要求和需求，例如降低成本、縮短新設(shè)備的啟動時間、提高生產(chǎn)率、節(jié)能和可追溯性。在過去的幾年中，人們強烈需要降低成本。然而，僅僅為了降低設(shè)備成本而削弱設(shè)備性能絕不是一個好主意，因為這會危及我們的競爭力。為了與低成本設(shè)備制造商競爭，關(guān)注在保持設(shè)備性能的同時降低成本的“性價比”變得很重要，而不是僅僅關(guān)注“降低成本”方面。此外，必須盡早將機器推向市場，以便在競爭對手中占上風。近年來，這種要求變得更加嚴格。

2.什么是FLEX

FLEX是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊產(chǎn)品配套的總稱；(1) I/O 控制，(2) Modbus RTU 控制（注 1）和 (3) 通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器進行的工廠自動化 (FA) 網(wǎng)絡(luò)控制。Oriental Motor提供FLEX作為一個系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶的需要自由選擇，并靈活地與各種上位控制器連接。FLEX 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品兼容這三種控制方法（參見圖 1）。

(1) I/O 控制- 由于 I/O 控制使電機僅通過 ON/OFF 信號即可輕松移動，從而導(dǎo)致“縮短設(shè)備啟動時間”。此外，主控系統(tǒng)使用簡單的輸入/輸出設(shè)備，因此可以以“最低成本”構(gòu)建。

(2) Modbus RTU 控制- Modbus RTU 控制是串行通訊控制的一種（參考4.2 節(jié)）。串行通信抗噪能力強，通信線路最長可延長 50m（164.04 英尺）（注 2），從而實現(xiàn)“成本降低”。兼容串口通信的主控系統(tǒng)有很多，可以像I/O控制一樣不受廠商的約束，自由選擇。此外，由于大多數(shù)觸摸屏都標配了 Modbus 通信，因此很容易通過觸摸屏進行操作。

自由選擇制造商的能力（擴大設(shè)備設(shè)計的可能性）和能夠通過觸摸屏操作很容易導(dǎo)致“縮短新設(shè)備推出時間”。

(注1) Modbus是Modbus-IDA的注冊商標。

(注 2) 最大延伸長度 50m (164.04ft.) 是 Oriental Motor 兼容 Modbus 的產(chǎn)品規(guī)格。

(3) 通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器進行工廠自動化(FA) 網(wǎng)絡(luò)控制- 通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器進行工廠自動化(FA) 網(wǎng)絡(luò)控制的產(chǎn)品可與CC-Link、MECHATROLINK- II / III 或Ether CAT 連接。由于 FA 網(wǎng)絡(luò)需要更少的布線，隨著電機數(shù)量的增加，“成本降低”變得更加明顯。FA 網(wǎng)絡(luò)通過專用通信 IC 自動發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。因此，電機可以在 I/O 控制的意義上運行。這也導(dǎo)致“推出新設(shè)備的時間縮短”。

相應(yīng)地，F(xiàn)LEX產(chǎn)品因兼容工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信而連接到各種主控系統(tǒng)，從而充分發(fā)揮各產(chǎn)品的優(yōu)勢。步進電機和具有定位控制功能的中空旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器以及具有速度控制功能的無刷電機是 FLEX 產(chǎn)品線的一部分（參見圖 2）。通過使用 FLEX 產(chǎn)品，可以使用相同的控制（連接）方法連接具有不同操作目的的電機。

3. 內(nèi)置控制器（存儲數(shù)據(jù)）類型
3.1。什么是內(nèi)置控制器（存儲數(shù)據(jù)）類型？

除了電機和驅(qū)動器（放大器）之外，以伺服電機和步進電機為代表的定位控制電機還需要脈沖發(fā)生器，也稱為定位模塊或 PLC 控制器（參見圖 3）。

對于Oriental Motor的FLEX Industrial Network Connections產(chǎn)品線，特別是定位控制步進電機，驅(qū)動器配備了脈沖發(fā)生器，因此脈沖發(fā)生器（PLC的定位模塊）可以從主控系統(tǒng)中去除。這導(dǎo)致設(shè)備的“總體成本降低”（參見圖 4）。

另外，驅(qū)動器內(nèi)置的脈沖發(fā)生器不僅僅是脈沖發(fā)生器，還具有可用于定位控制的各種功能。各種定位功能在下一章介紹。

3.2. 內(nèi)置控制器的各種功能（存儲數(shù)據(jù)）類型
3.2.1?？稍O(shè)定停機時間的操作功能

有一種稱為“連動操作 2”的功能，適用于簡單的來回操作，可以預(yù)設(shè)移動量和速度。它通過單個 ON 開關(guān)簡化了啟動信號（參見圖 5）。

“聯(lián)動運行 2”功能允許通過驅(qū)動程序設(shè)置運行之間的停止時間（停留時間）。因此，可以用單個啟動信號進行簡單的來回操作。這適用于例如在工作完成時自動將負載帶回原始位置的應(yīng)用。使用此功能，可以消除 PLC 編程創(chuàng)建負荷（設(shè)計工時）。

3.2.2. 依次執(zhí)行定位運行的運行功能

對于需要定期進給（間距進給）的輸送機和儲料器運輸?shù)葢?yīng)用，稱為“順序定位操作”的功能很方便?！绊樞蚨ㄎ贿\行”是每次啟動信號ON時依次執(zhí)行運行數(shù)據(jù)編號的功能。

通過預(yù)先設(shè)定移動量、速度、動作功能等的值，反復(fù)啟動信號的ON/OFF（輸入輸出信號的ON/OFF），可以執(zhí)行各種動作模式。此外，原點復(fù)位運行、連續(xù)運行（運行數(shù)據(jù)切換時的變速運行）等PLC定位模塊的大部分功能都內(nèi)置于驅(qū)動器中。

3.2.3. 同向無限操作功能

當電機在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中連續(xù)沿同一方向運轉(zhuǎn)，到達指令位置的最大值時，該值變?yōu)樽钚≈?。當命令位置像這樣循環(huán)時，就很難控制電機位置。這個問題可以通過在一圈或多圈內(nèi)的任何給定點自動將電機位置信息重置為零來解決。東方馬達將此功能稱為“圓形功能”。這可用于索引表和轉(zhuǎn)盤等應(yīng)用（參見圖 7）。

此外，通過將循環(huán)功能和保留和存儲電機位置信息的絕對系統(tǒng)與電池備份系統(tǒng)相結(jié)合，可以構(gòu)建具有不返回原點操作的“無限多次旋轉(zhuǎn)操作系統(tǒng)”。該圓形功能安裝在AR系列FLEX內(nèi)置控制器型和中空旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器DG II系列FLEX內(nèi)置控制器型上（參見圖8）。

3.2.4. 偏差異常檢測功能（編碼器型電機）

偏差異常檢測功能適用于0.72°/0.36°步進電機和驅(qū)動器套件CRK系列FLEX內(nèi)置控制器類型。通過使用編碼器型電機，更容易檢測電機的位置錯誤等異常情況（參見圖 9 和 10）。

因為它只需要一個編碼器連接到一個驅(qū)動器上，所以不需要在上位PLC上增加計數(shù)器模塊等設(shè)備。因此，它不僅能以低成本檢測出偏差異常，而且省去了上位PLC計算偏差異常的編程勞動，從而縮短了設(shè)備啟動時間。

內(nèi)置控制器（存儲數(shù)據(jù)）類型配備了PLC的定位模塊功能，以及上述功能。相應(yīng)地，它不需要PLC的定位模塊，使用戶更容易控制目標性能。

4、FLEX的各種控制方式
4.1．輸入輸出控制

I/O 控制使用驅(qū)動器正面的 I/O 信號端子監(jiān)控電機（參見圖 11）。

因為 I/O 控制直接打開和關(guān)閉 I/O 信號，所以它在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信方法中具有最小的延遲。對于節(jié)拍時間緊的設(shè)備，這種I/O控制或脈沖輸入控制都適用。

此外，通過繼電器控制的 I/O 信號的簡單 ON/OFF 即可輕松控制電機，因此 PLC 編程可以輕松完成，有助于縮短設(shè)備啟動時間。對于簡單的設(shè)備，可以通過外部開關(guān)操作電機，無需上位 PLC，從而降低成本。

另一方面，I/O控制的缺點是需要多根線，并且不能隨意改寫操作數(shù)據(jù)（移動量和速度）。因此，I/O 控制僅限于按負載預(yù)先確定操作模式的應(yīng)用程序。這些缺點可以通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器通過 Modbus RTU 控制和工廠自動化 (FA) 網(wǎng)絡(luò)控制來解決。

4.2. Modbus RTU 控制

Modbus 是主要與 PLC 一起使用的串行通信協(xié)議（通信程序），由 Modicon Inc. (AEG Schneider Automation International SAS) 開發(fā)。其協(xié)議規(guī)范已在全球發(fā)布。它已被用于許多工業(yè)領(lǐng)域，例如條形碼閱讀器、RFID（IC 標簽等）、位移傳感器、稱重傳感器、熱調(diào)節(jié)器和視覺傳感器（相機）。許多設(shè)備，例如逆變器，現(xiàn)在都與 Modbus 兼容。為了通過主機 PLC 使用 Modbus 控制，需要一個串行通信模塊（參見圖 12）。

對于觸摸屏，大多數(shù)廠商都標配了Modbus通訊協(xié)議，因此只要設(shè)置好Modbus RTU的串口通訊方式，就可以輕松通訊。如上所述，Modbus 有多種連接設(shè)備。由于Oriental Motor的產(chǎn)品能夠?qū)⒍噙_31個軸連接到一個Modbus主控制器，因此可以降低成本，因為不需要PLC的定位模塊。Modbus控制的能力在于，除了可以啟動和停止電機外，還可以自由改寫運行量和速度等運行數(shù)據(jù)，這是I/O控制無法做到的。運行電流等參數(shù)也可以更改。此外，它還能夠獲取各種信息，例如報警代碼、

這些優(yōu)點不僅適用于 Modbus 控制，還適用于通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器進行的工廠自動化 (FA) 網(wǎng)絡(luò)控制，這將在下一節(jié)中進行討論。以下是結(jié)合 I/O 控制和 Modbus 控制的應(yīng)用示例（參見圖 13）。一般情況下，I/O控制驅(qū)動電機，需要變更移動量和速度時（機型變更等）使用觸摸屏。

這種配置以“最低成本”實現(xiàn)，減少了PLC編程的設(shè)計工時。此外，I/O 控制的啟動時間約為 10ms，因此可以縮短節(jié)拍時間。

對于變頻器的控制，過去以模擬電壓或模擬量的速度指令為主流方式，但近來以Modbus通訊方式的數(shù)字控制方式逐漸普及（見圖14）。

與模擬控制相反，通過Modbus通信進行數(shù)字控制的優(yōu)點是數(shù)字控制抗噪聲能力強，可以延長配線長度。Oriental Motor的無刷BLE系列調(diào)速電機兼容Modbus RTU控制。

4.3. 工廠自動化 (FA) 網(wǎng)絡(luò)控制（通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器）

工廠自動化 (FA) 網(wǎng)絡(luò)控制有幾種領(lǐng)先的協(xié)議，例如 DeviceNet、CC-Link、MECHATROLINK、SSCNET、Modbus 和 CANopen。最近，其他網(wǎng)絡(luò)控制，例如基于以太網(wǎng)的 EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET 和 CC-Link/IE，開始流行起來。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器是一種協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，將FA網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus（RT）/ RS-485協(xié)議，以便在各種FA網(wǎng)絡(luò)下控制FLEX工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)品（參見圖15）。

在網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器方面，東方馬達提供多種兼容Ether-CAT、CC-Link、MECHATROLINK-II、MECHATROLINK-III的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，以滿足網(wǎng)絡(luò)需求。

換句話說，無需修改位于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器下方的驅(qū)動器和電機等產(chǎn)品的機構(gòu)設(shè)計或圖表，這使其能夠與各種FA工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信兼容，從而減少了設(shè)計工時。通過使用網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器，可以輕松實現(xiàn)與每個網(wǎng)絡(luò)兼容的設(shè)備變化。

由于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器與多種網(wǎng)絡(luò)兼容，因此需要的布線更少，而 I/O 控制則需要對多個 I/O 信號進行布線。不僅布線變得更簡單，而且布線工作和錯誤也減少了。在效能和成本方面，隨著電機數(shù)量的增加，其優(yōu)勢效應(yīng)越來越大。

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器通過FA網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)電機的啟停，設(shè)置參數(shù)和運行數(shù)據(jù)，如移動量和速度，監(jiān)控電機的定位信息，獲取報警代碼。從主機 PLC 的角度來看，電機和驅(qū)動器似乎直接連接到 FA 網(wǎng)絡(luò)，因此無需識別位于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器下方的 RS-485 通信控制。此外，電機的啟動和停止控制與 I/O 控制一樣，因此 PLC 編程可以保持非常簡單。

5.網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器

從主機 PLC 的 FA 網(wǎng)絡(luò)（主站）的角度來看，只有一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器。由于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器下可連接10臺以上的驅(qū)動器，因此可連接電機的最大數(shù)量超過了FA網(wǎng)絡(luò)規(guī)格。因此，無需再增加主機主機，從而節(jié)省成本。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器是讓設(shè)備“降低整體成本”的產(chǎn)品。

5.1. 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)

為了讓一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器控制多個電機，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器確保內(nèi)存范圍（參見圖 16）。

內(nèi)存范圍主要由兩組組成；一個是用于電機控制的“遠程I/O”，另一個是讀寫運行數(shù)據(jù)（行程量和速度）和參數(shù)的“遠程寄存器”。遠程 I/O 在網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器下具有驅(qū)動程序的所有 I/O 信息。其目的是通過使用遠程 I/O 同時控制多個電機來降低整體系統(tǒng)成本，而無需增加主控設(shè)備的數(shù)量。

如表 2 所示，遠程 I/O 在電機的啟動和停止中起著核心作用，這個概念是從具有簡單的 I/O 開/關(guān)信號的網(wǎng)絡(luò)繼承而來的，可以輕松地控制電機。網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器執(zhí)行 RS-485 通信，同時從最小的軸號開始向驅(qū)動器分配信號，并按每個驅(qū)動器的固定間隔按升序（這稱為輪詢）。按照編號（1）到（12）對應(yīng)的順序進行通信（如圖16所示）。

因為輪詢是在所有驅(qū)動器上完成的，所以涉及電機控制的遠程 I/O 始終具有最新信息。另一方面，讀取和寫入數(shù)據(jù)的遠程寄存器采用了只訪問指定軸號的方法。圖16是遠程寄存器只訪問5軸驅(qū)動器的例子（參考圖16中的（11）和（12））。

5.2. 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器的通信延時

由于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器以每個驅(qū)動器的恒定頻率（1ms 周期）與驅(qū)動器進行通信，因此連接的驅(qū)動器數(shù)量越多，RS-485 通信時間延遲就越長。

如圖 17 所示，通信延遲主要分為三個因素；(1) PLC 的梯形掃描時間 (tLD)， (2) FA 網(wǎng)絡(luò)的時間延遲 (tFA)，以及 (3) RS-485 的總時間延遲 (t485)。

整個系統(tǒng)的時間延遲 (tio) 可通過以下公式獲得。整個系統(tǒng)的延遲表示通過遠程 I/O 的啟動時間延遲。例如，它是從上位主機發(fā)出的 START 信號打開到電機開始移動的時間延遲。

關(guān)于 (3) RS-485 的總時間延遲，它會隨著連接的驅(qū)動器數(shù)量的增加而變大，因為每個驅(qū)動器的輪詢周期約為 1 毫秒。另外，因為（2）和（3）都是異步通信，所以（3）的RS-485通信周期最多需要2個周期。因此，③RS-485的總延時由式（2）得到。

因此，整個系統(tǒng)的時間延遲由等式（1）和（2）獲得，即（3）。

使用公式（3），以下示例說明使用 CC-Link 轉(zhuǎn)換器的情況：假設(shè)只有一個網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器連接到 CC-Link 通信線路，并且 (2) FA 網(wǎng)絡(luò)的時間延遲（CC-Link 通信的時間延遲）約為 4ms 往返，而 tLD（PLC 的梯形圖掃描時間）為 1ms。圖 18 顯示了公式（3）的計算結(jié)果。

根據(jù)圖 18，當連接的 12 臺 PLC 的啟動信號同時打開時，大約 30 毫秒后電機開始移動。需要注意的是，從上位PLC發(fā)送到變頻器接收的啟動信號是通過RS-485通訊分配的。因此，12 臺電機按照軸號從低到高的順序開始運行，延遲最少為 1ms（最多可以延遲 2 個周期）。

由于所有軸都有遠程I/O，啟動電機時的電機控制可由公式（3）得到。

但是，由于移動量變更等的數(shù)據(jù)傳送用的遠程寄存器1個單位，所以為了改寫多個驅(qū)動器的移動量，需要傳送連接的多個驅(qū)動器的數(shù)據(jù)。

以下概念解釋了數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生的數(shù)據(jù)傳輸時間延遲：

對于移動量變更等數(shù)據(jù)傳送，在遠程寄存器中設(shè)置命令代碼、軸編號和數(shù)據(jù)后，命令執(zhí)行請求 (D-REQ) 變?yōu)?ON 以開始執(zhí)行。

數(shù)據(jù)傳輸按單位更改，因此在更改下一個單位的數(shù)據(jù)之前必須關(guān)閉命令執(zhí)行請求 (D-REQ)。通過 PLC 編程關(guān)閉命令執(zhí)行請求 (D-REQ)，同時確保打開命令處理完成 (D-END)（參見圖 19）。

因此，為了傳輸單個數(shù)據(jù)，需要打開和關(guān)閉命令執(zhí)行請求（D-REQ）。相應(yīng)地，數(shù)據(jù)傳輸時間延遲可以通過公式(4)獲得。

根據(jù)圖 20，如果每個驅(qū)動器連接 6 個單元，例如，重寫行駛量和速度時數(shù)據(jù)傳輸時間延遲約為 400ms（數(shù)據(jù)傳輸總數(shù)為 12 次）。

6.總結(jié)

FLEX工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信的使用有助于整體設(shè)備的“成本降低”和“設(shè)備啟動時間的縮短”。此外，F(xiàn)LEX兼容常用的控制方法，因此可以根據(jù)用戶的需要自由選擇合適的控制方法。換句話說，它可以靈活地連接設(shè)備而不受主機系統(tǒng)的束縛，從而增加了設(shè)備設(shè)計的選擇范圍。在FLEX產(chǎn)品線中，步進電機、線性執(zhí)行器、空心旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和無刷直流電機可供選擇，這些電機可以在相同的連接條件下“連接”。為了進一步兼容多樣化的FA網(wǎng)絡(luò)，東方馬達將繼續(xù)擴大網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線以及FLEX產(chǎn)品線

審核編輯：湯梓紅