羅克韋爾自動化IEEE1588在分散運動控製係統中的應用
2026-04-28 05:59:09
［關鍵詞］：
摘 要:
本文說明IEEE1588在一個分布運動控製係統中的應用。目前的解決方案是依靠分散運動部件對時間同步的專門實現。隨著IEEE1588標準的出現，可以開發一種在標準網絡(如以太網)上使用商用技術的運動控製解決方案。本文通過一個範例說明在一個網絡內IEEE1588和運動的基本操作。這是開發CIP Sync同步原理工作中的結果。
引言
本文說明IEEE1588在一個分散運動控製係統中的應用，目前的解決方案依靠分散運動部件對時間同步的專門實現。隨著IEEE1588的出現，可以開發一種在標準網絡(如以太網)上使用商用技術的運動控製解決方案。本文要說明在一個網絡範例內IEEE1588和運動的基本操作。
分fen散san運yun動dong控kong製zhi要yao求qiu係xi統tong節jie點dian之zhi間jian緊jin密mi地di同tong步bu，通tong常chang這zhe要yao求qiu在zai係xi統tong內nei時shi鍾zhong間jian的de波bo動dong是shi微wei秒miao數shu量liang級ji。更geng高gao性xing能neng的de應ying用yong驅qu動dong將jiang這zhe個ge性xing能neng提ti高gao到dao幾ji分fen一yi微wei秒miao範fan圍wei。當dang前qian的de解jie決jue方fang案an是shi使shi用yong適shi當dang的de網wang絡luo和he接jie口kou部bu件jian達da到dao使shi分fen散san係xi統tong內nei節jie點dian間jian的de緊jin密mi同tong步bu。定ding製zhi的de接jie口kou卡ka控kong製zhi整zheng個ge係xi統tong時shi鍾zhong的de分fen配pei和he同tong步bu以yi及ji控kong製zhi數shu據ju的de定ding時shi傳chuan送song。
IEEE1588精確時間協議提供分布網絡上的標準化的同步機製，通過使用IEEE1588協議就可在標準網絡上用標準化的解決方案取代專用解決方案。就可用現成的部件代替專用的網絡接口部件。
現使用IEEE1588協議和以太網實現一個簡單的分布運動控製係統，用以演示這個原理。
範例說明
範例運動係統由三個控製器組成，每個控製器通過一個SERCOS適配器連接一個驅動器。SERCOS是連接數字驅動器的工業標準。所有的運動節點都用以太網卡連接到標準的以太網。
調節器內的“運動計劃器”管理每個驅動器的位置信息，以控製點動、移動、和聯動操作。每個驅動器作為一個運動軸，其中一個軸是主軸，其它兩個為從動軸。每個從動軸都與主軸以1：1的比率聯動。連接到主軸的控製器以一定時間間隔向連接到從動軸的控製器發送位置基準。
在係統內所有節點的時鍾是同步的，它使用IEEE1588協議達到以太網的時鍾同步。在底板上的時鍾同步是用先與IEEE1588的專用協議實現的。
係統時鍾同步
網絡時鍾同步是在以太網適配卡上實現的，這個適配卡包含一個FPGA硬件輔助電路，用於對進入和輸出的IEEE1588協議報文打上時間印記。這個FPGA包含一個64位，每片25納秒的高分辨率的可調諧時鍾。
1588協議運行在一個50MHz PowerPC CPU上，1588代碼和按1588協議的規定的FPGA交互作用使從站的時間與子網上與此相關的主站時鍾同步。調諧算法在每個1588同步刷新周期調節這個FPGA可調諧時鍾的頻率。
這個適配器也包含一個連接底版的接口芯片，底版芯片的時鍾與1588時鍾同步。在這個適配器上的底版接口作為主時鍾，在底版上的其它時鍾都與這個適配器上的主時鍾同步。底版時鍾與1588時鍾的同步使用一個簡單的算法。這個適配器表示一個1588邊界時鍾節點而底版時鍾劃為“外部”時鍾。
運動的同步
jibendeyundongkongzhiyaoqiuzaiyigejiediandeyundongrenwudeyunxingyaoyuqitasuoyoujiediantongbu。jiedianzhijiandesuoyoushiwudoujianlizaitongbushuaxinzhouqijichushang。duikongzhiqiyuchuandonghekongzhiqiyukongzhiqizhijiandeliangzhongshiwushixiangtongde。
控製器對驅動的事務：在(zai)周(zhou)期(qi)的(de)開(kai)始(shi)控(kong)製(zhi)器(qi)發(fa)送(song)插(cha)值(zhi)位(wei)置(zhi)刷(shua)新(xin)每(mei)個(ge)驅(qu)動(dong)器(qi)，驅(qu)動(dong)器(qi)使(shi)用(yong)這(zhe)個(ge)位(wei)置(zhi)刷(shua)新(xin)值(zhi)控(kong)製(zhi)電(dian)機(ji)的(de)閉(bi)環(huan)位(wei)置(zhi)和(he)速(su)度(du)，每(mei)台(tai)驅(qu)動(dong)器(qi)向(xiang)控(kong)製(zhi)器(qi)返(fan)回(hui)它(ta)的(de)實(shi)際(ji)位(wei)置(zhi)，控(kong)製(zhi)器(qi)計(ji)算(suan)一(yi)個(ge)新(xin)位(wei)置(zhi)並(bing)周(zhou)期(qi)重(zhong)複(fu)，這(zhe)個(ge)操(cao)作(zuo)持(chi)續(xu)一(yi)個(ge)位(wei)置(zhi)刷(shua)新(xin)周(zhou)期(qi)。
控製器對控製器的事務：在周期的開始，主軸控製器向每個從動軸發送位置基準，每個從動軸的控製器用這個位置基準計劃本軸的運動。
為了同步整個係統的運動，運動任務和位置的刷新要與1588時鍾同步，FPGA內的一個小電路提供對CPU的周期中斷來觸發這個位置刷新周期。這個電路將一個裝入目標寄存器的時間與當前的1588時鍾時間比較，在當前時間與目標時間符合時產生一個中斷。在這個中斷子程序內，CPU還會裝入一個新的目標時間，它等於當前目標時間加上周期時間，然後重複這個過程。周期時間和相位是在節點配置過程中設置的。
1588的實現
1588協議是一個運行在適配器上的C/C++工具，大多數1588協議的實現包括同步，診斷，延時請求，延時響應和報文管理。
1588引導協議用於在啟動時加快時間從站的時鍾同步。實現8個同步報文的引導。
這裏未提供“最佳主站”算法，本係統使用“推薦”主站選擇方法決定子網絡的主時鍾。在啟動時從站時鍾無限期地收聽主時鍾。從時鍾永遠不會成為主時鍾。也不會任命一個以上“推薦”主站。
為主時鍾完整性的監視提供某些支持，如果一個從時鍾發現失去主時鍾，它將停止它的底版時鍾，這將引起SERCOS適配器關閉SERCOS環路，並且所有運動停止。
輸出同步
zaifanliyingyongzhongxuyaogenjuzhuzhoudeweizhijingquedijietonghuoduankaiyigeshuchu。yongzhegeshuchuchufayigexuantongdeng，zhaoliangsuoyousangezhoudexiangwei。weiledadaojingquedeshuchuzhamen，shiyongyigetebiedeshuchuzujian，tadeshizhongyuxitongzhongdeqiyushizhongtongbu，youkongzhiqineideyundongjihuaqixiangzhegezujianfasongyigeshuchuzhi，zhegezhidaizheshijianbiaojizhishishifangshuchuhuotingzhishuchudeshijian。shuchuzujianshiyongxianqianshuomingguoderenwutongbudianluguanlishuchude“定時”以達到精確的輸出時間。
GPS作為最高主時鍾
本運動係統範例的啟動時間缺省為時間為0的UTC時間。對運動係統通常不需要絕對時間，但對一些明顯的事件如故障條件，時間標記可能很有用處。所以這裏集成了一個全球定位係統(GPS)接口，用於提供精確的UTC時間源。並用作係統的最高主時鍾。這個接口集成在以太網適配器模塊上，適配器上的算法從GPS接收器接收“秒脈衝”和UTC刷新，並調節它的本地時鍾維持與GPS的同步。
結論
提供的1588在以太網分布運動係統的應用例子是可靠和精確的應用。硬件輔助電路提供的主時鍾和從時鍾之間的起伏精度不大於200納秒。當使用GPS作為主時間基準時，在從時鍾的累計波動為500納秒。如果耒自GPS接收器的秒脈衝信號的邊沿不清晰，還會產生附加的波動。
本例子展示的是一個相對較小的係統，還需要更大的範例和在各種負載條件下進行測試。 這是開發CIP Sync同步原理工作中的結果。
這裏表述的想法、觀點和建議隻是為說明作者對使用CIP網絡的可能性的概念，並不反映ODVA的想法、觀點和建議。由於CIP網絡可用於各種不同的情況，可融入各製造商的各種產品和係統。因此試圖使用的讀者和特定CIP網絡的從業者應自行決定這裏表述的想法、觀點和建議是否適合你的應用條件。
本文說明IEEE1588在一個分布運動控製係統中的應用。目前的解決方案是依靠分散運動部件對時間同步的專門實現。隨著IEEE1588標準的出現，可以開發一種在標準網絡(如以太網)上使用商用技術的運動控製解決方案。本文通過一個範例說明在一個網絡內IEEE1588和運動的基本操作。這是開發CIP Sync同步原理工作中的結果。
引言
本文說明IEEE1588在一個分散運動控製係統中的應用，目前的解決方案依靠分散運動部件對時間同步的專門實現。隨著IEEE1588的出現，可以開發一種在標準網絡(如以太網)上使用商用技術的運動控製解決方案。本文要說明在一個網絡範例內IEEE1588和運動的基本操作。
分fen散san運yun動dong控kong製zhi要yao求qiu係xi統tong節jie點dian之zhi間jian緊jin密mi地di同tong步bu，通tong常chang這zhe要yao求qiu在zai係xi統tong內nei時shi鍾zhong間jian的de波bo動dong是shi微wei秒miao數shu量liang級ji。更geng高gao性xing能neng的de應ying用yong驅qu動dong將jiang這zhe個ge性xing能neng提ti高gao到dao幾ji分fen一yi微wei秒miao範fan圍wei。當dang前qian的de解jie決jue方fang案an是shi使shi用yong適shi當dang的de網wang絡luo和he接jie口kou部bu件jian達da到dao使shi分fen散san係xi統tong內nei節jie點dian間jian的de緊jin密mi同tong步bu。定ding製zhi的de接jie口kou卡ka控kong製zhi整zheng個ge係xi統tong時shi鍾zhong的de分fen配pei和he同tong步bu以yi及ji控kong製zhi數shu據ju的de定ding時shi傳chuan送song。
IEEE1588精確時間協議提供分布網絡上的標準化的同步機製，通過使用IEEE1588協議就可在標準網絡上用標準化的解決方案取代專用解決方案。就可用現成的部件代替專用的網絡接口部件。
現使用IEEE1588協議和以太網實現一個簡單的分布運動控製係統，用以演示這個原理。
範例說明
範例運動係統由三個控製器組成，每個控製器通過一個SERCOS適配器連接一個驅動器。SERCOS是連接數字驅動器的工業標準。所有的運動節點都用以太網卡連接到標準的以太網。
調節器內的“運動計劃器”管理每個驅動器的位置信息，以控製點動、移動、和聯動操作。每個驅動器作為一個運動軸，其中一個軸是主軸，其它兩個為從動軸。每個從動軸都與主軸以1：1的比率聯動。連接到主軸的控製器以一定時間間隔向連接到從動軸的控製器發送位置基準。
在係統內所有節點的時鍾是同步的，它使用IEEE1588協議達到以太網的時鍾同步。在底板上的時鍾同步是用先與IEEE1588的專用協議實現的。
係統時鍾同步
網絡時鍾同步是在以太網適配卡上實現的，這個適配卡包含一個FPGA硬件輔助電路，用於對進入和輸出的IEEE1588協議報文打上時間印記。這個FPGA包含一個64位，每片25納秒的高分辨率的可調諧時鍾。
1588協議運行在一個50MHz PowerPC CPU上，1588代碼和按1588協議的規定的FPGA交互作用使從站的時間與子網上與此相關的主站時鍾同步。調諧算法在每個1588同步刷新周期調節這個FPGA可調諧時鍾的頻率。
這個適配器也包含一個連接底版的接口芯片，底版芯片的時鍾與1588時鍾同步。在這個適配器上的底版接口作為主時鍾，在底版上的其它時鍾都與這個適配器上的主時鍾同步。底版時鍾與1588時鍾的同步使用一個簡單的算法。這個適配器表示一個1588邊界時鍾節點而底版時鍾劃為“外部”時鍾。
運動的同步
jibendeyundongkongzhiyaoqiuzaiyigejiediandeyundongrenwudeyunxingyaoyuqitasuoyoujiediantongbu。jiedianzhijiandesuoyoushiwudoujianlizaitongbushuaxinzhouqijichushang。duikongzhiqiyuchuandonghekongzhiqiyukongzhiqizhijiandeliangzhongshiwushixiangtongde。
控製器對驅動的事務：在(zai)周(zhou)期(qi)的(de)開(kai)始(shi)控(kong)製(zhi)器(qi)發(fa)送(song)插(cha)值(zhi)位(wei)置(zhi)刷(shua)新(xin)每(mei)個(ge)驅(qu)動(dong)器(qi)，驅(qu)動(dong)器(qi)使(shi)用(yong)這(zhe)個(ge)位(wei)置(zhi)刷(shua)新(xin)值(zhi)控(kong)製(zhi)電(dian)機(ji)的(de)閉(bi)環(huan)位(wei)置(zhi)和(he)速(su)度(du)，每(mei)台(tai)驅(qu)動(dong)器(qi)向(xiang)控(kong)製(zhi)器(qi)返(fan)回(hui)它(ta)的(de)實(shi)際(ji)位(wei)置(zhi)，控(kong)製(zhi)器(qi)計(ji)算(suan)一(yi)個(ge)新(xin)位(wei)置(zhi)並(bing)周(zhou)期(qi)重(zhong)複(fu)，這(zhe)個(ge)操(cao)作(zuo)持(chi)續(xu)一(yi)個(ge)位(wei)置(zhi)刷(shua)新(xin)周(zhou)期(qi)。
控製器對控製器的事務：在周期的開始，主軸控製器向每個從動軸發送位置基準，每個從動軸的控製器用這個位置基準計劃本軸的運動。
為了同步整個係統的運動，運動任務和位置的刷新要與1588時鍾同步，FPGA內的一個小電路提供對CPU的周期中斷來觸發這個位置刷新周期。這個電路將一個裝入目標寄存器的時間與當前的1588時鍾時間比較，在當前時間與目標時間符合時產生一個中斷。在這個中斷子程序內，CPU還會裝入一個新的目標時間，它等於當前目標時間加上周期時間，然後重複這個過程。周期時間和相位是在節點配置過程中設置的。
1588的實現
1588協議是一個運行在適配器上的C/C++工具，大多數1588協議的實現包括同步，診斷，延時請求，延時響應和報文管理。
1588引導協議用於在啟動時加快時間從站的時鍾同步。實現8個同步報文的引導。
這裏未提供“最佳主站”算法，本係統使用“推薦”主站選擇方法決定子網絡的主時鍾。在啟動時從站時鍾無限期地收聽主時鍾。從時鍾永遠不會成為主時鍾。也不會任命一個以上“推薦”主站。
為主時鍾完整性的監視提供某些支持，如果一個從時鍾發現失去主時鍾，它將停止它的底版時鍾，這將引起SERCOS適配器關閉SERCOS環路，並且所有運動停止。
輸出同步
zaifanliyingyongzhongxuyaogenjuzhuzhoudeweizhijingquedijietonghuoduankaiyigeshuchu。yongzhegeshuchuchufayigexuantongdeng，zhaoliangsuoyousangezhoudexiangwei。weiledadaojingquedeshuchuzhamen，shiyongyigetebiedeshuchuzujian，tadeshizhongyuxitongzhongdeqiyushizhongtongbu，youkongzhiqineideyundongjihuaqixiangzhegezujianfasongyigeshuchuzhi，zhegezhidaizheshijianbiaojizhishishifangshuchuhuotingzhishuchudeshijian。shuchuzujianshiyongxianqianshuomingguoderenwutongbudianluguanlishuchude“定時”以達到精確的輸出時間。
GPS作為最高主時鍾
本運動係統範例的啟動時間缺省為時間為0的UTC時間。對運動係統通常不需要絕對時間，但對一些明顯的事件如故障條件，時間標記可能很有用處。所以這裏集成了一個全球定位係統(GPS)接口，用於提供精確的UTC時間源。並用作係統的最高主時鍾。這個接口集成在以太網適配器模塊上，適配器上的算法從GPS接收器接收“秒脈衝”和UTC刷新，並調節它的本地時鍾維持與GPS的同步。
結論
提供的1588在以太網分布運動係統的應用例子是可靠和精確的應用。硬件輔助電路提供的主時鍾和從時鍾之間的起伏精度不大於200納秒。當使用GPS作為主時間基準時，在從時鍾的累計波動為500納秒。如果耒自GPS接收器的秒脈衝信號的邊沿不清晰，還會產生附加的波動。
本例子展示的是一個相對較小的係統，還需要更大的範例和在各種負載條件下進行測試。 這是開發CIP Sync同步原理工作中的結果。
這裏表述的想法、觀點和建議隻是為說明作者對使用CIP網絡的可能性的概念，並不反映ODVA的想法、觀點和建議。由於CIP網絡可用於各種不同的情況，可融入各製造商的各種產品和係統。因此試圖使用的讀者和特定CIP網絡的從業者應自行決定這裏表述的想法、觀點和建議是否適合你的應用條件。