软运动的新趋势

多核处理器，FPGA和微控制器重新定义运动控制

肌肉是不够的。为了使运动系统有效地运行，它需要某种全面的指挥能力，无论这种指挥能力是来自于一个中心，还是分布于各个轴的基础上。就像从半导体加工到码头起重机的应用一样，控制解决方案也有很大的不同。今天，供应商正在拓宽传统的plc /运动控制器设计，提供从多核计算机处理器到嵌入式微控制器到fpga的替代控制解决方案。让我们仔细看看。

多年来，PLC是电子机器控制的主要工具。随着轴的计数攀登和路径规划变得更加复杂，计算负担传递给专用运动控制器。添加板载内存和处理电源以驱动器允许它们支持分布式控制体系结构，菊花链式驱动器在主从配置中。同一时间段看到软动作的出现 - 从PC转换为微控制器。

软运动是在软件而不是硬件上执行功能的更大趋势的一种表达，例如软件定义的无线电技术。ARC咨询集团(ARC Advisory Group)研究主管萨尔•斯帕达(Sal Spada)表示，从某种程度上讲，软运动源于大众的需求。“通常情况下，机器制造商不得不转向所谓的PC平台，因为他们无法从标准PLC平台获得所需的性能。”工业自动化市场不断变化的需求超过了plc的设计周期，导致机器制造商寻求其他选择。软运动允许工业用户利用更大的个人电脑市场的进步，以及规模经济，以获得更多的计算能力。

忘记电脑和Windows操作系统的蓝屏死机吧。支持软性运动的电脑不会像家用电脑那样面临同样的危险。该软件是为互操作性而设计的，系统只执行少量明确定义的任务。担心通过以太网这样基于分组的系统进行通信的确定性吗?咨询公司的总经理贾森•戈尔吉斯(Jason Goerges)表示，不要这样做ACS运动控制(布卢明顿,明尼苏达州)。“软运动这个名字让人联想到一些想法，即不完全确定性，也不像专用的基于硬件的系统那样高性能，”他观察到。“根据我们的经验，软运动实际上是相反的。”

在某些情况下，实现对最终用户是透明的;在其他情况下，制造商将PC卡嵌入到他们自己的外壳中，导致产品看起来非常像plc，即使它们是基于PC的。在这两种情况下，客户最关心的是解决方案是否提供了他们需要的性能和可靠性级别。

动软
软运动最直接的实现是在商用工业PC上运行的应用程序，再加上智能驱动器。在这种情况下，硬件平台对软件是透明的。该公司市场营销总监卡尔•迈耶表示:“它的核心功能是向驱动器发送指令，所以运动智能可以在驱动器中，而路径指令则在软件中。先进的运动控制（Camarillo，加利福尼亚州）。该特定系统在PLCOPEN定义的功能块编程上运行IEC 61131标准（见图1）。用户可以利用现有功能块的库;包括可以将C ++代码转换为功能块的专有块。

一些供应商使用硬件/软件组合解决方案，例如多核处理器。ACS从一个基于硬件的解决方案开始，这是一个利用PCI总线通信的嵌入式多处理器体系结构。这是一种旨在提供足够带宽的方法，以支持超高速/性能应用程序或集成额外功能(如机器视觉)的系统。最近，该公司升级了其架构，利用多核pc实现软运动，并依赖实时以太网(EtherCAT)为电机放大器等设备提供通信。为了实现软运动，他们从一个核心中删除Windows，并实现一个专有的实时操作系统(RTOS)。运行实时操作系统的核心专注于运动和时间敏感的机器控制任务，并且不受系统其他部分的影响。同时，基于windows的核心可以处理非关键任务，如HMI接口或离线模拟。

它是一种方法，它能够在不将系统暴露于Windows操作系统的稳定性的情况下，提供了软运动的好处。“如果您从实时软动作逻辑上逻辑隔离非实时应用，那么您可以实现独立性，”Goorges说。“你可能会在Windows中获得蓝屏，但您的柔软运动仍将继续运行。”

这两个核心通过高速虚拟TCP / IP以太网链路和共享RAM进行通信。该公司正在努力扩展其平台，以支持下一代CPU的加工能力增加，这对于实现冗余环型架构等新功能至关重要，以确保弹性网络。

嵌入式解决方案
下一级别的嵌入式控件是由伦茨(Uxbridge，马萨诸塞州)，它包括一个基于ARM Cortex MCU的软运动平台，取代了标准的PLC/运动控制器组合。ARM Cortex为经典的嵌入式电子产品设计，提供有限的功能。它不能做同步运动，但它可以处理非常简单的定位和电子传动装置，同时保持紧凑，经济，高效。

对于更复杂的运动任务，该公司提供了一种基于英特尔处理器的嵌入式解决方案，可以处理数十个轴。它还可以处理一些任务，例如同时控制4或5个额外的轴来协调一个delta机器人手臂的控制(见图2)。

为了将这个解决方案扩展到即使是高性能处理器也很吃力的应用程序，需要一个同样是可编程的解决方案，但是在硬件中。将嵌入式处理器与用户可编程FPGA相结合，可以在硬件中实现一些控制逻辑和I/O触发，而轨迹生成和更高级别的进程仍然在处理器上运行。有了这个解决方案，用户可以在他们需要的超高速下获得他们想要的灵活性。该公司产品营销经理内特•霍姆斯表示:“这两种技术的结合能够真正应用于人们在特定任务中发挥极限的应用。国家文书(德克萨斯州奥斯汀)。“你可以使用这种方法来解决具有各种形式因素和要求的各种应用。”例如，支持半导体制造中300mm晶圆工艺的阵列可以很容易地重新编程来处理450mm晶圆。

平台的基本理念之一是可访问性。通常，FPGA编程需要掌握机器级语言，如VHSIC硬件描述语言(VDHL)。NI平台使用户可以很容易地对数组进行编程，而无需密集的编程经验。

模拟
除了平台，SPADA考虑了在开发工具中的真正进步。“就这些平台提供的仿真和诊断工具而言，”巨大突破，“他说。“它在10年前没有提供的运动控制系统上的工程工具。他们可以很容易地解决非常微妙的运动控制问题而没有很多专业知识。”

今天的柔软运动平台使得易于与传统控制器不可能的方式集成模拟。“软动作允许您使用人们为主控制系统开发的所有其他工具：仿真，控制设计，基于模型的控制，”福尔摩斯说。“之前，这些可能不会在运动控制器上运行。它是一个固定功能框。现在，您可以立即使用所有这些其他工具。”模拟允许设计团队在进程中提前了解电机，驱动器等的明智决策。今天的平台可以生成高级算法，验证性能离线，然后自动生成代码。设计，集成和调整过程都变得更加高效。

当然，拥有工具并不能保证市场将使用它们。在广泛采用新技术之前，需要通过几种机械循环，这可能需要五到六年。“我认为，与实际应用的东西真的有可能存在滞后，”Spada说。“90％的机器建造者甚至可能甚至没有触及这些类型的技术，而是在一些市场中，他们需要每次曝光他们可以的表现一点。当你做纳米型控制等事情时，看看这些类型的解决方案是绝对必要的。“当然，在市场部门的早期采用者也是在竞争中获得优势的好方法。

公平地说，软动作的可编程性和开放性确实存在一些缺陷。一个问题是，如果大部分系统操作是开放的，软件是可编程的，那么机器制造者是否能保证性能。福尔摩斯问道:“你如何证明你的系统每次都会以相同的方式出现故障?”“如果它是可配置的，终端用户可以进入并改变它。虽然开放为最终用户创造了价值，但它也使保持系统行为的一致性和可靠性变得更具挑战性。”

另一个挑战是，完全习惯于更换控制器盒的维护技术人员可能不具备解决软动作软件层问题的正确技能。从好的方面看，今天的网络组件允许OEM或集成商登录到一个设备上，甚至可以跨越半个地球来解决软件问题和应用更新。

随着这项技术的能力越来越强，但也越来越复杂，问题是如何以一种既有效又安全的方式，让它进入机器制造商、工厂等更大的市场。“我认为这是很多人都在挣扎的问题，”霍姆斯说。“是的，他们想要更快的运营和更高的产量，但要做到这一点，他们觉得需要一个控制专家来让它发挥作用。我不认为这是一个长期可维护的解决方案。我们需要改进技术，但它需要以人们可以使用的方式进行包装。”正如最新的软运动条目所显示的那样，该行业正在朝着提供用户友好的解决方案，以提高性能并加快正确应用程序的开发时间方面迈出了巨大的步伐。

致谢
感谢Lenze自动化组主管Craig Dahlquist的有益对话。