ตัวควบคุมมอเตอร์การสื่อสารอีเทอร์เน็ต: โปรโตคอล การรวม และการเลือก

เหตุใดอีเธอร์เน็ตจึงเข้ามาแทนที่ Fieldbus รุ่นเก่าในการควบคุมมอเตอร์

เป็นเวลากว่าสองทศวรรษที่โปรโตคอลที่ใช้ RS-485 เช่น Modbus RTU และ CANopen ครอบงำการสื่อสารควบคุมมอเตอร์ มีความน่าเชื่อถือ กำหนดได้ชัดเจน และราคาถูกในการดำเนินการ นอกจากนี้ยังช้า มีข้อจำกัดในด้านโทโพโลยี และไม่สอดคล้องกับความต้องการข้อมูลของสายการผลิตอัตโนมัติสมัยใหม่มากขึ้นเรื่อยๆ การเปลี่ยนไปใช้อีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมไม่ได้ขับเคลื่อนโดยแฟชั่น แต่ขับเคลื่อนโดยคณิตศาสตร์

โดยทั่วไประบบฟิลด์บัสแบบเดิมจะทำงานที่ความเร็ว 1–12 Mbps โดยมีโทโพโลยีเครือข่ายที่จำกัดโหนดไม่กี่สิบโหนดก่อนที่ประสิทธิภาพจะลดลง โปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมทำงานที่ 100 Mbps ถึง 1 Gbps รองรับโหนดหลายร้อยโหนดบนเซ็กเมนต์เครือข่ายเดียว และส่งมอบรอบเวลาต่ำกว่ามิลลิวินาทีที่จำเป็นสำหรับการประสานงานการเคลื่อนที่แบบหลายแกน ตามรายงานส่วนแบ่งตลาดเครือข่ายอุตสาหกรรมปี 2025 ของ HMS Networks ขณะนี้ 79% ของโหนดระบบอัตโนมัติในโรงงานใหม่มาพร้อมกับโปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม แทนที่จะเป็นฟิลด์บัสแบบดั้งเดิม ซึ่งเป็นตัวเลขที่ดูเหมือนจะไม่น่าเชื่อเมื่อทศวรรษที่แล้ว

สำหรับผู้ออกแบบตัวควบคุมมอเตอร์และผู้วางระบบ การเปลี่ยนแปลงนี้มีผลในทางปฏิบัติโดยตรง: อินเทอร์เฟซการสื่อสารไม่ใช่ข้อกำหนดรองอีกต่อไป โดยจะกำหนดว่าตัวควบคุมสามารถทำอะไรได้บ้างในระบบขับเคลื่อนที่มีการประสานงาน วิธีที่จะทำงานร่วมกับ PLC และ HMI และไม่ว่าจะสามารถมีส่วนร่วมในไปป์ไลน์ข้อมูล IIoT โดยไม่ต้องใช้เกตเวย์ตัวกลางหรือไม่ ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านสำหรับการใช้งาน B2B ทางอุตสาหกรรม มีการใช้อินเทอร์เฟซอีเธอร์เน็ตเป็นคุณลักษณะมาตรฐานมากขึ้น แทนที่จะเป็นส่วนเสริมเสริม ซึ่งสะท้อนให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงโปรโตคอลได้เจาะตลาดไดรฟ์อย่างลึกซึ้งเพียงใด

โปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมที่สำคัญสำหรับตัวควบคุมมอเตอร์

โปรโตคอลสี่ประการเป็นสาเหตุของการติดตั้งควบคุมมอเตอร์ที่เชื่อมต่อกับอีเธอร์เน็ตส่วนใหญ่ทั่วโลก แต่ละคนใช้แนวทางสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกันเพื่อความท้าทายหลักเดียวกัน: การส่งข้อมูลการควบคุมที่เชื่อถือได้และคาดการณ์ได้ผ่านฮาร์ดแวร์อีเทอร์เน็ตมาตรฐาน

อีเธอร์แคท (อีเธอร์เน็ตสำหรับเทคโนโลยีการควบคุมอัตโนมัติ) ได้รับการพัฒนาโดย Beckhoff Automation และกลายเป็นมาตรฐาน IEC ในปี 2005 นวัตกรรมที่สำคัญของมันคือ "การประมวลผลได้ทันที": แทนที่จะแต่ละโหนดได้รับแพ็กเก็ตเฉพาะ เฟรม EtherCAT เดี่ยวจะหมุนเวียนผ่านโหนดทาสทั้งหมดตามลำดับ โดยแต่ละโหนดจะอ่านข้อมูลของตัวเองและแทรกข้อมูลการตอบสนองเมื่อเฟรมผ่านไป ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายในการสลับแพ็กเก็ตและให้รอบเวลาต่ำกว่า 100 ไมโครวินาทีโดยมีความกระวนกระวายใจต่ำกว่า 1 ไมโครวินาที ซึ่งเป็นประสิทธิภาพที่ทำให้การซิงโครไนซ์แกนเซอร์โวหลายสิบแกนเป็นไปได้อย่างแท้จริง ที่ เอกสารทางเทคนิคอย่างเป็นทางการของ EtherCAT Technology Group ให้รายละเอียดว่าโปรโตคอลปฏิบัติตาม IEC 61158 ได้อย่างไร ในขณะที่รองรับโทโพโลยีแบบไลน์ ทรี สตาร์ และริงโดยไม่ต้องใช้สวิตช์ที่ได้รับการจัดการ

โปรฟิเน็ต ซึ่งอยู่ภายใต้การควบคุมของ PROFIBUS & PROFINET International (PI) เป็นผู้สืบทอดโดยตรงจาก Profibus และครองตลาดอุตสาหกรรมในยุโรป ทำงานในสองโหมด: โปรฟิเน็ต RT (เรียลไทม์) ที่มีรอบเวลา 1–10 มิลลิวินาทีสำหรับแอปพลิเคชัน I/O มาตรฐาน และ โปรฟิเน็ต ไออาร์ที (เรียลไทม์แบบไอโซโครนัส) ที่มีรอบเวลาต่ำเพียง 250 ไมโครวินาทีสำหรับการควบคุมการเคลื่อนไหวที่แม่นยำ ข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับโครงการปรับปรุงคือการสนับสนุนพร็อกซี Profibus แบบเนทีฟ อุปกรณ์ Profibus ที่มีอยู่สามารถสื่อสารผ่านเครือข่าย PROFINET ผ่านพร็อกซีเกตเวย์ ซึ่งช่วยให้สามารถโยกย้ายทีละน้อยโดยไม่ต้องเปลี่ยนอุปกรณ์ที่ติดตั้ง

อีเธอร์เน็ต/ไอพี ซึ่งดูแลโดย ODVA และสร้างขึ้นบน Common Industrial พิธีสาร (CIP) ที่ซ้อนกันบน TCP/IP และ UDP/IP มาตรฐาน เป็นโปรโตคอลที่โดดเด่นในการผลิตแบบแยกส่วนในอเมริกาเหนือ ทำงานบนโครงสร้างพื้นฐานด้านไอทีแบบเดิมๆ โดยไม่ต้องใช้สวิตช์พิเศษ ช่วยให้สามารถบูรณาการเข้ากับเครือข่ายโรงงานที่มีอยู่ได้อย่างตรงไปตรงมา และสนับสนุนระบบนิเวศที่กว้างขวางของ PLC ไดรฟ์ และโมดูล I/O จากผู้จำหน่ายหลายราย รอบเวลาโดยทั่วไป 2–10 มิลลิวินาทีเหมาะกับการใช้งาน I/O แบบแยกส่วนใหญ่และการใช้งานไดรฟ์ความเร็วปานกลาง การซิงโครไนซ์ที่เข้มงวดยิ่งขึ้นมีให้ใช้งานผ่านส่วนขยาย CIPsync

Modbus TCP เป็นตัวเลือกที่ง่ายที่สุดและได้รับการสนับสนุนอย่างกว้างขวางที่สุด ซึ่งเป็นการแปลโดยตรงของโมเดลรีจิสเตอร์ Modbus RTU แบบคลาสสิกไปยัง TCP/IP ไม่มีการรับประกันแบบเรียลไทม์ ซึ่งทำให้ขาดคุณสมบัติจากบทบาทการควบคุมการเคลื่อนไหวที่ต้องการ แต่การรองรับอุปกรณ์สากลและค่าลิขสิทธิ์เป็นศูนย์ ทำให้เป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงสำหรับการตรวจสอบ การกำหนดค่า และเลเยอร์การบันทึกข้อมูลที่ไม่จำเป็นต้องกำหนดระดับ

การเปรียบเทียบโปรโตคอล: รอบเวลา โทโพโลยี และความเข้ากันได้

การเลือกระหว่างโปรโตคอลเหล่านี้จำเป็นต้องมีคุณลักษณะโปรโตคอลที่ตรงกับข้อกำหนดของแอปพลิเคชัน โดยไม่ใช่การกำหนดค่าเริ่มต้นตามโปรโตคอลที่คุ้นเคยมากที่สุด ตารางด้านล่างสรุปความแตกต่างที่สำคัญของตัวเลือกหลักทั้งสี่:

รูปแบบหนึ่งที่โดดเด่นในข้อมูล: ความได้เปรียบของรอบเวลาของ EtherCAT นั้นไม่ได้น้อยนัก แต่เป็นลำดับความสำคัญที่เร็วกว่า EtherNet/IP ภายใต้เงื่อนไขที่เทียบเท่ากัน สำหรับการใช้งานที่ต้องการการซิงโครไนซ์อย่างแน่นหนากับแกนมอเตอร์หลายแกน เช่น เครื่องมือกล CNC แขนหุ่นยนต์ หรือระบบสายพานลำเลียงที่มีการประสานกัน ช่องว่างดังกล่าวจะแปลงเป็นความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งโดยตรง สำหรับไดรฟ์แบบแกนเดียวในอุปกรณ์กระบวนการมาตรฐาน ความแตกต่างแทบจะไม่สำคัญในทางปฏิบัติ และความคุ้นเคยและความเข้ากันได้ของโครงสร้างพื้นฐานของ EtherNet/IP หรือ PROFINET RT มักจะมีน้ำหนักมากกว่าความเร็วดิบ

โทโพโลยีเครือข่ายยังมีน้ำหนักที่ใช้งานได้จริงอีกด้วย สถาปัตยกรรมเดซี่เชนของ EtherCAT ช่วยลดความจำเป็นในการใช้สวิตช์ที่ได้รับการจัดการ ซึ่งช่วยลดทั้งพื้นที่ตู้และต้นทุนในระบบที่มีโหนดไดรฟ์แบบกระจายจำนวนมาก ข้อกำหนดของ PROFINET IRT สำหรับสวิตช์ที่กำหนดเวลาได้จะเพิ่มต้นทุนโครงสร้างพื้นฐาน แต่ช่วยให้สามารถซิงโครไนซ์นาฬิกาข้ามโหนดที่กระจายทางภูมิศาสตร์ซึ่งโทโพโลยีเชิงเส้นของ EtherCAT ไม่สามารถรองรับได้อย่างง่ายดาย

การรวมการสื่อสารอีเธอร์เน็ตเข้ากับตัวควบคุมมอเตอร์ BLDC

การเพิ่มอินเทอร์เฟซอีเทอร์เน็ตให้กับตัวควบคุมมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่านเกี่ยวข้องกับการตัดสินใจในสามระดับ ได้แก่ ฮาร์ดแวร์กายภาพ เฟิร์มแวร์สแต็กการสื่อสาร และการใช้งานโปรไฟล์ไดรฟ์ในชั้นแอปพลิเคชัน

ในระดับฮาร์ดแวร์ โดยทั่วไปการรวม EtherCAT จะขึ้นอยู่กับ ASIC ตัวควบคุมทาสโดยเฉพาะ เช่น ตระกูล ET1100 หรือ ESC10 ซึ่งจัดการการประมวลผลเฟรมโดยไม่ขึ้นอยู่กับ MCU หลัก การถ่ายข้อมูลนี้ช่วยให้รอบเวลาต่ำกว่า 100 ไมโครวินาที: การประมวลผลอีเธอร์เน็ตไม่เคยแข่งขันกับรอบ CPU ด้วยลูปควบคุมมอเตอร์ การใช้งาน PROFINET และ EtherNet/IP มักใช้โมดูล RAM แบบสองพอร์ตหรือการใช้งานแบบ soft-core บน FPGA ซึ่งให้ความยืดหยุ่นมากกว่า แต่ต้องมีการจัดการเวลาแฝงอย่างระมัดระวังมากขึ้นในสถาปัตยกรรมเฟิร์มแวร์

ที่ระดับเฟิร์มแวร์ โปรไฟล์ไดรฟ์จะกำหนดวิธีที่คำสั่งควบคุมมอเตอร์แมปกับโปรโตคอลเครือข่าย โปรไฟล์ไดรฟ์ CiA 402 ซึ่งเดิมพัฒนาขึ้นสำหรับ CANopen ได้กลายเป็นมาตรฐานเลเยอร์แอปพลิเคชันที่โดดเด่นสำหรับมอเตอร์ไดรฟ์ทั่วทั้ง EtherCAT (ผ่าน CoE, CANopen บน EtherCAT), PROFINET และการใช้งาน EtherNet/IP โดยกำหนดสถานะเครื่องจักรสำหรับการเปิด/ปิดใช้งานไดรฟ์ โหมดการทำงาน (ตำแหน่ง ความเร็ว แรงบิด) และการจัดการข้อผิดพลาดในลักษณะที่เป็นกลางของผู้ขาย ซึ่งช่วยให้การเขียนโปรแกรม PLC ข้ามแบรนด์ตัวควบคุมต่างๆ ง่ายขึ้น โดยทั่วไปแล้ว คอนโทรลเลอร์ที่ใช้ CiA 402 อย่างถูกต้องสามารถใช้งานกับ PLC ใดๆ ก็ตามที่เป็นไปตามมาตรฐาน IEC 61131-3 โดยไม่มีบล็อกฟังก์ชันแบบกำหนดเอง

สำหรับระบบหลายแกนที่มีการประสานงาน การซิงโครไนซ์นาฬิกาแบบกระจายเป็นคุณลักษณะเฟิร์มแวร์ที่สำคัญ กลไกนาฬิกาแบบกระจายของ EtherCAT จะซิงโครไนซ์โหนดทาสทั้งหมดให้อยู่ห่างจากกันภายใน 1 ไมโครวินาที ซึ่งเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการใส่เกียร์แบบอิเล็กทรอนิกส์ การทำโปรไฟล์ลูกเบี้ยว และฟังก์ชันการเคลื่อนไหวแบบซิงโครไนซ์อื่นๆ การดำเนินการนี้อย่างถูกต้องต้องให้ความสนใจอย่างระมัดระวังในการชดเชยความล่าช้าในการแพร่กระจายและการแก้ไขการเคลื่อนตัวของสัญญาณนาฬิกาในเฟิร์มแวร์ทาส ตัวควบคุมมอเตอร์ซีรีย์ T ประสิทธิภาพสูง รวมสถาปัตยกรรมการประมวลผลที่จำเป็นเพื่อรักษาอัตราการอัพเดตลูปปัจจุบันที่จำกัดควบคู่ไปกับการจัดการการสื่อสารผ่านเครือข่าย ซึ่งเป็นความสมดุลที่คอนโทรลเลอร์ระดับเริ่มต้นออกแบบมักจะประนีประนอม

นอกเหนือจากตัวควบคุมไดรฟ์เพียงอย่างเดียวแล้ว การบูรณาการการสื่อสารระดับระบบยังขยายไปยังหน่วยงานกำกับดูแลอีกด้วย หน่วยควบคุมยานพาหนะพร้อมการสื่อสารผ่านเครือข่ายแบบรวม รวบรวมข้อมูลไดรฟ์จากตัวควบคุมมอเตอร์หลายตัว จัดการเครื่องจักรสถานะระดับระบบ และจัดเตรียมเกตเวย์อีเธอร์เน็ตอัปสตรีมสำหรับเทเลเมติกส์และการวินิจฉัยระยะไกล ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่มีความสำคัญมากขึ้นเมื่อกลุ่มยานพาหนะและอุปกรณ์อุตสาหกรรมเคลื่อนไปสู่โมเดลการบำรุงรักษาแบบคาดการณ์ล่วงหน้า สำหรับการใช้งาน EV และ e-bike ที่เบากว่า จักรยานไฟฟ้าและตัวควบคุมมอเตอร์ EV แสง เพิ่มอินเทอร์เฟซ Bluetooth และ CAN เป็นเลเยอร์การสื่อสาร ซึ่งทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่างอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบเรียบง่ายและลูปมอเตอร์ขับเคลื่อน

การเลือกโปรโตคอลที่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันควบคุมมอเตอร์ของคุณ

การเลือกโปรโตคอลไม่ค่อยมีปัจจัยเดียว คำถามหกข้อครอบคลุมพื้นที่การตัดสินใจเชิงปฏิบัติสำหรับการออกแบบระบบควบคุมมอเตอร์ส่วนใหญ่:

1. แอปพลิเคชันการเคลื่อนไหวต้องใช้รอบเวลาใด โดยทั่วไปการประสานงานเซอร์โวแบบหลายแกนจะใช้เวลารอบต่ำกว่า 1 มิลลิวินาที โดยชี้ไปที่ EtherCAT หรือ PROFINET IRT ไดรฟ์ความเร็วตัวแปรแกนเดียวในอุปกรณ์กระบวนการโดยทั่วไปจะทำงานได้อย่างสะดวกสบายที่อัตราการอัปเดต 5–10 มิลลิวินาที โดยที่ EtherNet/IP หรือ PROFINET RT ทำงานได้อย่างเหมาะสม
2. PLC หรือตัวควบคุมการเคลื่อนไหวใดที่มีอยู่ในระบบอยู่แล้ว? นี่มักจะเป็นปัจจัยชี้ขาด คอนโทรลเลอร์ Siemens S7 ชอบ PROFINET; ระบบ Rockwell/Allen-Bradley สร้างขึ้นโดยใช้ EtherNet/IP; แพลตฟอร์มการเคลื่อนไหวของ Beckhoff และ Omron สร้างมาตรฐานบน EtherCAT การข้ามขอบเขตโปรโตคอลสามารถทำได้ผ่านเกตเวย์ แต่จะเพิ่มเวลาแฝงและความซับซ้อนที่กัดกร่อนข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของโปรโตคอลดั้งเดิม
3. เครือข่ายจะรองรับแกนไดรฟ์จำนวนเท่าใด ขีดจำกัดโหนดตามทฤษฎีของ EtherCAT ที่ 65,535 อุปกรณ์บนเครือข่ายเดียวนั้นเกินกว่าการติดตั้งจริงใดๆ มาก แต่โทโพโลยีแบบเดซี่เชนหมายความว่าการเพิ่มโหนดจะทำให้ระยะเวลาการข้ามเฟรมยาวขึ้นเล็กน้อย สำหรับการติดตั้งขนาดใหญ่มากซึ่งมีจุด I/O แบบกระจายหลายร้อยจุด โทโพโลยีแบบดาวที่ใช้สวิตช์ของ PROFINET อาจเสนอรูปแบบทางกายภาพที่ยืดหยุ่นมากขึ้น
4. จำเป็นต้องมีความปลอดภัยในการทำงานที่ Network Layer หรือไม่? ทั้ง EtherCAT (ผ่าน FSoE, ความปลอดภัยในการใช้งานผ่าน EtherCAT) และ PROFINET (ผ่าน PROFIsafe) รองรับการสื่อสารด้านความปลอดภัยตามมาตรฐาน IEC 61508 บนโครงสร้างพื้นฐานสายเคเบิลเดียวกันกับข้อมูลกระบวนการมาตรฐาน EtherNet/IP รองรับ CIP Safety สำหรับแอปพลิเคชันที่เทียบเท่า หากจำเป็นต้องใช้ฟังก์ชันการปิดแรงบิดแบบปลอดภัยหรือความเร็วที่ปลอดภัยของ SIL 2 หรือ SIL 3 ให้ยืนยันว่าเฟิร์มแวร์ความปลอดภัยของตัวควบคุมมอเตอร์ได้รับการรับรองสำหรับการขยายความปลอดภัยของโปรโตคอลที่เลือก
5. โครงสร้างพื้นฐานและข้อจำกัดในการบำรุงรักษามีอะไรบ้าง การกำจัดสวิตช์ที่ได้รับการจัดการของ EtherCAT ช่วยลดความยุ่งยากในการออกแบบตู้และลดจุดความล้มเหลว PROFINET และ EtherNet/IP ใช้ประโยชน์จากโครงสร้างพื้นฐานสวิตช์ไอทีมาตรฐานที่ทีมบำรุงรักษาโรงงานอาจจัดการและสต็อกอะไหล่ไว้แล้ว ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบในทางปฏิบัติในโรงงานโดยไม่ต้องมีความเชี่ยวชาญด้านเครือข่ายอัตโนมัติโดยเฉพาะ
6. คอนโทรลเลอร์จับคู่กับมอเตอร์เป้าหมายอย่างไร โปรโตคอลการสื่อสารและการจับคู่มอเตอร์นั้นขึ้นอยู่กับกันและกัน: ตัวควบคุมที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการสื่อสารเครือข่ายแบนด์วิธสูงจะต้องรักษาอัตราการอัพเดตลูปปัจจุบันตามความต้องการคงที่เวลาทางไฟฟ้าของมอเตอร์ กำลังทบทวน ตัวควบคุมมอเตอร์และคำแนะนำในการจับคู่มอเตอร์ ก่อนที่จะยอมรับการใช้คอนโทรลเลอร์-โปรโตคอลร่วมกัน จะทำให้แน่ใจได้ว่าข้อกำหนดอินเทอร์เฟซเครือข่ายไม่แซงหน้าประสิทธิภาพของไดรฟ์พื้นฐานที่มอเตอร์สามารถใช้ได้จริง

สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับทีมจัดซื้อและวิศวกร: โปรโตคอลที่ถูกต้องคือโปรโตคอลที่ตรงกับระบบนิเวศของ PLC ตรงตามข้อกำหนดด้านเวลาของวงจรการเคลื่อนไหว และเหมาะสมกับโทโพโลยีการติดตั้ง—ตามลำดับนั้น การเพิ่มประสิทธิภาพความเร็วโปรโตคอลดิบในแอปพลิเคชันที่ไม่ต้องการจะเพิ่มต้นทุนโดยไม่เกิดประโยชน์ การระบุแอปพลิเคชันที่น้อยเกินไปซึ่งจำเป็นต้องมีการซิงโครไนซ์ที่กำหนดจะสร้างปัญหาด้านความน่าเชื่อถือที่ไม่มีการปรับแต่งใด ๆ ที่จะแก้ไขได้อย่างสมบูรณ์