智能运动控制多样化的世界

 逻辑控制、动力控制、***诊断技术，安全防护和适用于所有功能的通用软件工具组件已将运动控制系统的智能等级提高到了一个新水平。
        每个人对于智能的理解都是不同的。智能运动控制通常是指将运动控制、机 器逻辑控制，再加上动力开关功能集成于同一套控制系统中。近来，其他一些新功能例如预防维护、安全防护和***通讯技术等，也正逐步增加其自身在“智能运动控制”体系中的比重。
对于B&R工业自动化公司来讲，智能运动控制就像一个新型的驱动器，它既可以作为***的控制器也可以作为***主控制器使用。 “一些先前无法被执行、分析和监控的功能，现在通过应用基于驱动器的功能，可以同步于驱动器的位置控制回路每400毫秒被执行一次。”B&R公司的工业部门经理Markus Sandhoefner说。
        作为一种趋势，B&R公司指出，控制系统、视觉系统、运动控制系统正在逐步集成为一个整体。“高速的处理器正逐步成为一种‘日用品’，因此所有这些任务都可以由同一个处理器***完成，削减了基础通讯硬件的成本”，他说。
        预防维护是新增的功能之一。新的驱动器可以进行实时故障诊断，允许用户为几百个驱动器参数中（例如扭矩、速度、位置、温度等）的任何一个设置公差带。而且，有几个参数可以从驱动器级的运算法则进行配置合并成复合参数——例如系统摩擦力——可以得到更稳定和***的控制，Sandhoefner解释道。机器控制可以生成一条屏幕信息或者通过电子邮件提醒用户目前的运行状态和所需的维护。
        他指出智能驱动器的能力表现为一个“传感器”，通过调节驱动器的内在参数用以优化机器的处理过程。同样，质量控制功能也可以集成到驱动器中，产生实时产品/过程质量控制数据，以供主控制系统进行跟踪。B&R的Acopos 伺服驱动器提供了各种各样的智能控制特性。
运动控制不只是一个子系统
        对于Rockwell Automation而言，“集成运动控制”代表了智能运动控制的特征。Kinetix运动控制部门的市场经理Brian Lieser说：“集成运动控制，或是Kinetix，描述了一种将顺序控制、运动控制、动力和机器控制集成于同一平台的机器控制架构”。运动控制的需求呈现出新的机器控制架构的远景，它大大的不同于传统的将运动控制视为机器控制子系统的方法，他解释说。
        一套***的编程软件RSLogix5000，可以用于整个系统的编程、试运行和故障诊断——包括运动控制在内。其结果是简单化的驱动器、电机、执行机构的设置，在加上简单的集成解决方案的执行。“传***立的非集成的系统工程和维护负担过多，不论是OEM还是***终用户都被徒劳的繁琐任务削弱了他们的创新能力和生产效率”，Lieser补充道。 Kinetex 集成运动控制着眼于设备的整个生命周期，从OEM的运动控制系统设计到***终用户的设备生产能力的选择，为OEM和***终用户带来潜在利益的解决方案：迅速的应用目标开发周期和短时间内占领市场；更快的机器速度带来***生产力；贯穿整个设备/生产线的运动控制信息的无缝传输，减少了***期，优化了工艺过程； 通过减少面板空间和接线降低系统成本。
        Bosch Rexroth Electric驱动与控制部门用IndraDrive 系列产品来说明“智能运动控制”，通过更多的可在驱动器级执行的动力控制来扩展设备的整体能力。 IndraDrive采用数字处理芯片来处理电机的反馈信息形从而成优化的闭环控制系统。驱动器中的一个逻辑控制器增加了它的智能特性，可选的具有IEC61131可编程功能模块的选件，实现流线型的单轴和多轴运动控制逻辑。应用领域涉及伺服系统、纺织及变速控制系统。
        附加的安全保障和维护
        “IndraDrive以闭合的位置和速度回路替代了主控制系统，同时采用它的内部指令维护电机，”Bosch Rexroth公司的产品经理Rick Rey 描述道，公司将集成的安全技术和预防维护系统视为智能控制架构的一部分。分布式控制将智能分配到每一个驱动器，使安全监控、维护和其他功能可以在本地执行。“增加的（另一台）驱动器可以增加更多的智能胜于共享固定安装的集中控制系统。” Rey继续讲道。
        “安全功能用来实现对人员的保护，它符合欧洲EN954标准的第三章——在不增加硬件成本或间接控制方案的原则”他说。如果有操作人员进入设备的工作区域，系统的传感器立即与设备通信同时适当的降低（或暂停）这个轴的运动速度，然后在工作区域清理干净后由设备自动***正常运转而不必增加***期。
预防维护系统可以监测某个轴的摩擦、硬度和机械系统的后坐力等情况。一个智能的驱动器能够像主控制器发出警告（或操作员界面），来指示即将发生的故障，在问题变得更加严重或者对设备造成***前预警，Rey补充。
        Baldor电气对于智能运动控制的观点是：通过编程适合众多运动控制应用的需要为中心。通过提供开放式的编程界面，设计者可以自由的根据他们的实际需要设计软件，处理不同的输入条件和动作控制，Baldor公司的伺服产品经理John MazurKiewicz说。“根据设备需要自主设计软件允许设计者克服绑缚在身上的预定义的约束。”智能运动控制也给了设备设计者自由的更改设备以适应众多的产品和条件的权利，例如，应用在某些产品的外形频繁发生改变的场合，减少了由于需要改变机械结构而带来的***期。
多种多样的Baldor驱动器产品迎合了不同应用的需要。据报道，预编程顺序***功能可以很容易的通过 Flex+Drive 中的参数表来实现；产品外形变量由MiniDrive直接控制，通过HMI面板编程输入；Baldor***运动控制器既可以用为单轴也可以用于多轴的设备。
        智能运动控制已经被应用到了Baldor公司的产品Mint（Motion INTelligence）中——一种***的基本的适用于运动控制、I/O设置和HMI任务的编程语言。
Mint的适应机制允许根据不同的设备情况进行编程。软件的阵列处理能力被称作简易编程方法。“Mint支持不同的运动类型，例如，刻度指示盘、飞梭、软件变速箱和凸轮。它提供给设计工程师更加灵活的通过定义运动轨迹来优化设备的产出能力，”Mazurkiewicz强调，“Mint的模块编程功能允许创建客户自定义的可管理的应用模块。
        软件定义
        “智能运动控制从软件角度定义是指运动控制器的每个方面和在基于客户的硬件选择上具有可进行开发的能力。”NI公司的工业控制部门的产品经理Rahul Kulkarni讲。NI公司提供集成了SoftMotion和可重组I/O技术的LabView平台来帮助客户创建自定义的运动控制器，不论是在实时操作系统中还是在现场可编程阵列（FPGA）中——根据特殊的性价比的应用需要。
        致力于高速应用的机器制造商会选择FPGA这条途径，这是由于它的200kHz的速度性能和相对于标准运动控制器近乎10倍的速比，Kulkarni指出。FPGA同时也增强了系统的稳定性。它允许在需要的时候改变设备的控制策略，例如，在运算中插入紧急事件的处理等，他进一步解释。 除了定义监测、控制，轨迹生成和样条差值之外，NI的LabView的SoftMotion开发模块允许用户将***的的计算方法和模式自适应控制相结合应用于位置和速度控制中。Kulkarni给出了一个例子。Cybosoft (NI的一个合作伙伴) 应用SoftMotion来调理多轴系统，但是用其自主的模式自适应控制算法增加PID位置和速度控制来进行高精度和速度应用于纳米科技和半导体芯片制造。
        西门子公司Simotion产品经理 Josef Hammer指出，过去，控制产品总是为适应某一特定任务而进行专门优化——也就是说，PLC仅用于逻辑控制，运动控制器仅用于运动控制，诸如此类。为了使设备达到全时运转，不是如此简单的，联合应用不同的底层控制理论，控制界面和工程工具是很必要的。
        设备将智能运动控制视为一种优化的综合解决方法，它必须超越运动控制的简单特性本身和将其他所有必要的控制能力相结合，使整个设备达到完全的自动化，Hammer解释道。他又进一步将“智能运动控制”描述为提供一种开放式系统而非简单的硬件平台，对于用户需求的自适应性和向用户提供***新的技术，如OPC和TCP/IP通讯协议，将商务和网络系统集成其中。
        “Simotion着眼于这种智能运动控制方式，”Hammer说，“它是一种优化的系统解决方案，将运动控制、逻辑控制和***功能集成和结合在一个非常***和有用的系统中”。Simotion有三种硬件版本（PC、控制器、基于驱动器的平台）来适应用户特殊的应用。而且在不对先前的应用软件进行修改的情况下也可以对该平台进行改动。
Hammer的话涉及了所有智能运动控制在降低成本，缩短开发周期，使系统更加紧凑，更好的得到世界范围的技术支持的优点。
        大脑与肌肉
        Danaher公司运动控制产品经理Lou Lambruschi从驱动产品制造商的角度描述了对智能运动控制的定义“ 结合可编程控制器的大脑和固态动力设备的肌肉于一体而创造出的打包了的适应于广泛应用的驱动器”。他解释道，***的速度和位置控制可以通过基于DSP的逻辑单元和性能优越的向量驱动器电源单元（及适合的电机）来实现。“随着用户的操作序列输入——类似PLC程序——驱动器将执行一系列复杂的运动，反馈于输入点，提供有用的输出来监视整个过程”，Lambruschi讲。Danaher的新FX4000 Fusion系列驱动器即可实现这些特性，控制交***应电动机、交流同步电机和无刷直流电机。
        Lambruschi 指出了用户采用集成的运动控制的驱动器所带来的四方面的利益。安装简单集成为一个单元利于安装、接线和编程。分立的元件将需要众多的内部连接、面板空间和软件包。集成为一体的驱动器也意味着***责任利于技术支持，避免多供应商的兼容性问题。集成的智能驱动器没有了内部复杂的接线比分立驱动器和控制器系统提供了更高可靠性。它同时减少了失误或错误的内部连线，也减少了潜在的电磁兼容问题。Lambruschi 同时提到它比传统分立的控制器驱动器更低的前期成本和更少的安装时间。
Paul Derstine, GE Fanuc自动化公司的运动控制产品经理，相信“智能运动控制”在通用运动控制应用中是几个典型元素的集成——运动控制（轨迹编制和循环控制）、逻辑控制、I/O功能和电机功率放大技术——集成于同一产品中。他引用GE Fanuc的S2K伺服/步进运动控制器作为一例。
        他进一步提到，恶劣的工业环境和高电机工作温度限制了某些类型的应用，这些将降低长期用户的利益。事实上，这种产品的数量已经显示了另一些非技术和市场因素目前已经限制了电机/控制器的集成。（参见CONTRROL ENGINEERING 2001年12月杂志，“集成智能电机和控制”。）智能运动控制给简单、有限的轴数配合和设备带来的利益包括减少接线和多供应商间产品的兼容性问题。如果拥有足够的逻辑运算能力和I/O点，一个控制器能够控制整个设备，Derstine解释道。“引入智能运动控制的通常目的是实现分布式控制来减少电机和长生产线或设备中运动中I/O点接线”，他说“在这种情况下，一个集中的运动和逻辑控制器和无声的分散的放大器通过高速光纤连接的途径可以提供***有效的解决方案。这种类型的混合结构具有集中编程和分布式运动控制两方面的优点。
        未来更多的智能应用
        Rockwell Automation公司的Lieser先生相信采用集成的运动控制系统，并将其应用到通用平台将促使更多的OEM厂商和终端用户认识到其利益所在。“他们将驱使网络和信息领域在其余的机器和生产线上产生更多的额外的创新，来促进运动控制系统的主流系统的发展。
同样的，Baldor公司的Mark Crocker说：“下一个五年我们将看到科技的集中体现，例如PLC和运动控制器。随着以太网逐渐成为现场总线的主宰，分散控制系统的应用将更加广泛。
        应用指导和帮助，图形化的方法将越来越普及。运动控制语言和编程环境将逐渐赶上基于PC的编程环境，Crocker进一步解释说。随着更加强大的和性价比高的计算机的出现——还有以太网的发展，Soft motion将变得越来越普及。“我们很高兴能看到更多的传统的基于PC的编程语言，例如VB，C++和C#，它们正在成为流行的运动控制编程语言。运动控制的接口和I/O设备将通过ActiveX控制（或其将来派生出的设备）”Crocker补充道。B&R Industrial Automation 见证了智能运动控制在分布式驱动领域的表现，标准的通信功能，固件自动升级和集成的编程环境领域的发展趋势——在所有领域都显示了浓厚的兴趣。“这些趋势将变成流行，同时将随着IT科技标准在设备控制领域的应用变得越来越强，”B&R公司的Sandhoefner说道。
        B&R已经通过对Ethernet Powerlink技术的研究，实现了基于以太网的与驱动器间实时的通信。“将来，驱动器将能够像分布式的网络服务器那样发布信息并能够通过网络进行访问。这开启了一个新的可以在驱动器级实现的功能领域，”他补充说。
紧跟的从驱动器级到整个生产线的主控机的发展而来的是全透明度，即更容易获得设备处理数据和降低系统成本。例如，详细设备级维护警告将可以通过电子邮件从驱动器直接得到。
        Bosch 公司的Rexroths Rey指出，包装及印刷工业已经从基于驱动器的智能中得到了回报。在将来的几年中，智能运动控制多轴伺服系统的应用在其他工业领域将扩展开来。“将来，设备制造商会继续将智能运动控制应用到他们设备中去，对于系统来讲它必将有更强的适应能力来适应不同的应用”他说。
对于将来的发展，西门子公司的Hammer指出愈来愈多的标准设备已集成了分布式逻辑和运动控制。其中一种智能运动控制系统，将控制设备的特定的模块，每一个都通过高速实时的网络共享/交互数据。这些智能单元是可移动的，因此他们能为不同的生产线提供相应服务，他解释道。
        Hammer也预见了新的设备安全系统的来临。这些将在智能控制系统及传感器系统中起到重要作用，包括冗余检查，一旦有情况便使设备进入安全保护状态。智能安全控制拥有潜在的节省成本和通过削减现有的昂贵的电子器件的解决方案能力。
        NI期待智能运动控制能将表现***的运动控制和非PID控制循环柔性技术例如FPGA和RTOS应用到不同的案例中。部分趋势也将和其他技术集成，例如视觉，模拟和数字I/O模块和通信技术，Kulkarni总结道。 E pluribus unum (one, out of many) 对这种智能趋势而言也许是个不坏的比喻。