CN104391485B - 具有分布式运动规划的工业控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有分布式运动规划的工业控制系统，该工业控制系统提供了可基于存储的驱动器简档将运动规划任务分配给有能力的马达驱动器和运动装置的运动控制功能。轮廓得知(profile‑aware)功能允许控制程序用于能够和不能够适当地利用规划任务的自动分配而执行运动规划的这两种马达驱动器。可通过驱动器与非控制器装置之间的对等通信适应当分配运动规划时在工业控制系统中的不同装置之间的协调。

Description

具有分布式运动规划的工业控制系统
本发明申请是申请日期为2012年4月11日、申请号为“201210106343.7”、发明名称为“具有分布式运动规划的工业控制系统”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求均于2011年4月11日提交的以下美国临时申请的优先权：序号61/474,027；序号61/474,042；序号61/474,054；序号61/474,073。各个临时申请的全部内容均通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及用于实时控制电动机的位置和/或速度的工业控制系统，更具体地，涉及允许从中央控制器向驱动器分配对这样的驱动器的运动规划的工业控制器。
背景技术
工业控制器是用于例如在工厂环境下控制工业过程或机器的专用计算机系统。通常，工业控制器执行从与受控过程和机器相关联并感测过程或机器的条件的各种传感器读取输入的、存储的控制程序，并且基于那些输入和存储的控制程序，计算用于控制对过程或机器进行控制的致动器的一组输出。
工业控制器与传统计算机在很多方面不同。物理上，与传统计算机相比，这些工业控制器被构造成对冲击和损坏具有更充分的鲁棒性并且更好地抵抗外部污染物和极端环境条件。处理器和操作系统被优化用于实时控制，并且用被设计为允许快速开发控制程序的语言来对处理器和操作系统编程，其中，控制程序被定制为适于不断变化的机器控制或过程控制应用的集合。
通常，控制器例如具有高度模块化的架构，该架构允许不同数量和类型的输入模块和输出模块用于将控制器连接至要控制的过程或机器。通过使用适合于可靠性和可用性高的实时通信的特定“控制网络”而便于进行这种模块化。这样的控制网络(例如，控制网、以太网/IP)与标准通信网络(例如，以太网)不同之处在于，通过预先安排网络的通信容量来保证最大通信延迟，以及/或者为了高可用性提供冗余通信能力。
作为其增强的模块化的一部分，工业控制器可采用专用于特定类型电信号和功能(例如，检测输入的AC或DC信号或者控制输出的AC或DC信号)的I/O模块。这些I/O模块中的每一个均可具有允许它们连同所选择的其他I/O模块一起以不同组合安装在壳体或机架中的连接器系统，以与特定应用的要求匹配。多个或单个I/O模块可位于受控过程或机器附近的便利的控制点处，以经由特定控制网络与中央工业控制器通信。
一种类型的I/O模块是可与正执行运动指令的工业控制器通信的马达驱动器，并且可将电信号提供给电动机，该电动机根据运动指令调整马达的位置或速度。示例性运动指令当由控制器执行时，可在速度和加速度的预定义约束内启动马达在第一位置与第二位置之间的移动。运动指令命令可由工业控制器中的运动规划器接收，该运动规划器基于运动指令数据而生成以时刻为单位精确地描述马达的运动的运动轮廓(motion profile)，以控制速度和加速度变化，例如，以限制“加加速度(jerk)”、加速度的一阶导数，其中加速度的一阶导数可对马达和附接部件产生不期望的磨损。
由于生成并传送多个高速马达的运动轮廓所需的数据传递速率高，因此，工业控制环境下的运动控制对控制器和通信网络的要求极其苛刻。通过从控制器向驱动器发送粗略版本的运动轮廓数据而在一定程度上缓解了该问题，该粗略版本具有相对慢的粗略更新速率与减少的带宽要求。接着，该驱动器可内插提供平滑的精确运动的、更高分辨率版本的运动轮廓。即使利用该方法，粗略更新速率对于这些驱动器必须高到足以符合性能要求，因此，当处理大量远程驱动器时会用完控制器的数据处理容量和控制网络带宽。
对该问题的一种解决方案是将运动规划任务分配给驱动器本身。这可以通过将特定指令插入到控制程序中来完成，其中，这些特定指令当被执行时使得工业控制器传输在驱动器中激活运动规划所需的命令。
发明内容
本发明允许以对于编写控制程序的编程员而言大部分不可见的方式在硬件装置之间分配运动规划，从而使得单个控制程序为多次硬件安装服务。本发明通过修改工业控制器中的运动控制功能来提供该特征，以使得其确定特定马达驱动器是否可以实现运动规划，并且如果是，则直接与马达驱动器中的运动规划器传递运动命令，而如果不是，则与工业控制器内的运动规划器传递运动命令。通过修改工业控制器中的现有运动功能，控制程序中不需要特定运动控制指令。
本发明的一些实施例还允许实现运动规划器的驱动器与用来有助于分布式运动控制的其他部件之间的对等通信。这些实施例可进一步提供针对时间临界运动信息允许快速响应时间与低网络负担的事件驱动通信。
根据本发明的实施例，提供了一种马达驱动器，包括：开关电路，用于合成至马达的电源电压；网络接口，用于与工业控制器通信；电子计算机，与开关电路和网络接口通信，并且执行存储在非暂态存储介质中的程序，以：(1)经由网络接口从工业控制器接收运动命令，该运动命令表示工业控制器对运动指令的执行；(2)响应于运动命令，使用运动规划器来生成用于开关电路的时序运动数据；以及(3)与工业控制器传递表示时序运动数据的至少一部分的运动轮廓的结束。
具体地，本发明可提供一种工业控制器，该工业控制器具有网络接口和电子计算机，其中该网络接口被适配成与一个或多个连接的马达驱动器通信，该电子计算机与网络接口通信并执行存储的程序(例如，固件)，以接收提供运动控制指令的控制程序。可通过识别与运动指令相关联的马达驱动器并确定所识别的马达驱动器是否能够执行运动规划器来执行运动控制指令，该运动规划器提供用于利用运动控制指令根据运动命令来控制马达的时序运动数据。如果存在该能力，则工业控制器将运动命令经由至所识别的驱动器的网络接口传输到所识别的马达驱动器，否则，工业控制器将运动命令传输到工业控制器中的运动规划器。
因而，本发明的至少一个实施例的特征是允许个人利用运动指令创建控制程序而不考虑在驱动器之间分配运动规划功能。本发明的至少一个实施例的另一特征是允许单个控制程序与不同类型的马达驱动器一起统一工作。
控制程序指令可通过对不依赖控制程序的、存储在工业控制器中的功能的调用来执行，例如，如同固件一样。
因此，本发明的至少一个实施例的特征在于提供运动规划的分配作为工业控制器硬件的功能，而无需对控制程序本身的特定编译或其他预先修改。
网络接口可被适配成实现控制器与马达驱动器之间的连接消息接发，从而在连接之间预先分配网络通信容量。电子计算机执行存储的程序以打开控制器与驱动器之间的连接，从而传递运动命令或运动数据。
因此，本发明的至少一个实施例的特征在于不仅减小在进行一个或多个相关联的驱动器的运动规划器计算时对控制器的负担，而且减小网络通信量，因此，减少对在工业控制器与这些驱动器之间大量分配控制器数据处理容量和通信容量的需要。
对于通信容量，电子计算机可分配网络通信容量的第一部分以与能够执行运动规划器的马达驱动器通信，其中，网络通信容量的第一部分小于为了与不能执行运动规划器的马达驱动器通信而分配的网络通信容量的第二部分。
因此，本发明的至少一个实施例的特征在于，即使在具有混合的遗留装置(legacy)和有运动规划能力的驱动器的环境下，也考虑到减小对网络的负担根据驱动器能力来定制网络容量。
网络通信容量的第一部分可提供周期性数据传递与事件驱动数据传递的组合，事件驱动数据传递是通过生成运动命令而触发的，并且网络通信容量的第二部分可以是根据预定义的运动数据间隔的周期性数据传递。
因此，本发明的至少一个实施例的特征在于，即使当分配相对小的网络容量时，也能提供对马达相关命令的快速响应。非周期性传输的使用允许对运动命令的快速响应，从而消除不必要的周期性通信。
工业控制器可包括表示每个马达驱动器是否均包括固件的运动规划器的驱动器简档。驱动器简档可由工业控制器用来确定所识别的马达驱动器是否能够执行运动。
因此，本发明的至少一个实施例的特征在于提供一种使用普通数据结构(诸如，工业控制内的驱动器简档)来自动确定马达驱动器的能力的简单方法。
类似地，应理解，本发明可提供一种马达驱动器，其可与上述工业控制器一起工作，其中，马达驱动器包括用于合成至马达的电源电压的开关电路、用于与工业控制器通信的网络接口、以及与开关电路和网络接口通信并执行存储的程序(例如，固件)的电子计算机。存储的程序可使得马达驱动器经由网络接口接收来自工业控制器的运动命令，并且响应于该运动命令，使用运动规划器生成用于开关电路的时序运动数据，其中该运动命令表示工业控制器对运动指令的执行。当运动轮廓结束时，马达驱动器可与工业控制器进行通信以表示运动轮廓的结束。
因此，本发明的至少一个实施例的特征在于允许分布式运动规划，同时利用取决于运动指令的结束的、保留在工业控制器中的指令来提供密切协调。
运动规划器可以以固件存储在马达驱动器中。
因此，本发明的至少一个实施例的特征在于消除对控制程序中的特定运动指令的需要，以配置马达驱动器或者实现分布式运动规划。
电子计算机还可执行存储的程序以实现从非控制器装置到一个或多个非控制器装置的连接消息接发，从而产生至消耗装置的时序运动数据。
因此，本发明的至少一个实施例的特征在于，在例如为了同步目的将运动数据转发至工业控制器并然后返回至需要该运动数据的其他装置时，提供分布式运动规划而不会招致额外开销。通过允许马达驱动器与其他非控制器装置之间的对等通信，可减小额外网络通信量和数据传递延迟。
电子计算机还可执行存储的程序以加载并执行来自控制程序的指令，这些指令不是运动指令而是与运动指令相互依赖。因此，本发明的至少一个实施例的特征在于，当运动规划被分配给驱动器时，减少标准控制指令与相关联的运动控制指令之间的时间临界协调信号。
通常，应理解，本发明通过向马达驱动器本身分配运动规划部件(根据运动指令命令生成运动轮廓)来充分地减少远程运动控制所需的控制器数据处理努力和网络带宽，同时在没有改进整体系统性能的情况下保持控制器数据处理努力和网络带宽。以此方式，不需要经由网络传输运动数据，而是仅传输启动运动规划器的高级运动命令。可通过以下方式解决对大量远程驱动器的运动控制与控制程序的其他方面的高速协调的问题(通常，当在控制器内处理这两者时是简单问题)：(1)通过允许驱动器从其他部件直接接收数据而无需控制器作为媒介的对等通信系统，以及(2)利用针对标准运动事件在驱动器与控制器之间传递的特定高速事件消息，以及(3)通过由驱动器创建传递运动结束的、新颖的运动结束指令事件。
这些特殊目的和优点可仅适用于落入权利要求范围内的一些实施例，并且因此，没有限定本发明的范围。
附图说明
图1是具有控制器的工业控制系统的简化透视图，该控制器通过通信网络与多个远程马达驱动器通信，该图还示出了连接的配置计算机终端；
图2是图1的工业控制系统的部件的框图，其示出了以分布式方式执行所存储的程序的各种部件的多个交互处理器；
图3是包括配置计算机终端在配置图1的工业控制系统时所使用的数据结构和配置程序的程序的存储器图；
图4是示出根据本发明对这种功能的内部实现的修改的、控制程序中的运动指令的执行的流程图；
图5是在分配与分布式运动指令密切相关的逻辑指令时的配置程序的操作的流程图；
图6是与图5类似的、示出用于分布式运动的对等通信的建立的流程图；
图7至9是示出根据配置计算机终端对图4的程序的执行的运动规划器和运动指令的不同分配的、具有一个马达驱动器的控制器的简化图；
图10是图4的运动规划器的功能框图；
图11是示出根据用于接收运动规划或运动指令下载的各个驱动器的能力的、在图1的控制器与两个不同的马达驱动器之间的相互通信的通信时序图；
图12是示出可由图6的配置程序实现的对等通信的、与图8的图类似的图；
图13是示出与非驱动器装置的对等通信的、与图12类似的图；
图14是示出运动指令和运动规划器的下载的、与图9类似的图，其中该运动规划器包括没有马达驱动能力但是可使用PWM或PTO输出提供马达控制的两个I/O模块；
图15是示出运动数据到凸轮运动数据的映射的凸轮系统功能的实现的图；
图16是示出用于捕获关于I/O事件的运动数据的I/O模块处的登记命令的实现的流程图；以及
图17是示出用于基于运动事件捕获I/O数据的I/O模块处的观察命令的实现的流程图。
具体实施方式
现在参照图1，工业控制系统10可包括一般设置有壳体14的工业控制器单元12，壳体14具有总线16，总线16提供安装在壳体14中的多个模块18之间的相互通信。模块可包括例如供电模块20、控制器22、一个或多个I/O模块24以及网络部件26。网络部件26或控制器22可在提供连接消息接发的类型的工业控制网络28上通信，例如，控制网(ControlNet)或以太网/IP(公知的开放标准)，该连接消息接发提供了消息结束时间、低等待时间以及丢失消息检测的保证。
工业控制网络28可将工业控制器单元12结合到远程I/O模块(未示出)和一个或多个远程马达驱动器30，一个或多个远程马达驱动器30可与相应的电动机32和位置传感器34通信，以提供电动机32的受控运动，从而控制相关联的工业机器或过程36。网络28还可结合其它装置31，例如，提供例如输出凸轮功能(基于远程马达32的位置的输出信号)或者登记输入功能(基于马达32驱动的机构的对准的输入信号)或者PWM或PTO输出以及高速计数器输入、编码器输入、摄像装置输入以及编码器输出的标准I/O模块。
配置计算机40可通过工业控制网络28或经由例如与控制器22连接的专用通信信道42与控制器22和/或马达驱动器30通信。如以下将描述的，配置计算机40可以是标准的台式计算机或便携式计算机，并且包括键盘44、显示屏46等，以允许数据的输入和显示以及人类操作者对配置程序的操作。
现在参照图2，控制器22可包括处理器48，处理器48与储存存储器50通信，以执行一般用于控制控制器22的操作的操作系统程序52和控制程序54，控制程序54描述了对工业机器或过程36的期望控制并且通常对于工业控制系统10的给定应用来说是唯一的。存储器50还可包括数据表，例如，控制程序54所使用的并且如以下将描述的I/O表和服务例程(图2中未示出)。
控制器22可通过底板或处理器间通信总线16与网络部件26通信，网络部件26包括操作电路55(例如，处理器以及所存储的程序和/或专用电路(诸如，现场可编程门阵列))。操作电路55可与网络接口电路56通信，网络接口电路56提供在工业控制网络28上对低层电气协议的执行。
类似的网络接口电路56可设置在马达驱动器30中，以与内部马达控制处理器58通信，内部马达控制处理器58可例如执行伺服控制器或频率控制算法。内部处理器58还可与开关电路60和I/O电路62通信。该开关电路60例如可根据本领域公知的方法提供脉宽控制或类似的输出，以提供驱动马达32的线圈的直接电力。开关电路60一般包括确定马达以及可合成电压(例如，一个或多个AC电压波形)的固态装置和驱动器的控制参数的马达控制功能，该固态装置和驱动器可连接到马达绕组，该马达绕组向马达提供控制马达位置、扭矩、速率等的功率。I/O电路62可从马达32上的传感器34(例如，从编码器等)接收反馈信号64，并且还可从例如其它基于机器的传感器66(例如，提供登记传感器、限制开关、光学断续器等)接收其它输入。
处理器58还可与存储器68通信，存储器68保存如下将描述的操作系统程序70和下载的控制程序54的程序元素72。
如以上指出的，配置计算机40可以是标准的台式计算机，其具有与存储器76通信的处理器74，存储器76保存操作系统程序78以及各种数据结构和程序80，包括用于配置工业控制系统10的程序82和如以下全面描述的调制机控制程序。计算机40还可根据本领域公知的方法，提供例如处理器74与工业网络28或到控制器22的单独通信信道42之间以及与屏幕46和键盘44的通信的接口电路。
现在参照图3，计算机40中的数据结构和程序80可包括控制程序54的副本，控制程序54具有包括运动指令87的多个控制指令86。一般，控制指令可以是例如以多种不同的语言(包括继电器梯形图语言、功能块语言和结构化文本语言，这都是本领域公知的)表达的、实现定时器、逻辑门、触发器、计数器、算术运算等的指令。运动指令可包括根据诸如最大速度、加速度和加加速度的约束控制马达32例如在第一位置与第二位置之间的移动的移动指令、引起马达以预定速度移动的慢移指令以及与第二马达同步地或以凸轮指令或者齿轮指令确定的预定比率或其它函数关系提供马达32的移动的协调运动指令。一般地，这些指令中的每个指令均实现如以下将讨论的由运动规划器生成的定义一系列运动位置和时间的运动轮廓。
计算机40中的数据结构和程序80还可包括描述工业控制系统10的各种部件的能力(例如，包括各个马达驱动器30、I/O模块24以及控制器22的能力)的硬件表88。特别地，对于马达驱动器30，硬件表88将指示马达驱动器30是否具有接收控制程序54的下载部分和执行该部分的能力(包括执行对运动指令的运动规划的能力)。一般地，用户通过基于工业控制系统10的部件的知识在预定义硬件类型的菜单当中进行选择来输入该信息；然而，该信息也可从装置本身抽出。
数据结构和程序80还可包括根据连接消息接发的惯例描述工业控制系统10的装置(例如包括各个马达驱动器30、控制器22以及I/O模块31)之间的连接的连接列表90。一般地，各个连接均表示工业控制网络28的预分配部分。这些连接通常基于用户输入的、指示各个连接的起源和目标的数据。连接列表90还可描述例如定义通过连接传送的数据的更新速率的期望连接带宽。
数据结构和程序80还可包括关联列表92，关联列表92将控制程序54中的输入和输出标签(表示从传感器接收的数据所反映的控制程序54中使用的变量和到致动器和马达的输出)与用户指派的特定硬件元件相关联。因此，例如，与传感器66(图2中示出)相关联的标签可与物理连接到传感器66的马达驱动器30相关联。
数据结构和程序80还可包括用于执行控制程序54的指令的各种功能、任务或服务96。这些功能、任务或服务96通常以固件存储在控制器22中，并且包括实现控制程序54的指令86的功能101以及这些功能调用的服务，例如，实现运动指令87的功能101调用的运动规划器100。运动规划器100当被功能101调用时生成时序运动数据(例如，位置、速度等)的运动轮廓。其它功能、任务或服务96包括处理控制器与各种装置之间的通信的通信服务108。这些功能、任务或服务96通常是控制器22的本地环境的一部分，但是它们可在开发控制程序的正常处理之外定期地更新。
现在参照图3、图4和图7，在执行控制程序54中的运动指令87期间，指令87调用在控制器22的硬件中实现指令87的功能101。在本发明中，实现运动指令的功能101被修改为包括判定块102，以经由关联列表92确定与运动指令87相关联的马达驱动器30是否具有执行运动规划器100和/或逻辑指令的能力。
如果没有，则配置程序82前进到处理块104，并且调用本地运动规划器100。然后，运动规划器100基于从运动指令87传递的参数，为通信服务108生成一系列运动数据110，通信服务108通过工业网络28将时序运动数据110发送到马达驱动器30。以可以为毫秒级的粗略更新间隔来发送该时序运动数据110，并且在马达驱动器30处通过相应通信服务108接收该时序运动数据，相应通信服务108将该该时序运动数据提供到精插补器111，精插补器111从运动数据110内插具有百微秒级的细微更新间隔的高分辨率运动轮廓。来自精插补器111的数据被提供到开关电路60，如以上描述的，开关电路60可提供用于合成驱动马达32的必要波形的固态装置和驱动器以及马达控制算法，并且例如使用PID控制算法、基于来自反馈传感器34的信息而实现反馈控制例程。
现在参照图3、图4和图8，如果在判定块102确定与运动指令87相关联的马达驱动器30包括运动规划器，则配置程序82前进到判定块103，判定块103将运动命令120(一般表示以上发送到本地运动规划器100的相同数据)直接发送到通信服务108，通信服务108将该运动命令120直接转发到驱动器30。运动命令120通过以比粗略更新速率慢得多的速率运行的连接发送，并且如以下将描述的，一般可基于驱动的事件来发送。运动命令120的相对低带宽(低连接更新速率)传输的使用基本上减轻了对工业控制网络28以及对控制器22(其不需要运行运动规划器100)及其通信服务108的要求，从而增加了控制系统10可以处理的轴(马达32)的数量。
尽管将运动规划器100的功能移动到马达驱动器30大大简化了控制器22的任务，但是另外的修改可能是必要的或有助于减少由该移动引起的网络通信量的间接增加。参照图3、图5和图9，由于控制程序54中的运动指令87与其它指令86之间的密切耦合而会产生一些额外的通信量。如果指令间通信的迅速通信被延迟，则该耦合会以额外的网络通信量以及以不期望的处理延迟体现。因此，配置程序82可将控制程序54的指令86视为配置处理的一部分，以识别运动指令87并且可选地识别用户或以机器区分的相关联的逻辑指令(链接的非运动指令89)，该以机器区分的相关联的逻辑指令对于给定轴(马达32)在与一个或多个运动指令87一起执行时基本上是自我包含的。这些链接的非运动指令89将是如下指令：其执行依赖于其关于运动指令87的输出的自变量，并且提供支配运动指令87的执行并且因此可以容易地与控制程序54的剩余部分隔离的输出。在更广泛的选项中，这些链接的非运动指令89可接收输入并且提供对于马达驱动器30为本地的输出，从而处理根据关联列表92确定的相关联的运动指令87。在另一更广泛的选项中，这些链接的非运动指令89可通过如以下将描述的对等连接来接收输入并将输出提供到其它装置(诸如其它马达驱动器30)。
仍然参照图3、图5和图9，当经由处理块107识别运动指令87或多个链接的非运动指令89时，配置程序82前进到判定块112，以确定经由关联列表92与运动指令87相关联的马达驱动器30是否具有执行运动规划器100和/或执行逻辑指令的能力。
如果没有，则配置程序82前进到其它配置任务，否则在处理块116处，包含运动指令87和链接的非运动指令89的算术/逻辑指令86两者的处理块124与用于协调马达驱动器30中的运动指令87和算术逻辑指令86的执行的任何必要服务的配置一起被传递到马达驱动器30。经由处理块118修改下载到控制器22的控制程序54，以移除处理块124的这些指令(或插入其代理)，这是由于这些指令要在马达驱动器30中执行，其中为了控制器22处的调试目的，代理为用户提供实时程序流动画等。
现在参照图6和图12，在仅将运动指令87传递到马达驱动器30或者将运动指令87和链接的非运动指令89传递到马达驱动器30的两种情况下，配置程序82前进到判定块121，以例如使用凸轮指令或齿轮指令识别运动指令87是否意味着协调的运动，其中凸轮指令或齿轮指令将马达32的运动或其它移动链接在一起，如同通过轴、齿轮系或凸轮系统连接一样。如果是，则配置程序82经由判定块122检查用户先前定义的并且存储在图3的连接列表90中的必要对等连接129，并且如果没找到，则经由处理块124通知用户或者自动建立必要的对等连接以支持协调的运动。这些对等连接129一般提供限于常规运动数据并且排除运动命令和事件的连接单路通信。这样，对等连接129可容易地从生产者多播到多个消耗装置。对等连接129一般可在非控制器装置之间、控制器与非控制器装置之间以及控制器装置之间，并且提供聚集除一个所产生的连接中的一个或多个消耗装置之外所需的数据以及将该数据多播到所有消耗装置的能力。
如图12所示，对等连接129建立在两个不同的马达驱动器30和30’的通信服务108之间，并且提供进行中的数据传递，而无需控制器22的干预。例如在处理块124处断开的该直接对等连接129用于通过消除上至控制器22然后下至相关的马达驱动器30的数据传递，显著地减少工业控制网络28的网络通信量和相关联的数据处理。一般地，对等连接是一对多(多播)，因此在一个生产者对多个消费者的情况下，与到每个消耗驱动器的点对点连接相比，它们占用较少的网络带宽。一般，这些对等连接129还可用于马达驱动器30和30’处理的标准I/O数据的通信。
现在参照图13，对等连接129不限于马达驱动器30之间的通信，而是还可提供马达驱动器30与其它I/O装置(例如，基于通过对等连接129所接收的运动数据110实现凸轮输出125的I/O模块31)之间的通信。运动数据110可由凸轮功能109使用，从而基于运动数据110的特定值或范围经由标准I/O模块、I/O电路127生成输出125。
暂时参照图15，凸轮功能109可接收运动数据110并且将该运动数据应用于凸轮表114，凸轮表114将所存储的运动主位置115映射到凸轮输出117。一般地，凸轮功能109将包括内插器123，内插器123基于当前的和先前的主位置115而在凸轮输出117之间进行内插。然后，该凸轮运动输出117可被应用于开关电路60，如以上针对到32的输出信号的生成描述的，开关电路60一般包括马达控制功能以及固态装置和驱动器。
更一般地，对等连接129可以是到I/O模块31’，I/O模块31’借助于I/O模块31’中的登记/观察功能131而实现登记指令或观察指令。同样参照图16，如处理块132指示的，登记/观察功能131在例如从工业控制器22接收到登记命令时，如处理块137所指示的，可针对该输入信号中的预定模式而监视来自I/O电路127的输入信号。该模式可以是例如同时的数据值或数据值的序列。特定模式可以并入登记命令中(作为自变量或参数)或者可例如从工业控制器22预先发送以传送登记命令。
当模式匹配时，如处理块137所指示的，登记/观察功能131捕获通过对等连接所接收的运动数据。在该捕获结束时，如处理块139所指示的，登记结束事件154(如以下将更详细地描述的)可与处理块143指示的捕获数据一起返回到控制器22。
替选地并且还参照图17，登记/观察功能131可如处理块155所指示的那样接收观察命令(例如，从工业控制器22)，并且可如处理块156所指示的那样监视通过对等连接所接收的运动数据值以越过预定阈值。特定阈值可以并入观察命令中或者可例如从如上所述的工业控制器22预先发送。当如处理块158所指示的那样越过阈值时，登记/观察功能131经由处理块158捕获从I/O电路127接收的输入数据。在该捕获结束时，观察结束事件154如处理块160所指示的那样与处理块162指示的记录数据一起再次返回到控制器22。
在所有这些情况下，I/O模块31和31’可通过对等连接从控制器22或从对等装置(诸如，上述马达驱动器)接收运动数据110。通过分布登记命令或观察命令，消除了转移执行控制器中的登记和观察功能的需要。
现在参照图10，控制器22可使用的或者马达驱动器30选择的运动规划器100合并通过输入133根据各种运动指令87(如图10示意性地示出的那样接收的)的参数生成时序运动数据110所需的所有编程。一般地，每个运动指令87可调用与该指令87相关联的单独的运动发生器135，从而执行将期望运动描述为时间的函数的运动轮廓134。这些用于不同指令的运动轮廓134可通过加法器136相加在一起并经由输出138输出作为一般包括如下命令的任一形式的时序运动数据110：马达位置命令、马达速度命令以及马达加速度命令。
在协调的运动指令的情况(其中，给定的运动规划器100表示主轴)下，输出138可施加于到控制器22的运动规划器100的齿轮或位置凸轮发生器135的输入133，控制器22将其输出138发送到其它驱动器30中的从轴。替选地，当配备有运动规划器100时，主轴输出138可通过以上关于处理块130描述的对等连接129直接传送到从轴的马达驱动器30。在针对主轴建立输出凸轮系统关系的情况下，主轴的运动规划器100还提供凸轮输出140，从而提供规划器命令输出138与凸轮输出140之间的期望函数关系。
如以下将描述的，在关于工作在马达驱动器中的每个运动发生器135的每个运动轮廓134结束时，可生成运动结束事件154以传送回至工业控制器。
通过将运动规划器100移动到马达驱动器30，工业控制网络28可优选地用于运动指令87对运动规划器调用的相对低带宽通信，并且避免时序运动数据110的高数据速率。
现在参照图11，本发明更一般地允许通过将不同带宽连接用于不同的马达驱动器30而改进网络28的带宽利用率。控制器22与马达驱动器30之间的该带宽调整不仅可在运动规划器100移动到马达驱动器30时完成，而且可在运动规划器100保留在对于运动轮廓134(图10所示)具有不同分辨率要求的控制器22中的情况下完成。
如上所述，一般地，粗略更新速率144用于控制器22与不支持运动规划器100的典型马达驱动器30之间的双向消息142中的运动数据110(图7所示)的传输。相反地，“动态更新速率”146可用于控制器22与本发明的马达驱动器30’之间的双向动态速率分组120中的运动数据110的传输，本发明的马达驱动器30’支持运动规划器100，因此不需要传送高频时域运动数据110而仅需传送运动命令120。该动态更新速率146基本上平均低于粗略更新速率144。
尽管控制器22与马达驱动器30’之间的带宽要求相对低，然而重要的是，运动指令87的执行是迅速的。动态更新速率146通过提供可以通过引入新动态速率分组对141而响应于时间临界“事件”的事件驱动的动态分组传递机制，解决了低平均带宽使用与对特定事件的迅速通信的需要之间的这种紧张状态。
因此，例如，控制器22与使用动态更新速率146(表示平均带宽使用率)的马达驱动器30’之间的通信可按需(例如，当发生控制器22产生的运动命令调用150或者发生驱动器30’产生的驱动事件152时)插入事件驱动的动态速率分组141’。驱动事件152可以是由驱动器产生的时间临界数据，例如，指示驱动器已到达了马达32的登记位置(从图1所示的传感器34得到)。这样的登记信息需要快速被传输以触发其它逻辑和运动指令。
参照图7、图8和图11，本发明还提供了运动结束事件154形式的额外驱动事件152，运动结束事件154指示当运动规划器100远程地设置在驱动器30中时对于给定运动指令87的运动规划服务的结束。该运动结束事件154由驱动器30中的运动规划器100产生并且被返回到控制器22。与驱动事件152类似，运动结束事件154触发额外的动态速率分组对141，以用信号通知控制器22对于运动指令87结束时伴随的控制程序54的指令86完成了运动指令87。动态速率分组120是通过开拓这种连接消息接发系统的能力而在连接消息接发系统环境中实现的，以将关于该平均值波动的平均带宽容纳在给定带宽连接内。
如上所述，应理解，动态速率分组对141也可以用在运动数据110正从控制器22传送到多个马达驱动器30但是不同速率的马达驱动器30所表示的不同轴需要运动数据110的情况下。即，一些轴可能需要较不精确的控制或较不频繁的更新。在该情况下，使用动态速率分组120加上事件触发可以增加工业控制网络28的带宽利用率的效率。
现在参照图14，例如如以上关于图9描述的运动指令87和运动规划器100的下载也可在I/O模块31中实现，I/O模块31不具有开关电路60提供的传统马达驱动能力，开关电路60可合成直接驱动马达线圈的高功率马达驱动信号。取而代之，I/O模块31可具有标准的低功率输出电路，该标准的低功率输出电路可产生脉宽调制(PWM)或脉冲串输出(PTO)信号，该脉宽调制(PWM)或脉冲串输出(PTO)信号可被提供到例如接收方向信号和脉冲串的步进马达驱动器以操作步进马达，或者提供到接收脉宽调制或模拟信号的扭矩马达驱动器等以控制到马达的电功率。在该情况下，如在以上关于图9描述的情况下，经由图5的处理块107，识别运动指令87和/或多个链接的非运动指令89，并且在判定块112，确定经由关联列表92与运动指令87相关联的I/O模块31是否具有执行运动规划器100和/或执行逻辑指令的能力。
如果不是，则配置程序82前进到其它配置任务，否则在处理块116处，包含运动指令87和链接的非运动指令89的算术/逻辑指令两者的处理块124与用于在马达驱动器30中协调运动指令87和算术逻辑指令86的执行的任何必要服务的配置一起被传递到I/O模块31。经由处理块118，修改下载到控制器22的控制程序54，以移除(或代理)处理块124的这些指令，这是由于这些指令要在马达驱动器30中执行。
某些术语在这里仅用于引用目的，因此不旨在为限制性的。例如，诸如“上面”、“下面”、“在…以上”和“在…以下”的术语指的是所参照的图中的方向。诸如“前面”、“后面”、“背面”、“底部”和“侧面”的术语描述了一致的但是任意的参照系内的部件的部分的定向，这通过参考描述所讨论的部件的文本和相关联的图而变得清楚。这样的术语可包括以上具体提及的词、其派生词以及类似意思的词。类似地，涉及结构的术语“第一”、“第二”以及其它这样的数字术语不意味着序列或顺序，除非上下文明确指出。
当介绍本公开内容和示例性实施例的元件或特征时，冠词“一(a)”、“一个(an)”、“该(the)”和“所述(said)”旨在表示存在一个或多个这样的元件或特征。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”和“具有”旨在为包括性的并且表示可存在除具体指出的那些元件或特征之外的另外的元件或特征。还应理解，这里描述的方法步骤、处理以及操作不应被解释为必须需要按照所讨论或说明的特定顺序来执行，除非具体标识为执行顺序。还应理解，可采用另外的或替选的步骤。
对“微处理器”和“处理器”或者“该微处理器”和“该处理器”的引用可以理解为包括可以在单机环境和/或分布式环境中通信的一个或多个微处理器，因此可以被配置成经由有线或无线通信与其它处理器通信，其中，这样的一个或多个处理器可以被配置成对可以为类似的或不同的装置的一个或多个处理器控制的装置进行操作。此外，除非相反规定，否则对存储器的引用可以包括一个或多个处理器可读且可访问的存储器元件和/或部件，该处理器可读且可访问的存储器元件和/或部件可以在处理器控制的装置内部、在处理器控制的装置外部，并且可以经由有线或无线网络来访问。
本申请通过引用合并与本申请同一日期提交的且受让给与本发明相同的受让人的、题为Output Module for an Industrial Controller和Input Module for anIndustrial Controller的美国申请。
具体地，本发明不限于这里包含的实施例和说明，并且权利要求应被理解为包括这些实施例的修改形式，其包括落入所附权利要求的范围内的实施例的部分和不同实施例的元素的组合。这里描述的所有公开(包括专利和非专利文献)在此通过引用将其全部内容合并于此。
根据本公开的实施例，还公开了以下附记。
附记1.一种工业控制器，包括：
网络接口，被适配成与一个或多个连接的马达驱动器通信；
电子计算机，与所述网络接口通信并执行存储在非暂态存储介质中的程序，以：
(1)接收提供运动控制指令的控制程序；
(2)通过以下步骤执行所述运动控制指令：
(a)识别与运动指令相关联的马达驱动器；
(b)确定所识别的马达驱动器是否能够执行运动规划器，所述运动规划器在由通过执行运动控制指令引起的运动命令启动时提供用于控制马达的时序运动数据，并且如果能够，则将所述运动命令经由至所识别的驱动器的网络接口传输至所识别的马达驱动器，否则，将所述运动命令传输至所述工业控制器中的运动规划器。
附记2.根据附记1所述的工业控制器，其中，所述控制程序的指令通过对存储在所述工业控制器中的、独立于所述控制程序的功能的调用来执行。
附记3.根据附记2所述的工业控制器，其中，所述功能和运动规划器以固件存储在所述工业控制器中。
附记4.根据附记3所述的工业控制器，其中，所述网络接口被适配成实现所述控制器与所述马达驱动器之间的连接消息接发，从而在连接之间预先分配网络通信容量，并且其中，所述电子计算机执行所存储的程序以打开所述控制器与所述驱动器之间的连接，从而传递运动命令或运动数据。
附记5.根据附记4所述的工业控制器，其中，所述电子计算机执行所存储的程序以分配所述网络通信容量的第一部分，从而与能够执行运动规划器的马达驱动器通信，其中，所述网络通信容量的第一部分小于为了与不能执行所述运动规划器的马达驱动器通信而分配的所述网络通信容量的第二部分。
附记6.根据附记5所述的工业控制器，其中，所述网络通信容量的第一部分是根据第一预定义的时间间隔的周期性的和由生成所述运动命令而触发的事件驱动的，并且所述网络通信容量的第二部分是根据小于所述第一预定义的时间间隔的第二预定义的时间间隔的周期性的。
附记7.根据附记6所述的工业控制器，其中，所述控制器包括驱动器简档，所述驱动器简档表示每个马达驱动器是否均包括固件的运动规划器并且接着确定能够执行运动规划器的所识别的马达驱动器是否是指所述驱动器简档。
附记8.根据附记7所述的工业控制器，其中，所述运动规划器对根据运动命令生成的运动轮廓进行总计，以提供作为多个运动轮廓的总和的、用于控制马达的时序运动数据。
附记9.根据附记8所述的工业控制器，其中，所述运动指令包括用于在定义的位置之间移动马达的指令、用于以定义的速度移动马达的指令、以及用于使马达与另一马达协调地移动的指令。
附记10.根据附记9所述的工业控制器，其中，所述控制程序是使用选自继电器梯形图逻辑、结构化文本和顺序功能图的编程语言生成的程序。
附记11.一种马达驱动器，包括：
开关电路，用于合成至马达的电源电压；
网络接口，用于与工业控制器通信；
电子计算机，与所述开关电路和所述网络接口通信，并且执行存储在非暂态存储介质中的程序，以：
(1)经由所述网络接口从工业控制器接收运动命令，所述运动命令表示所述工业控制器对运动指令的执行；
(2)响应于所述运动命令，使用运动规划器来生成用于所述开关电路的时序运动数据；以及
(3)与所述工业控制器传递表示所述时序运动数据的至少一部分的运动轮廓的结束。
附记12.根据附记11所述的马达驱动器，其中，所述运动规划器以固件存储在所述马达驱动器中。
附记13.根据附记12所述的马达驱动器，其中，所述网络接口被适配成实现所述马达驱动器与所述控制器之间的连接消息接发，从而在连接之间预先分配网络通信容量，并且其中，所述电子计算机执行所存储的程序以接收所述控制器与所述驱动器之间的连接，从而传递运动命令或运动数据。
附记14.根据附记13所述的马达驱动器，其中，所述运动规划器对根据运动命令所生成的运动轮廓进行总计，以提供作为多个运动轮廓的总和的、用于控制马达的时序运动数据。
附记15.根据附记13所述的马达驱动器，其中，所述电子计算机还执行所存储的程序，以实现与其他装置的单向连接消息接发，从而产生从所述马达驱动器到所述其他装置的时序运动数据。
附记16.根据附记15所述的马达驱动器，其中，所述其他装置选自：控制器、另一马达驱动器和I/O模块。
附记17.根据附记11所述的马达驱动器，其中，所述电子计算机还执行所存储的程序，以从控制程序加载并执行不是运动指令的指令。
附记18.根据附记13所述的马达驱动器，其中，所述连接是非周期性的，以提供与所述时序运动数据的周期性数据传递速率一样快的短期数据传递速率以及比所述时序运动数据的周期性数据传递速率小的长期数据传递速率。
附记19.一种输出模块，包括：
电输出端，被适配用于与外部设备连接；
网络接口，用于与其他装置通信；
电子计算机，与所述电输出端和所述网络接口通信，并且执行存储在非暂态存储介质中的程序，以：
(1)经由所述网络接口接收提供表示装置的运动的时序数据值的运动数据；
(2)经由所述网络接口接收经由所述网络接口从工业控制器输出的凸轮系统命令；
(3)响应于所述凸轮系统命令，在电输出端处生成提供表示装置的期望运动的周期的时序数据值的凸轮数据，所述凸轮数据基于所接收到的运动数据和保存在所述输出模块中的、将运动数据映射成凸轮数据的凸轮函数；以及
(4)在生成凸轮数据的周期后经由所述网络接口将结束信号发送至所述工业控制器。
附记20.根据附记19所述的输出模块，其中，所述凸轮函数以固件存储在所述装置中。
附记21.根据附记19所述的输出模块，其中，所述网络接口被适配成实现所述输出模块与所述工业控制器之间的连接消息接发，并且其中，所述电子计算机执行所存储的程序以打开所述工业控制器与所述输出模块之间的连接，从而经由所述连接传递运动数据和凸轮系统命令。
附记22.根据附记19所述的输出模块，其中，所述电子计算机还执行所存储的程序，以从控制程序的一部分加载并执行指令。
附记23.根据附记19所述的输出模块，其中，所述电子计算机还执行所存储的程序以实现与非控制器装置的连接消息接发，从而在所述输出模块与另一非控制器装置之间共享时序运动数据。
附记24.根据附记23所述的输出模块，其中，所述非控制器装置选自：马达驱动器和从输入装置接收编码器信号的I/O模块。
附记25.根据附记19所述的输出模块，其中，所述连接是非周期性的，以提供与所述时序运动数据的周期性数据传递速率一样快的短期数据传递速率以及比所述时序运动数据的周期性数据传递速率小的长期数据传递速率。
附记26.一种输入模块，包括：
电输入端，被适配用于与外部设备连接以从所述外部设备接收电信号；
网络接口，用于与其他装置通信；
电子计算机，与所述电输入端和所述网络接口通信，并且执行存储在非暂态存储介质中的程序，以：
(1)经由所述网络接口接收提供表示所述装置的运动的时序数据值的运动数据和登记命令；
(2)响应于登记命令，基于来自电输入端的电信号的预定状态而控制运动数据的记录；
(3)在运动数据的记录结束后，经由所述网络接口将结束信号连同所记录的运动数据一起发送至所述工业控制器。
附记27.一种输入模块，包括：
电输入端，被适配用于与外部设备连接以从所述外部设备接收电信号；
网络接口，用于与其他装置通信；
电子计算机，与所述电输入端和所述网络接口通信，并且执行存储在非暂态存储介质中的程序，以：
(1)经由所述网络接口接收提供表示所述装置的运动的时序数据值的运动数据和观察命令；
(2)响应于所述观察命令，基于所述运动数据的预定状态而控制对来自电输入端的电信号的记录；
(3)在对电信号的记录结束后，经由所述网络接口将结束信号连同所记录的电信号一起发送到所述工业控制器。

Claims (17)

1.一种马达驱动器，包括：
开关电路，用于合成至马达的电源电压；
网络接口，用于与工业控制器通信；
电子计算机，与所述开关电路和所述网络接口通信，并且执行存储在非暂态存储介质中的程序，以：
(1)经由所述网络接口从工业控制器接收运动命令，所述运动命令表示所述工业控制器对运动指令的执行；
(2)响应于所述运动命令，使用运动规划器来生成用于所述开关电路的时序运动数据；以及
(3)与所述工业控制器传递表示所述时序运动数据的至少一部分的运动轮廓的结束。
2.根据权利要求1所述的马达驱动器，其中，所述运动规划器以固件存储在所述马达驱动器中。
3.根据权利要求2所述的马达驱动器，其中，所述网络接口被适配成实现所述马达驱动器与所述工业控制器之间的连接消息接发，从而在连接之间预先分配网络通信容量，并且其中，所述电子计算机执行所存储的程序以接收所述工业控制器与所述马达驱动器之间的连接，从而传递运动命令或运动数据。
4.根据权利要求3所述的马达驱动器，其中，所述运动规划器对根据运动命令所生成的运动轮廓进行总计，以提供作为多个运动轮廓的总和的、用于控制马达的时序运动数据。
5.根据权利要求3所述的马达驱动器，其中，所述电子计算机还执行所存储的程序，以实现与其他装置的单向连接消息接发，从而产生从所述马达驱动器到所述其他装置的时序运动数据。
6.根据权利要求5所述的马达驱动器，其中，所述其他装置选自：控制器、另一马达驱动器和I/O模块。
7.根据权利要求1所述的马达驱动器，其中，所述电子计算机还执行所存储的程序，以从控制程序加载并执行不是运动指令的指令。
8.根据权利要求3所述的马达驱动器，其中，所述连接是非周期性的，以提供与所述时序运动数据的周期性数据传递速率一样快的短期数据传递速率以及比所述时序运动数据的周期性数据传递速率小的长期数据传递速率。
9.一种输出模块，包括：
电输出端，被适配用于与外部设备连接；
网络接口，用于与其他装置通信；
电子计算机，与所述电输出端和所述网络接口通信，并且执行存储在非暂态存储介质中的程序，以：
(1)经由所述网络接口接收提供表示装置的运动的时序数据值的运动数据；
(2)经由所述网络接口接收经由所述网络接口从工业控制器输出的凸轮系统命令；
(3)响应于所述凸轮系统命令，在电输出端处生成提供表示装置的期望运动的周期的时序数据值的凸轮数据，所述凸轮数据基于所接收到的运动数据和保存在所述输出模块中的、将运动数据映射成凸轮数据的凸轮函数；以及
(4)在生成凸轮数据的周期后经由所述网络接口将结束信号发送至所述工业控制器。
10.根据权利要求9所述的输出模块，其中，所述凸轮函数以固件存储在所述装置中。
11.根据权利要求9所述的输出模块，其中，所述网络接口被适配成实现所述输出模块与所述工业控制器之间的连接消息接发，并且其中，所述电子计算机执行所存储的程序以打开所述工业控制器与所述输出模块之间的连接，从而经由所述连接传递运动数据和凸轮系统命令。
12.根据权利要求9所述的输出模块，其中，所述电子计算机还执行所存储的程序，以从控制程序的一部分加载并执行指令。
13.根据权利要求9所述的输出模块，其中，所述电子计算机还执行所存储的程序以实现与非控制器装置的连接消息接发，从而在所述输出模块与另一非控制器装置之间共享时序运动数据。
14.根据权利要求13所述的输出模块，其中，所述非控制器装置选自：马达驱动器和从输入装置接收编码器信号的I/O模块。
15.根据权利要求9所述的输出模块，其中，所述连接是非周期性的，以提供与所述时序运动数据的周期性数据传递速率一样快的短期数据传递速率以及比所述时序运动数据的周期性数据传递速率小的长期数据传递速率。
16.一种输入模块，包括：
电输入端，被适配用于与外部设备连接以从所述外部设备接收电信号；
网络接口，用于与其他装置通信；
电子计算机，与所述电输入端和所述网络接口通信，并且执行存储在非暂态存储介质中的程序，以：
(1)经由所述网络接口接收提供表示装置的运动的时序数据值的运动数据和登记命令；
(2)响应于登记命令，基于来自电输入端的电信号的预定状态而控制运动数据的记录；
(3)在运动数据的记录结束后，经由所述网络接口将结束信号连同所记录的运动数据一起发送至工业控制器。
17.一种输入模块，包括：
电输入端，被适配用于与外部设备连接以从所述外部设备接收电信号；
网络接口，用于与其他装置通信；
电子计算机，与所述电输入端和所述网络接口通信，并且执行存储在非暂态存储介质中的程序，以：
(1)经由所述网络接口接收提供表示装置的运动的时序数据值的运动数据和观察命令；
(2)响应于所述观察命令，基于所述运动数据的预定状态而控制对来自电输入端的电信号的记录；
(3)在对电信号的记录结束后，经由所述网络接口将结束信号连同所记录的电信号一起发送到工业控制器。
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