【工业4.0案例分析之七一】西克公司智能电机的数字接口HIPERFACE DSL®

意外停机是未来竞争中的主要不利因素。生产设备必须值得信任，而且用户还期待更好的机器性能。驱动组件是构成生产设备的核心要素，如果它出意外，整个生产过程也将出错。西克公司的sHub®能够将加速传感器的数据同步发送至控制器，从而控制发动机滚珠轴承。在这些数据的基础上，滚珠轴承损坏而造成的潜在损失可以被精确预测，从而能够避免意外停机将，提高整体效率。此外，西克公司的HIPERFACE DSL®数字接口使调节器和伺服电机间的单电缆解决方案成为可能，而位置传感器（括绕组温度传感器）的供电和通信只需两根电线传输，从而能够减少附加的电缆数量。

西克公司简介

西克在全世界拥有超过5800名员工和将近50家子公司，是传感器技术领域最为成功的领先企业之一。企业的创新人才和解决方案专家让企业成为市场的领军者。西克公司的产品范围包括：

• 对所有物品和媒介进行非接触式检测、计算、分类、定位和测量；
• 通过传感器、安全软件和相关服务，防止意外发生和保护人们；
• 利用条形码和射频识别读卡器的自动识别技术；
• 用激光测量传感器检测数量、位置以及人和物品的轮廓；
• 用于分析和测量气体和液体的流量的完整系统解决方案。

用于电机反馈系统的HIPERFACE DSL接口

HIPERFACE DSL本身是一个数字协议，利用这个协议可以尽可能减少变频器和电机反馈系统之间的电缆，该协议使得通过电机接线电缆连接电机反馈系统成为可能。

带有HIPERFACE DSL接口的电机反馈系统可以用于所有性能范围的电机，并且它具有以下特点，因而极大地简化了驱动中编码器系统的安装：

• 标准化数字接口（RS485）
• 编码器接口无需模拟组件
• 变频器应用和协议逻辑之间的标准化接口

西克公司的HIPERFACE DSL高性数字伺服接口考虑了数字电机反馈系统当下所有要求，还包括提供给变频器制造商的未来增强功能。

HIPERFACE DSL协议简介

HIPERFACE DSL是电机反馈系统的快速数字协议，用于连接伺服驱动和电机反馈系统。协议安装在变频器的传输层，利用数字逻辑周期（DSL Master IP内核）。

HIPERFACE DSL用两种不同的方式生成位置信息：自由运行模式或同步模式。自由运行模式采样位置值并尽快传输，同步模式采样位置值后用定义时钟信号同步传输。加上变频器应用，这一时钟信号通常就是变频器的定时反馈。同步模式下协议与采样数据的时间点匹配，没有时间波动，因为时间是从变频器传来的。

每个变频器周期至少采样一个位置值，持续地延迟传输到DSL Master。因为协议与内部数据传输到变频器周期的速度，HIPERFACE DSL的整体传输速率取决于变频器时钟。协议包与不同长度匹配，由于变频器周期足够长，额外的取样点可以置于变频器周期中，作为“额外”协议包。额外包的数量由用户用分配值设计。每个变频器周期传输的协议包数量不能随机选择，因为必须遵守长度区间的端值。在设计分配额的时候需要考虑这一点。

在自由运行模式中，采样和传输没有考虑变频器周期，协议使用最小协议包长度。需要注意的是，自由运行模式的最小协议包长度小于同步模式的协议包长度。

HIPERFACE DSL接口包含以下通道

数据处理通道

电机反馈系统的快速位置信息在处理数据通道上进行传输，与变频器周期同步输入的信号控制位置请求同时进行。数据处理通道是HIPERFACE DSL协议最快的通道。每个传输的协议包包含这一通道的完整更新内容。这一内容包含旋转速度增加和快速定位，用作电动机控制回路的反馈参数。如果不能计算数据处理通道的快速定位（由于传输原因或传感器错误），DSL Master会用安全通道1的最后两个已知位置信息进行估计。还提供了最糟糕情况下与真实机械位置的偏差。

安全通道1

电机反馈系统的安全定位值在安全通道上以绝对值传输。此外，编码器的状态也以错误和警告的形式在这一通道上报告。安全通道的安全位置信息传输与同步输入的变频器周期信号不同步。DSL Master IP内核用安全定位检查处理数据通道的快速定位信息，还可以被变频器应用于同一目的。当安全定位信息和快速定位信息有偏差时，错误信息生成。在这种情况下，协议用估计的定位替代快速定位。安全通道的每一个包裹，即状态数元集，反映了电机反馈系统的错误和警告。要注意的是，安全通道的摘要字节的每一个字节代表电机反馈系统的每一个状态字节。编码器的每一个状态字节都可以用“短信”阅读。

安全通道2

绝对位置值和电机反馈系统的状态的副本在安全通道2中进行传输。这一信息在标准应用中可以丢弃。只有DSL Master IP内核的安全变量数据才可以进入安全通道2。

参数通道

参数通道是一接口，变频器应用在接口读写电机反馈系统的数据。除了位置测量这一主要任务，带HIPERFACE DSL接口的电机反馈系统还负责安装许多内部资源。这些资源可以通过参数通道获取。资源包括温度测量、用于校正功能的监控机制、产品数据（电子标签）或可以自由编程的数据字段。要注意的是，真正安装在DSL产品的资源是不同的，列在相关产品数据表格上。参数通道共有“短消息”处理和“长消息”处理两种沟通类型。

“短消息”处理可以访问对HIPERFACE DSL协议接口有影响的资源，用作监控。包括电机反馈系统详细状态和错误信息和DSL连接信号强度指示。由于“短消息”处理是由电机反馈系统的接口逻辑直接进行，因而能在相对较短的时间内完成。“长消息”处理可以访问电机反馈系统的其他所有资源。和“短消息”处理不同，“长消息”通常需要电机反馈系统处理器进行处理，因而无法提前确定所需的响应时间。要注意的是，在HIPERFACE DSL里，任何时候最多同时处理一条“短消息”和一条“长消息”。

传感器中枢通道

外部传感器的数据可以在传感器中枢通道上进行转移。外部传感器必须通过HIPERFACE DSL传感器中枢接口连接电机反馈系统。通过接口可以访问不同的传感器或传感器网络，还可以用HIPERFACE DSL进行筛选。

外部传感器的配置通过参数通道展开，与此同时，通过传感器中枢通道筛选数据。传感器中枢通道的协议包传输与DSL传输同时进行，还作为变频器周期信号的延伸，信号在DSL Master同步输入显示。依靠传感器中枢接口，外部数据可以作为样本和进行同步传输。传感器中枢通道中的协议不受HIPERFACE DSL监控。除了监控数据传输质量，通道上没有其他协议机制。

西克公司的安全运动控制方案

机器性能的不断提高使人们更加关注人、机器和系统的保护。创新的机器和安全概念必须在提高机器效率的同时确保安全。这就是安全运动控制崭露头角的地方。安全运动控制是指利用运动控制和运动控制传感器领域的产品增强安全监控。有了对机器操作者和机器参数（速度、轨道和加速度）的安全监控，就能够准确地区分危险和安全的机器操作。这样一来，机器能够得到更合理的控制，并且机器运行能够不被打断，从而最小化故障停机时间，提高机器和系统的效率。

利用安全运动控制进行安全驱动监控

对于实施机械操作和水压操作的的机器，当安全光幕受到干扰或安全门打开了，整个驱动控制系统安全地切断能源供应。然而，在电动轴里，西克公司的安全驱动监控器FX3-MOC使用HIPERFACE驱动的信号，来达到预期的关机功能以及预期的性能水准。如有必要，还需要第二个独立信号/编码器。