正如我们在第1部分和第2部分在这个由六部分组成的系列文章中，机器设计随着无线连接、基于云的操作和开放编程而不断发展。
在本文中，我们将探讨以太网是如何继续在工业连接扩展。我们还详细越来越有用的电缆类型为IO-Link和HIPERFACE ...以及跨网络和单电缆解决方案。
基于以太网的工业协议继续超越传统的现场总线为自动安装数据的消息......而事实上，基于以太网的协议在工业网络的40％以上，现在使用。的确，一些现场总线比传统以太网产品是不确定性更可靠，但以太网速度领先。
HELUKABEL的数据、网络和总线技术销售经理Horst Messerer说:“一些旧的公交系统的数据速率是1到20 Mbit，没有实时反应。“某些类型的制造业可以忍受这些比率……所以总线协议不会完全消失——但它们的市场份额正在下降。”相比之下，以太网数据速率至少为100mbit，以支持实时跟踪和处理数据。
另外，不像现场总线和设备网络需要不同的物理层，以太网只需要一个……现在，以太网电源(PoE)让设计工程师进一步利用单一物理层。
这里展示的是应用运动产品公司的TSM14POE步进伺服集成电机。它采用以太网电源(PoE)单电缆解决方案，以满足运动控制应用需要的布线最少和占地面积小。将电源和以太网通信结合在一个连接器中，简化了集成电机的布线，因此它几乎可以安装在任何地方。
“工业物联网和运动控制的交叉带来的另一个趋势是在运动控制中使用PoE连接，”Applied motion Products的Eric Rice说。“在过去，很难从PoE连接中获得足够的能量来驱动电机……但在工业以太网交换机中，更高功率的IEEE标准的迅速采用，支持了这里的扩展。”
例如802.3at标准提供25瓦的功率向连接的设备 - 这是足以在全功率运行NEMA-14步进电机。
Rice说:“在Applied Motion Products公司，我们利用这种能力开发了一种完全集成的NEMA-14步进电机，具有闭环电流控制和电源和通信的单一标准以太网连接器。每个集成电机通过两根标准以太网电缆(RJ45或x编码M12)中的一根接收电源和通信，并支持常见的网络协议，如Modbus TCP和以太网/IP。
事实上，基于以太网的连接通常以以太网/IP的形式出现。这个应用层协议允许控件和I/O之间的通信;某些适应性允许同步和确定的多轴运动控制。
从综合WITTENSTEIN的网络动力系统（CDS）系列一体化驱动电子设备，交流伺服电机，与现代数字反馈设计。这些装置包括一个安全转矩关闭（STO）的功能以及多以太网（以太网/ IP，EtherCAT的，PROFINET，SERCOS III）和CANopen上游通信。
还看到戏剧性通过是串行实时通信系统（SERCOS）III采用工业以太网电缆连接驱动器，运动控制器，传感器，I / O，电机等致动器。与SERCOS III，确定性双向实时运动和控制的通信是可能的。还有一些协议善用以太网的优点包括以太网控制自动化技术（EtherCAT的），PROFINET和CC-Link的。
上图为Allied Motion的电动转向电机和方向盘传感器;EnduraMax 75i和95i电机集成电子;和H-Drive -所有这些都有可选的CANopen功能。
“我们创建定制的运动控制解决方案整合我们的齿轮，电机，反馈和控制技术。这的FreeS OEM厂商和最终用户可以专注于他们的系统架构和个别运动部件的互操作性担心，”杰夫·希勒，在盟军的运动系统工程师说。供应商通过加工需要适当接口末端执行器和其他子系统的任何输出确保了它们的集成运动解决方案的机械相容性。“此外，我们支持通过控制系统提供与各种数字网络和模拟I / O，并连接到每一个主要的网络标准 - 包括CANopen总线，CANopen的安全，J1939，Modbus RTU的，和EtherCAT，补充说：”希勒。
电缆连接 - IO-Link的，HIPERFACE，跨网络，以及单电缆解决方案
在许多情况下，协议需要物理组件的认证，包括电缆、控制器和反馈设备。考虑CAT5e和CAT6以太网电缆。802.3 (1gbit /sec或GbE)以太网可以使用Cat5a或越来越常见的Cat6电缆，支持我们刚才讨论的PoE。现在有两种用于CC-Link工业以太网(IE)的电缆——来自igus的柔性chainflex CAT5e和CAT6电缆——可用于电缆运营商捆绑的捆扎能源链并拥有北美市场的UL认证，以及CC-Link IE协议的认证。CC-Link IE协议在亚洲非常普遍，并在全球范围内不断发展。这种电缆可以通过这些网络级别的CC-Link变体在控制、设备和传感器级组件之间进行连接，所有这些都由一台工业计算机控制。
考虑这样一种计算机的一个例子——三菱电气自动化公司的MELIPC系列控制器。这些支持CC-Link IE现场工业网络(同样，CC-Link协议家族中的几个之一)，并允许数据交换到1毫秒的实时设备控制。控制器还利用网络进行数据计算、远程监控、边缘计算以及硬件和软件的集成。所有型号都安装了Windows 10 IoT Enterprise 2016，有些型号还安装了另一个操作系统(VxWorks)和开放平台edgcross来处理和分发数据。一些版本还包括触摸屏，可兼作人机界面。
东方电机NETC01-CC网络网关将数据从主机CC-Link通信协议转换为东方电机自己的RS-485通信协议。通过使用该网络网关及其布线，工程师可以在主机环境下集成和控制RS-485兼容的产品。
在其他地方，人机界面可能作为网关发挥双重作用……许多运动部件制造商提供网络网关和电缆，使其线性驱动器和其他设备能够连接到CC-Link。例如，网关可以将数据从主机CC-Link通信协议转换为组件供应商自己的RS-485通信协议。这样的网关(以及那些更复杂的网关)使得在主机通信环境下集成和控制rs -485连接的组件变得很容易。
即使在串行接口的持久标准和以太网连接的新兴形式之外，其他电缆和通信标准化正在简化给定网络级别上组件之间的复杂通信。考虑一下伺服驱动器和电机的单电缆解决方案:SICK的HIPERFACE DSL是一个使用单电缆技术的伺服控制反馈接口。全数字双线通信支持操作通信以及伺服轴的状态监测。
Allied Motion的系统工程师Jeff Shearer说:“新的编码器技术，如HIPERFACE DSL，允许通过一根普通电缆布线电机电源和位置反馈。”这降低了系统的复杂性和电缆成本。”
Curtiss Wright的Exlar自动化提供线性运动解决方案，几乎与所有放大器品牌兼容。单电缆DSL连接允许控制器和电机的快速无缝集成，同时降低总拥有成本。
希勒补充说，智能HIPERFACE DSL编码器还包括存储电机信息的内部存储器。“在初始连接时，伺服驱动器可以查询这些信息……从而实现电机设置和调试的自动化。HeiMotion的伺服电机——连接到Allied Motion的H Drive伺服驱动器——利用了这种电缆。”
但单电缆解决方案可能对线性驱动器最有利。
Exlar Automation的集成线性驱动器产品经理Eric Summerfield解释说:“Curtiss Wright的Exlar Automation提供的线性运动解决方案几乎与市场上所有的放大器制造商兼容。“增加单电缆DSL连接作为一种选择，可以实现从控制器到电机的快速无缝集成，同时降低总拥有成本。”
另一种正在兴起的单电缆解决方案是IO-Link，这是IEC 61131-9的品牌标准，定义了执行器和传感器连接的简化系统。事实上，到2023年，支持IO-Link的设备数量每年都可能翻一番，因为终端用户和oem都希望利用IO-Link功能套件的扩展。
这里显示的是通过IO-Link连接的AP10 SIKO位置指示器监测的线性运动轴。图片由ROVEMA GmbH提供
Dunkermotoren工业物联网与软件产品经理Markus Weishaar表示:“我们实际上正在考虑将IO-Link Master集成到我们的智能电机中，以扩展我们用于分散自动化概念的可连接传感器的能力。”“当然，因为我们的发动机可以通过工业以太网或can总线进行通信，所以我们认为没有必要将它们作为奴隶连接到IO-Link网络。”
这里显示的是博世力士乐IO-Link枢纽和其他组件。
IO-Link还可以将遗产数字化模拟接口在线性执行器上进行双向通信和更快的运行时间。“这就是为什么我们也收养了孩子IO-Link连接在控制端-多协议支持和串行接口连接，”Rusk说。
最后注意:电缆的可靠性用于惩罚任务
对于工业自动化，电缆必须具有机械和电气性能。
工程师必须知道在他们的机器中使用的电缆的预期使用寿命，因为终端用户需要知道电缆何时可能需要更换。这就是为什么我们为给定的电气等级的电缆提供不同的机械性能水平-这样工程师有更多的设计灵活性和(在适当的情况下)降低总体设计成本的能力。
这种定制，甚至可以使用光纤电缆。考虑对跟踪卫星的设计使用的电子卷轴产品最近的应用程序。目前市场上并不多连续弯曲光纤电缆......但我们在四个不同的机械性能水平出售。最坚固的，甚至可承受使用上的电子卷轴，这往往是非常苛刻的机械 - 有很多扭曲和弯曲。外接式电缆组件完成保证使用寿命的连接设置。
在另一个苛刻的应用，我们的组件防止油漆机器人corkscrewing电缆的问题。该连接子系统承受的攻击性弯曲半径和快的速度如此快的典型和敏捷型涂料体系 - 即使在机器人跟踪，这都很难对电缆路径。更重要的是，在喷漆房的电缆必须承受沉重的溶剂和涂料在汽车应用中使用的类型 - 以及符合UL危险环境列表。在这里，高柔性电缆（在我们的德语测试实验室预验证）确认电缆是最终的规格和安装前适当。
⚙️继续阅读本系列的第4部分:边缘计算和网关在工业机械中激增
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