ZHCADP7A September 2022 – January 2024 DP83TC812R-Q1 , DP83TG720S-Q1
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为跟上第四次工业革命（即工业 4.0）的步伐，机器人系统设计中的通信正在经历一场变革。从现状来看，机器人通信必须稳定、准确，具有出色的时序特性，并且既不能阻碍轴的运动，也不能受到轴运动的负面影响。多年来，为了满足机器人通信的严格要求，一些重要但互不相同的通信接口不断发展演变。机器人不断增长的速度和带宽要求开始超出这些非常有效的接口的能力。
随着设计人员不断探寻新的方法来实现更短的周期时间和更高的吞吐量，从而满足大数据要求，使带宽更宽的系统以超高效率工作，并更大限度地缩短停机时间，他们也希望通过重复使用现有布线基础设施来更大限度地减少对升级的影响。大多数系统还采用高级功能，例如更智能的诊断、更高的安全规格以及更快、更好的实时特性来进行电机控制。
机器人系统架构必须满足带宽裕度等通信接口要求。随着带宽要求不断提高，设计人员将整合以太网和光学设计，这些设计比 RS-485 和控制器局域网 (CAN) 等传统接口更快。但是，在迁移到以太网时，需要考虑如何通过 Ethernet/IP、EtherCAT、Profinet 等工业以太网协议，或通过实现专有的通信协议，更大限度地减少以太网协议实时性能的延时。
本文讨论了 SPE (Base-T1) 在机器人应用中的优势，以及为机器人系统设计紧凑、高效、稳健且低噪声的通信接口时面临的主要挑战。需要了解这些挑战，才能在机器人系统中实现单对双绞线以太网，同时仍实现所需的性能来高效地操作机器人。
通常，两个关键设计参数是数据速率和电缆尺寸或长度。这两个参数是相关的，这意味着某些通信接口的电缆长度定义了可实现的数据速率。第二个参数是实现接口所需的电缆和连接器引脚的物理数量。
表 1-1 列出了机器人系统中通常使用的 PHY 类型的标准数据速率和电缆长度。
| 通信接口 | 数据速率 | 电缆长度 | 双绞线 |
|---|---|---|---|
| 4mA 至 20mA I/O | 0.01Mbps(1) | 3000m | 1 |
| HART | 00012Mbps | 3000m | 1 |
| CAN | 1Mbps | 40m | 1 |
| CAN 灵活数据速率 (FD) 或 CAN 信号改善功能 | 10Mbps | 10m | 1 |
| RS-485 | 20Mbps | 40m | 1 |
| 100Base-TX | 100Mbps | 100m | 2 |
| 1000Base-TX | 1,000Mbps | 100m | 4 |
| 1000Base-SX | 1,000Mbps | 1,000m | 多模光纤 |
| 1000Base-LX | 1,000Mbps | 5,000m | 单模光纤 |
| 低电压差分信号 | 360Mbps | 10m | 1 |
| 100Base-T1 | 100Mbps | 50m (UTP) 100m (STP) | 1 |
| 1000Base-T1 | 1,000Mbps | 15m (UTP) 40m (STP) | 1 |
| 10Base-T1L | 10Mbps | 1 | |
| 10Base-T1S | 10Mbps | 1 |
在考虑特定机器人系统所需的数据速率和电缆长度时，还应考虑系统中使用的电缆的电缆老化（很大程度上受机器人运动的影响）、成本、直径和重量。由于电缆老化，机械臂中机械手的电缆树通常每 2 至 3 年更换一次。这属于预防性维护，无需测试电缆功能。考虑到这一点，通过减少电线数量（可能会老化）并在 PHY 中引入智能诊断功能（以了解电缆的持续质量），故障点会更少，而电缆和连接器的运行状况会表明是否需要更换电缆，而不是每隔几年，无论是否需要，都随意更换电缆。另一个好处是由于布线较小电缆所需的空间较小，因此机械臂的机械结构变得更小且更具有成本效益。
除了数据速率和电缆选择之外，还有一些规格会影响机器人系统的性能，因此必须了解这些规格。以下列表显示了一些会影响机器人系统性能的系统元素，在系统设计中必须考虑这些点。