IEC 62410：实时以太网 SERCOS III – 基于工业以太网的确定性运动控制

1. SERCOS III 概述

IEC PAS 62410 定义了 SERCOS III 的规范，这是专为运动控制设计的实时以太网协议。SERCOS III 是 SERCOS 接口的第三代产品，从 IEC 61491 发展而来，利用标准以太网硬件提供确定性实时行为。

SERCOS III 在 IEC 61784-2 框架下归类为 CP16/3，与前代保持应用层兼容性。

2. 网络拓扑结构

2.1 环型拓扑

环型拓扑是 SERCOS III 网络的主要配置，提供内置线缆冗余。每个参与者有两个双向通信端口（端口 1 和端口 2），它们可以互换使用。主站同时沿两个方向传输数据：主通道（顺时针方向）和辅助通道（逆时针方向）。如果发生线缆断裂，受影响的从站会自动重新配置并通过剩余路径重新路由流量，保持连续运行。

2.2 线型拓扑

在线型拓扑配置中，最后一个物理从站执行环回功能。虽然这种更简单的拓扑减少了布线需求，但它不提供针对线缆断裂的冗余保护。然而，线型配置中未使用的端口可用于标准 IP 通信，为混合流量网络提供了灵活性。

2.3 同步等级

3. 通信机制

3.1 MDT 和 AT 电报结构

SERCOS III 使用主/从通信模型，主站（通常是 CNC 或运动控制器）协调所有数据交换。基本通信结构包含两个主要的实时通道：

主站数据电报 (MDT) 从主站传递设定值（位置、速度、转矩、控制字）到所有从站。放大器电报 (AT) 从从站传递反馈数据（实际位置、速度、状态字、诊断数据）到主站。每个电报分为服务通道（SVC）区域和实时数据字段（RTD）区域。

3.2 热插拔能力

SERCOS III 的一个显著特点是其热插拔能力。从站可以通过检查每个端口上的 SERCOS 帧类型来区分主报文和辅助报文。当从站在两个端口上接收到相同类型的电报时，它识别为线型拓扑；当在一个端口上接收到主报文而在另一个端口上接收到辅助报文时，它识别为环型拓扑。这种自发现机制实现了动态网络重配置。

4. 工程设计见解

成功的 SERCOS III 系统部署需要注意以下几个关键因素。SERCOS III 的核心优势在于其确定性通信模型和与前代产品的兼容性，使得从 SERCOS I/II 升级到基于以太网的第三代接口变得简单直接，同时保留了成熟的运动控制应用层协议。

• 线缆和连接器质量： 仅使用带坚固工业连接器（优选 M12）的屏蔽 CAT5e 或更好的线缆。在环型拓扑中，单个不良连接会危及整个网络的可靠性。
• 周期时间优化： 将 SERCOS 周期时间与伺服驱动器更新速率匹配。对于高性能应用，31.25 µs 或 62.5 µs 周期是典型值。对于通用运动控制，250 µs 至 1 ms 周期提供足够的性能。
• 拓扑选择： 在可靠性至上的新安装中使用环型拓扑。仅在对成本敏感且不需要线缆冗余的应用中考虑线型拓扑。
• 设备寻址： SERCOS III 设备地址独立于网络中的物理位置。根据机器架构逻辑地规划地址分配，简化维护和故障排除。这意味着设备的位置可以改变而不影响通信配置。
• 向后兼容性： SERCOS III 在应用层保持与 CP16/1 和 CP16/2 的兼容性，支持从早期 SERCOS 代际迁移软件，同时享受更高的通信速度和基于以太网的基础设施优势。现有的运动控制应用程序可以无缝迁移，无需大规模重写。

5. 常见问题