基于现场总线的开放式网络化数控系统的设计

　　目前开放化是数控系统的研究热点。开放式的技术基础就是系统的模块化，然而这种模块化的设计在实现数控系统增量式功能拓展的同时，往往因追求密集的软硬件设计而造成数控系统体积庞大，接口繁杂，功能重叠等负面效应。集中式模块化设计中模块间的模拟量及并行连线的方式，也使得数控系统的整体结构变得复杂，在造成信息交互密集的情况下，系统的实时性得不到有效保证。另外，随着工业现场环境和控制对象本身的日益庞杂，数控系统已从简单的运动轨迹控制器转变成贯穿数字化制造全过程的系统级平台。数控设备在实现高速、高精、高效的加工自动化的过程中，对加工过程实时可控的要求越来越高，因此状态监测也成为数控研究的一个重要方向。

　　与此同时，以Profibus为代表的现场总线技术已经进入相对成熟的阶段。现场总线是应用在生产现场并在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是一种多点通信的开放化数字式底层控制网络。并且现场总线还能够与上层的企业内部网和英特网相连，为实现自动化企业一直追求的基于控制一监控一管理一体化的综合自动化提供解决方案。随着数控系统模块化的趋势。数控系统的很多功能单元已经拥有了单独的控制器和运算器，具有了独立的数据指令处理体系，迫切需要以一种全新的优化方式和拓扑结构融人到数控系统的功能框架中。而现场总线应用的基础就是具备独立智能控制能力和通讯能力的节点现场设备。可以说，将Profibus为代表的总线技术应用到分布式数控系统的设计中，以实现数控系统的开放性和状态监测是合适的，并且符合未来技术发展的趋势。因此本文以总线技术为基础，结合网络技术、组件技术和数据库技术设计了一种开放式可监测的数控系统。

1 数控系统框架

　　系统分为上下两层网络，分别为底层设备互联网络和远程故障监测诊断网络。下层的设备互联网络由Profibus总线和SERCOS总线将各组成单元有机地联系起来。以基于PC架构的控制器为核心，实现数控加工的正常控制和现场信号的采集、监测与上传。上层监控网络结合英特网技术和数据库技术，采用三层C／S架构的信息交互模式。以数据库为核心，将底层网络上传的数据存储在数据库服务器中，实现全系统的数据共享。上下网络之间的数据通讯通过安装在控制器上的监控工作站实现。其结构如图1所示。

图1系统框架

2 底层设备互联网络的软硬件体系架构

　　2.1 基于总线技术的底层设备互联网络的硬件平台

　　底层网络是由控制器、伺服驱动单元、主轴单元、I／O逻辑控制单元、HMI单元、总线通信接口卡等以总线方式连接的网络。系统中伺服驱动单元和主轴单元采用SERCOS总线连接。I／O单元、HMI单元通过Profibus—DP总线与数控系统连接。其结构框图如图2所示。

图2底层网络结构

　　由图可见，相对于传统的集中式数控系统结构，控制器的地位发生了变化。由原来的核心模块变成了总线中的一个节点。尽管控制器仍然可以被设置为总线中的主设备并作为整个系统的控制主体，负责系统任务的发起和控制数据的生成。但通讯方式的改变使其在拓扑结构上与其他外围设备节点处于同等地位。

　　2.1.1 系统采用的总线的特点及功能分析

　　现场设备层负责具体的生产及其任务协调，数据响应时间量级为毫秒级，故系统对连接分布式部件的现场总线有特殊的要求。下面分析SERCOS总线和Profibus-DP总线的各项指标是否符合数控系统的要求。

　　假设伺服控制算法、插补算法和自适应前馈补偿算法执行周期分别为T1、T2和T3，且3种算法执行的频率分别为f1、f2和f3，在此，f1

　　式中m为总线上一次传输的总比特数。如果根据实际要求计算出来的f小于现场总线的传输速率，则表示总线能满足实际需求。下面分析SERCOS总线的特性。图3为SERCOS总线的报文结构。

图3 SERCOS总线报文结构

　　每个报文的通讯格式为

　　MST报文的数据域只有1个字节。MDT报文的数据域和AT报文的数据域又分为同定部分和可配置部分。两者的固定部分都包含2字节的状态字和最多8字节的服务信息字；可配置部分最多可包含4个字节。通信周期内数据传送量ⅣScYc可表示为式中x、y分别为服务信息域、可配置域字节数。本系统中挂接4个进给驱动器，一个主轴驱动器。其中驱动器报文数据域共有6个字节，主控数据报文数据域有14个字节。故NscYc=91 x 8=728Bit。将728替换式(4)中的变量m，得f=808 080<2MBaud。

　　同理对Profibus-DP总线进行分析。其通讯信息循环内数据量为

系统中Profibus总线上包含1个主站，2个I／O模块从站，1个HMI单元，1个监控单元从站，共有1个主站，4个从站，根据每个从站单元输入、输