基于现场总线的开放式网络化数控系统的设计

出的字节数，可计算出信息循环的总传输位数为1 074 Bit，代入式(4)，可得1 192 140<1.5 MBaud。

　　综上可得，在控制四轴联动且各功能模块实时性要求较高的情况下SERCOS和Profibus—DP总线能很好地满足系统要求，并且整个系统的实时性是由总线的宽度决定的，而不是由算法执行一次所需要的时间决定的。

　　2.1.2 各模块基本结构与功能

　　1)控制器

　　控制器是整个总线系统的主设备，负责数控加工任务的规划，指令与数据的生成、计算和输出，网络系统的初始化，任务的发起，状态查询和数据下载等工作。本文的控制器基于PC架构，透过总线接口卡与总线连接。实际中使用的是Profibus。DP主站接口卡和SERCOS通信板卡。Profibus—DP主站接口卡是一块智能DP协议卡，完成Profibus协议链路层和物理层的功能。该接口卡是从站和主站的连接桥梁，通过其内部数字信号处理器(DSP)芯片实现Profibus。DP的协议，能准确、及时地实现主从站的数据交互。SERCOS通信板卡由ISA接口电路、译码电路、SERCOS处理器和光纤编码接口组成，实现SERCOS主卡和从卡的通信。

　　2)HMI单元

　　该单元可完成数控加工数据的输入，同时还可处理与用户操作和监控有关的系统功能，具备显示、键盘处理、用户数据传输等功能。

　　3)I／O智能模块单元

　　该单元是数控系统和现场设备中各种离散量的接口。该单元具有专门的处理器，具备智能数据处理和数据通讯能力，可独立接收、执行总线上的命令。

　　4)数字伺服驱动器单元这是数控系统操控电机运动的功率单元，是运动控制性能的关键部分。驱动器是系统的运动控制执行器，是与电机等执行装置和机械设备的接口，负责将控制器的任务和数据转变成运动控制输出，实现弱信号对强电流的控制。

　　5)监控诊断单元

　　它是数控系统状态监测、故障处理的独立模块。该模块与传感装置直接连接，可实时采集设备关键部位的工作数据，并能进行预处理和应急处理，能够在必要时与控制器建立信息交互。

　　底层设备互联网络中的模块设备通过总线联系在了一起，各模块不论挂接在哪个总线上，都遵循各自的总线通讯协议，按规定的格式交换信息，共同协调完成控制任务。这样的设计使得系统的结构不仅在硬件仁得到了统一化，而且在软件接口上也有了统一的开放形式。

　　2.2 控制器软件结构

　　控制器足底层网络的核心，是网络运行的大脑，本文中重点介绍控制器的软件设计。文中控制器的软件分为基础软件平台、应用平台、应用程序3个层次一，如图4所示。

图4控制器软件体系结构

　　基础软件平台由Venturcom公司的RTX(realtime extension)和微软公司的Windows 2 000操作系统组成。Windows 2000操作系统可提供良好的图形用户界面、丰富实用的Win32API函数、高效易用的开发工具和大量可用的第三方设备驱动程序。RTX为Windows 2000系统做了实时扩展，解决了Windows2000系统在支持可预测线程同步、优先级可继承、中断延迟和线程切换的可预见性等方面的不足。使用RTX后系统线程切换时间平均达到3.6us，定时器响应速度平均达到10.3us。数控系统实时性要求最高的插补运算和软PLC等任务，就运行在RTX环境下。实际应用时RTX为应用软件提供了与Win 32.dll功能类似的可动态加载和卸载的RT.dll，该动态连接库可帮助实现应用程序对底层硬件的调用。

　　应用平台由数控系统基本功能单元组件构成。包含加减速控制、插补、刀具补偿、译码等近20个模块。这些模块可在不同的条件下，编译组合实现不同的数控任务。

　　应用程序层根据数控任务划分为运动控制单元、逻辑控制单元、网络单元、交互单元和管理控制单元等5个单元。

　　(1)运动控制单元：接受数控程序文件形式的运动指令，或手动操作指令，以及逻辑控制子系统出发的运动控制，经过密化计算，生成运动型设备可以接受的微运动指令。

　　(2)逻辑控制单元：接受逻辑控制程序文件形式的逻辑，并根据此逻辑和其他子系统有关的状态，以及过程型设备的状态，对过程型设备进行操作控制。

　　(3)交互单元：接受各个子系统的信息显示请求，在系统显示机制的支持下，实现信息显示。

　　(4)管理控制单元：接受用户信息，派发任务消息；完成系统的配置、运行调度；完成文件管理、网络通信等服务性任务；加载第三方工具软件。

(5)网络单元：实现系统与外部网络的通讯。由于应用平台中的基本功能单元采用组件技术，使得每个组件可单独开发、单独编译，并可与其他组件一起进行编译连接。因此，利用基本功能单元的这种可配置性，用户就可以根据自己的系统需求来生产不同的任务模块。然后，把这些任务模块集成起来就得到所需要的应用程序，进而形成不同的数控系统。图5为