基于總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的開(kāi)放式可監控數控系統

引言

　　目前開(kāi)放化是數控系統的研究熱點(diǎn)。開(kāi)放式的技術(shù)基礎就是系統的模塊化，然而這種模塊化的設計在實(shí)現數控系統增量式功能拓展的同時(shí)，往往因追求密集的軟硬件設計而造成數控系統體積龐大，接口繁雜，功能重疊等負面效應。集中式模塊化設計中模塊間的模擬量及并行連線(xiàn)的方式，也使得數控系統的整體結構變得復雜，造成在信息交互密集的情況下，系統的實(shí)時(shí)性得不到有效的保證。另外，隨著(zhù)工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境和控制對象本身的日益龐雜，數控系統已從簡(jiǎn)單的運動(dòng)軌跡控制器轉變成貫穿數字化制造全過(guò)程的系統級平臺。數控設備在實(shí)現高速、高精、高效的加工自動(dòng)化的過(guò)程中，對加工過(guò)程實(shí)時(shí)可控的要求越來(lái)越高，因此狀態(tài)監測也成為數控研究的一個(gè)重要方向。

　　與此同時(shí)，以PROFIBUS為代表的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入相對成熟的階段?，F場(chǎng)總線(xiàn)能夠與上層的企業(yè)內部網(wǎng)(Intranet)和英特網(wǎng)(Internet)相連，為實(shí)現自動(dòng)化企業(yè)一直追求的基于控制一監控一管理一體化的綜合自動(dòng)化提供解決方案。隨著(zhù)數控系統模塊化的趨勢，數控系統的很多功能單元已經(jīng)擁有了單獨的控制器和運算器，具有了獨立的數據指令處理體系，迫切需要以一種全新的優(yōu)化方式和拓撲結構融入到數控系統的功能框架中。而現場(chǎng)總線(xiàn)應用的基礎就是具備獨立智能控制能力和通訊能力的節點(diǎn)現場(chǎng)設備?？梢哉f(shuō)，將PROFIBUS為代表的總線(xiàn)技術(shù)應用到分布式數控系統的設計中，以實(shí)現數控系統的開(kāi)放性和狀態(tài)監測是合適的，并且符合未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢。因此，本文以總線(xiàn)技術(shù)為基礎，結合網(wǎng)絡(luò )和數據庫技術(shù)設計一種開(kāi)放式可監測的數控系統。

1 數控系統框架

　　系統分為上、下2層網(wǎng)絡(luò )，分別為底層設備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )和遠程故障監測診斷網(wǎng)絡(luò )。下層的設備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )由PROFIBUS總線(xiàn)和SERCOS總線(xiàn)將各組成單元有機地聯(lián)系起來(lái)。以基于PC架構的控制器為核心，實(shí)現數控加工的正?？刂坪同F場(chǎng)信號的采集、監測與上傳。上層監控網(wǎng)絡(luò )結合Internet技術(shù)和數據庫技術(shù)，采用3層C/S構架的信息交互模式。以數據庫為核心，將底層網(wǎng)絡(luò )上傳的數據存儲在數據庫服務(wù)器中，實(shí)現全系統的數據共享。上、下網(wǎng)絡(luò )之間的數據通訊通過(guò)安裝在控制器上的監控工作站實(shí)現。其結構如圖1所示。

2 底層設備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的軟硬件體系架構

　　2.1 基于總線(xiàn)技術(shù)的底層設備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的硬件平臺

　　底層網(wǎng)絡(luò )是由控制器、伺服驅動(dòng)單元、主軸單元、I/O邏輯控制單元、HM I單元、總線(xiàn)接口卡等以總線(xiàn)方式連接的網(wǎng)絡(luò )，使用SERCOS和Profibus-DP2種總線(xiàn)[5]o SERCOS總線(xiàn)采用光纖傳輸，數據傳輸速率高，適合于多軸聯(lián)動(dòng)控制。Profibus-DP總線(xiàn)是一種高速連接總線(xiàn)，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統與設備級分散I/O之間的通信而設計，適合于分布式控制系統的高速數據傳輸?；诖?，本系統中伺服驅動(dòng)單元和主軸單元采用SERCOS總線(xiàn)連接。I/O單元、HMI單元通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)與數控系統連接。其結構框圖如圖2所示。

　　由圖2可見(jiàn)，相對于傳統的集中式數控系統結構，控制器的地位發(fā)生了變化，由原來(lái)的核心模塊變成了總線(xiàn)中的一個(gè)節點(diǎn)。盡管控制器仍然可以被設置為總線(xiàn)中的主設備并作為整個(gè)系統的控制主體，負責系統任務(wù)的發(fā)起和控制數據的生成。通訊方式的改變使其在拓撲結構上與其他外圍設備節點(diǎn)處于同等地位。

　　圖2中各模塊功能如下:

　　(1)控制器。它是整個(gè)總線(xiàn)系統的主設備，負責數控加工任務(wù)的規劃、指令與數據的生成、計算和輸出，網(wǎng)絡(luò )系統的初始化、任務(wù)的發(fā)起、狀態(tài)查詢(xún)、數據下載等工作。本文的控制器基于PC架構，通過(guò)總線(xiàn)接CI卡與總線(xiàn)連接。實(shí)際中使用的是Profibus-DP主站接口卡和SERCOS通信板卡。Profibus-DP主站接口卡是一塊智能DP協(xié)議卡，完成

　　PROFIBUS協(xié)議的鏈路層和物理層功能。該接口卡是從站和主站的連接橋梁，通過(guò)其內部數字信號處理器( DSP)芯片實(shí)現Prof ibus-DP的協(xié)議，能準確、及時(shí)地實(shí)現主、從站的數據交互。SERCOS通信板卡由ISA接口電路、譯碼電路、SERCOS處理器和光纖編碼接口組成，實(shí)現SERCOS主卡和從卡的通信。

　　(2)HMI單元。該單元可完成數控加工數據的輸入，同時(shí)還可處理與用戶(hù)操作和監控有關(guān)的系統功能，具備顯示、鍵盤(pán)處理、用戶(hù)數據傳輸等功能。

　　(3)I/O智能模塊單元。該單元是數控系統和現場(chǎng)設備中各種離散量的接口。該單元具有專(zhuān)門(mén)的處理器，具備智能數據處理和數據通訊能力，可獨立接收、執行總線(xiàn)上的命令。

　　(4)數字伺服驅動(dòng)器單元。這是數控系統操控電動(dòng)機運動(dòng)的功率單元，是運動(dòng)控制性能的關(guān)鍵部分。驅動(dòng)器是系統的運動(dòng)控制執行器，是與電動(dòng)機等執行裝置和機械設備的接口，負責將控制器的任務(wù)和數據轉變成運動(dòng)控制輸出，實(shí)現弱信號對強電流的控制。

　　(5)監控診斷單元。它是數控系統狀態(tài)監測、故障處理的獨立模塊。該模塊與傳感裝置直接連接，可實(shí)時(shí)采集設備關(guān)鍵部位的工作數據，并能進(jìn)行預處理和應急處理，能夠在必要時(shí)與控制器建立信息交互。

　　底層設備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )中的模塊設備通過(guò)總線(xiàn)聯(lián)系在一起，各模塊不論掛接在哪個(gè)總線(xiàn)上，都遵循各自的總線(xiàn)通訊協(xié)議，按規定的格式交換信息，共同協(xié)調完成控制任務(wù)。這樣的設計使得系統的結構不僅在硬件上統一，而且在軟件接口上也有統一的形式。

　　2.2 控制器軟件結構圖

　　控制器的軟件分為基礎軟件平臺、應用平臺、應用程序3個(gè)層次，如圖3所示。

　　基礎軟件平臺由Venturcom公司的RTX ( realtime extension)和微軟公司的Windows 2000操作系統組成[bio Windows 2000操作系統可提供良好的圖形用戶(hù)界面、豐富實(shí)用的Win32 API函數、高效易用的開(kāi)發(fā)工具、大量可用的第三方設備驅動(dòng)程序。RTX為Windows 2000系統作了實(shí)時(shí)擴展，解決了Windows 2000系統在支持可預測線(xiàn)程同步、優(yōu)先級可繼承、中斷延遲和線(xiàn)程切換的可預見(jiàn)性等方面的不足。數控系統實(shí)時(shí)性要求最高的插補運算和軟PLC等任務(wù)運行在RTX環(huán)境中。實(shí)際應用時(shí)，RTX為應用軟件提供了與Win32.dll功能類(lèi)似的可動(dòng)態(tài)加載和卸載的RT.dll，該動(dòng)態(tài)連接庫可幫助實(shí)現應用程序對底層硬件的調用。