基于总线和网络技术的开放式可监控数控系统

引言

　　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，造成在信息交互密集的情况下，系统的实时性得不到有效的保证。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。现场总线能够与上层的企业内部网(Intranet)和英特网(Internet)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入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趋势。因此，本文以总线技术为基础，结合网络和数据库技术设计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2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Internet技术和数据库技术，采用3层C/S构架的信息交互模式。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。

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、HM I单元、总线接口卡等以总线方式连接的网络，使用SERCOS和Profibus-DP2种总线[5]o SERCOS总线采用光纤传输，数据传输速率高，适合于多轴联动控制。Profibus-DP总线是一种高速连接总线，专为自动控制系统与设备级分散I/O之间的通信而设计，适合于分布式控制系统的高速数据传输。基于此，本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。

　　由图2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。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。

　　图2中各模块功能如下:

　　(1)控制器。它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、数据下载等工作。本文的控制器基于PC架构，通过总线接CI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协议的链路层和物理层功能。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Prof ibus-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动机运动的功率单元，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，是与电动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上统一，而且在软件接口上也有统一的形式。