数控系统现场总线可靠通信机制的研究（上）

前言

    数控系统的开放化、智能化、和网络化发展,使其传统的系统控制接口(模拟式、脉冲式)方式，已不能满足高速、高精、多通道、复合化的要求，未来必然将被抛弃。根据国际数控系统技术发展的趋势，下一代数控系统的控制接口应该是采用现场总线技术的控制接口。现场总线支持数据双向传输，线缆大大简化，具有传输速率高、传输距离远、抗干扰能力强的优点，可以实现较高的实时性和可靠性，适合数控机床不断发展的对高速、高精度加工的要求。

    现场总线经过多年的发展，在工业领域取得了相当大的成功，目前已经发展到以工业以太网技术为基础的第三代。在其发展过程上，对于通用现场总线的性能评价、实时性和同步性等研究一度成为热点，其相关的技术也逐渐成熟。近些年，由于控制领域对安全研究的兴起，使得现场总线的研究重点也发生相应的转移，产生了很多现场总线安全相关的标准和研究成果。这些标准和研究成果主要集中在通信的检错技术上，即通过传输数据编号、传输时间监视、密码校验和优化等技术，以降低通信的剩余错误率。而另一方面对于现场总线通信的容错技术，以及容错方法的评价等研究却鲜有成果，尤其是在数控系统中应用的现场总线，通信的可靠性研究尚属空白，给数控系统的高端应用带来很多困难。

    数控系统对现场总线通信有特殊的要求，特别是通信可靠性对加工的精度有重要的影响。基于此，本文开展了面向数控系统的现场总线可靠通信机制的研究，以满足数控系统通信的可靠性分析和设计需求。

1 数控系统通信的可靠性需求

    基于现场总线的数控系统结构如图1所示。现场总线分为主从端两个通信设备，主设备以板卡的形式插入到计算机数字控制器(Computer numericalcontroller，CNC)中，从设备一般直接集成在伺服驱动器或输入与输出(Input／output，vo)设备的硬件板上。CNC的命令通过现场总线发给指定的伺服驱动器或I／O；伺服驱动器或I／O的响应也通过现场总线传递给CNC。

    图1 基于现场总线的数控系统结构

    在进行机床加工时，CNC中的插补器按照固定的插补周期(如1 ms)，将被加工的空间曲面分解成离散的位置插补点r平面曲线形成的插补点如图2所示)，然后将位置插补点的各轴分量分别发送给各进给轴的伺服驱动器，各进给轴伺服按照指定的位置指令运动，最终合成所需要的空间曲线。为了控制调节或监测，各进给轴的相关信息也要上传给CNC。插补位置命令和进给轴的位置反馈要满足同步实时(第三类实时：通信周期小于1 ms，同步抖动小于1ps)的要求。

    图2 空间位置点偏移示意图

    除了同步和实时外，插补位置的空间点(由各轴分量代表)还需要可靠地送给伺服驱动器。如果数据丢失，则会出现空间位置点偏移。如图2所示，加工路径由空间插补点(a，b，c，d)代表，如果在第二个控制周期通信的过程中，点b(xb，yb)的工轴分量xb没有正确送达给石轴伺服驱动器，则x轴伺服驱动器在这一控制周期中得不到位置指令xb，会保持上一周期的位置值xa，即点a的x轴分量xa，则在这一控制周期形成的空间位置不再是点b(xb，yb)，而是点e(xa，yb)，即出现了空间位置点偏移，加工的指令路径也变成(a，e,c,d)。

    在数控加工中，刀具在工件表面所走过的路径(刀具路径)至关重要，因为被加工工件的轮廓误差主要取决于刀具路径。所以为了满足数控系统对高精度目标的不断追求，必须保证面向数控系统应用的现场总线通信的高可靠性。

2现场总线可靠通信机制设计

    面向数控系统的应用需求，本文设计了一种可靠的现场总线通信机制。下面具体描述其通信模型、通信时序和主从端的可靠调度方法。

    2．1通信模型

    本文的可靠现场总线通信模型如图3所示。采用一主多从，主从问答通信方式。一个主站为CNC，从站为多个伺服驱动器、主轴驱动器或I／O板卡，主从之间使用一问一答的方式进行通信，主站从从站的应答协议帧中获取通信状态信息(数据收发是否错误等)。站点的连接采用菊花链拓朴结构，每个从站有两个通信接口，两两相接。每个从站除了作为通信主体外，还采用交换技术对其他站的信息进行实时转发。

    图3 实时可靠现场总线通信模型

    通信体系结构采用三层协议栈：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用标准百兆以太网物理层；数据链路层利用电子辅助设计技术设计专用的通信数字逻辑电路，实现实时可靠调度；应用层建立面向数控系统应用的实时和非实时通信实体。