基于現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　目前開(kāi)放化是數(shù)控系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。開(kāi)放式的技術(shù)基礎(chǔ)就是系統(tǒng)的模塊化，然而這種模塊化的設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)增量式功能拓展的同時(shí)，往往因追求密集的軟硬件設(shè)計(jì)而造成數(shù)控系統(tǒng)體積龐大，接口繁雜，功能重疊等負(fù)面效應(yīng)。集中式模塊化設(shè)計(jì)中模塊間的模擬量及并行連線的方式，也使得數(shù)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，在造成信息交互密集的情況下，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得不到有效保證。另外，隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和控制對(duì)象本身的日益龐雜，數(shù)控系統(tǒng)已從簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)軌跡控制器轉(zhuǎn)變成貫穿數(shù)字化制造全過(guò)程的系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)。數(shù)控設(shè)備在實(shí)現(xiàn)高速、高精、高效的加工自動(dòng)化的過(guò)程中，對(duì)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(jiān)測(cè)也成為數(shù)控研究的一個(gè)重要方向。

　　與此同時(shí)，以Profibus為代表的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入相對(duì)成熟的階段。現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)并在微機(jī)化測(cè)量設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，是一種多點(diǎn)通信的開(kāi)放化數(shù)字式底層控制網(wǎng)絡(luò)。并且現(xiàn)場(chǎng)總線還能夠與上層的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和英特網(wǎng)相連，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化企業(yè)一直追求的基于控制一監(jiān)控一管理一體化的綜合自動(dòng)化提供解決方案。隨著數(shù)控系統(tǒng)模塊化的趨勢(shì)。數(shù)控系統(tǒng)的很多功能單元已經(jīng)擁有了單獨(dú)的控制器和運(yùn)算器，具有了獨(dú)立的數(shù)據(jù)指令處理體系，迫切需要以一種全新的優(yōu)化方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)融人到數(shù)控系統(tǒng)的功能框架中。而現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的基礎(chǔ)就是具備獨(dú)立智能控制能力和通訊能力的節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。可以說(shuō)，將Profibus為代表的總線技術(shù)應(yīng)用到分布式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性和狀態(tài)監(jiān)測(cè)是合適的，并且符合未來(lái)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。因此本文以總線技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、組件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種開(kāi)放式可監(jiān)測(cè)的數(shù)控系統(tǒng)。

1 數(shù)控系統(tǒng)框架

　　系統(tǒng)分為上下兩層網(wǎng)絡(luò)，分別為底層設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程故障監(jiān)測(cè)診斷網(wǎng)絡(luò)。下層的設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)由Profibus總線和SERCOS總線將各組成單元有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)。以基于PC架構(gòu)的控制器為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的正常控制和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、監(jiān)測(cè)與上傳。上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)合英特網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，采用三層C／S架構(gòu)的信息交互模式。以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，將底層網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。上下網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通訊通過(guò)安裝在控制器上的監(jiān)控工作站實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)框架

2 底層設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的軟硬件體系架構(gòu)

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

　　底層網(wǎng)絡(luò)是由控制器、伺服驅(qū)動(dòng)單元、主軸單元、I／O邏輯控制單元、HMI單元、總線通信接口卡等以總線方式連接的網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中伺服驅(qū)動(dòng)單元和主軸單元采用SERCOS總線連接。I／O單元、HMI單元通過(guò)Profibus—DP總線與數(shù)控系統(tǒng)連接。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2底層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　由圖可見(jiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。盡管控制器仍然可以被設(shè)置為總線中的主設(shè)備并作為整個(gè)系統(tǒng)的控制主體，負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)的發(fā)起和控制數(shù)據(jù)的生成。但通訊方式的改變使其在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上與其他外圍設(shè)備節(jié)點(diǎn)處于同等地位。

　　2.1.1 系統(tǒng)采用的總線的特點(diǎn)及功能分析

　　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層負(fù)責(zé)具體的生產(chǎn)及其任務(wù)協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間量級(jí)為毫秒級(jí)，故系統(tǒng)對(duì)連接分布式部件的現(xiàn)場(chǎng)總線有特殊的要求。下面分析SERCOS總線和Profibus-DP總線的各項(xiàng)指標(biāo)是否符合數(shù)控系統(tǒng)的要求。

　　假設(shè)伺服控制算法、插補(bǔ)算法和自適應(yīng)前饋補(bǔ)償算法執(zhí)行周期分別為T(mén)1、T2和T3，且3種算法執(zhí)行的頻率分別為f1、f2和f3，在此，f1

　　式中m為總線上一次傳輸?shù)目偙忍財(cái)?shù)。如果根據(jù)實(shí)際要求計(jì)算出來(lái)的f小于現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸速率，則表示總線能滿(mǎn)足實(shí)際需求。下面分析SERCOS總線的特性。圖3為SERCOS總線的報(bào)文結(jié)構(gòu)。