基于現場總線的開放式網絡化數控系統的設計

圖3 SERCOS總線報文結構

　　每個報文的通訊格式為

　　MST報文的數據域只有1個字節。MDT報文的數據域和AT報文的數據域又分為同定部分和可配置部分。兩者的固定部分都包含2字節的狀態字和最多8字節的服務信息字；可配置部分最多可包含4個字節。通信周期內數據傳送量ⅣScYc可表示為式中x、y分別為服務信息域、可配置域字節數。本系統中掛接4個進給驅動器，一個主軸驅動器。其中驅動器報文數據域共有6個字節，主控數據報文數據域有14個字節。故NscYc=91 x 8=728Bit。將728替換式(4)中的變量m，得f=808 080<2MBaud。

　　同理對Profibus-DP總線進行分析。其通訊信息循環內數據量為

　　系統中Profibus總線上包含1個主站，2個I／O模塊從站，1個HMI單元，1個監控單元從站，共有1個主站，4個從站，根據每個從站單元輸入、輸出的字節數，可計算出信息循環的總傳輸位數為1 074 Bit，代入式(4)，可得1 192 140<1.5 MBaud。

　　綜上可得，在控制四軸聯動且各功能模塊實時性要求較高的情況下SERCOS和Profibus—DP總線能很好地滿足系統要求，并且整個系統的實時性是由總線的寬度決定的，而不是由算法執行一次所需要的時間決定的。

　　2.1.2 各模塊基本結構與功能

　　1)控制器

　　控制器是整個總線系統的主設備，負責數控加工任務的規劃，指令與數據的生成、計算和輸出，網絡系統的初始化，任務的發起，狀態查詢和數據下載等工作。本文的控制器基于PC架構，透過總線接口卡與總線連接。實際中使用的是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協議卡，完成Profibus協議鏈路層和物理層的功能。該接口卡是從站和主站的連接橋梁，通過其內部數字信號處理器(DSP)芯片實現Profibus。DP的協議，能準確、及時地實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，同時還可處理與用戶操作和監控有關的系統功能，具備顯示、鍵盤處理、用戶數據傳輸等功能。

　　3)I／O智能模塊單元

　　該單元是數控系統和現場設備中各種離散量的接口。該單元具有專門的處理器，具備智能數據處理和數據通訊能力，可獨立接收、執行總線上的命令。

　　4)數字伺服驅動器單元這是數控系統操控電機運動的功率單元，是運動控制性能的關鍵部分。驅動器是系統的運動控制執行器，是與電機等執行裝置和機械設備的接口，負責將控制器的任務和數據轉變成運動控制輸出，實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，可實時采集設備關鍵部位的工作數據，并能進行預處理和應急處理，能夠在必要時與控制器建立信息交互。

　　底層設備互聯網絡中的模塊設備通過總線聯系在了一起，各模塊不論掛接在哪個總線上，都遵循各自的總線通訊協議，按規定的格式交換信息，共同協調完成控制任務。這樣的設計使得系統的結構不僅在硬件仁得到了統一化，而且在軟件接口上也有了統一的開放形式。

　　2.2 控制器軟件結構

　　控制器足底層網絡的核心，是網絡運行的大腦，本文中重點介紹控制器的軟件設計。文中控制器的軟件分為基礎軟件平臺、應用平臺、應用程序3個層次一，如圖4所示。