基于總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開放式可監(jiān)控數(shù)控系統(tǒng)

引言

　　目前開放化是數(shù)控系統(tǒng)的研究熱點。開放式的技術(shù)基礎(chǔ)就是系統(tǒng)的模塊化，然而這種模塊化的設(shè)計在實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)增量式功能拓展的同時，往往因追求密集的軟硬件設(shè)計而造成數(shù)控系統(tǒng)體積龐大，接口繁雜，功能重疊等負面效應。集中式模塊化設(shè)計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)變得復雜，造成在信息交互密集的情況下，系統(tǒng)的實時性得不到有效的保證。另外，隨著工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境和控制對象本身的日益龐雜，數(shù)控系統(tǒng)已從簡單的運動軌跡控制器轉(zhuǎn)變成貫穿數(shù)字化制造全過程的系統(tǒng)級平臺。數(shù)控設(shè)備在實現(xiàn)高速、高精、高效的加工自動化的過程中，對加工過程實時可控的要求越來越高，因此狀態(tài)監(jiān)測也成為數(shù)控研究的一個重要方向。

　　與此同時，以PROFIBUS為代表的現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)進入相對成熟的階段?，F(xiàn)場總線能夠與上層的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)和英特網(wǎng)(Internet)相連，為實現(xiàn)自動化企業(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化提供解決方案。隨著數(shù)控系統(tǒng)模塊化的趨勢，數(shù)控系統(tǒng)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(shù)據(jù)指令處理體系，迫切需要以一種全新的優(yōu)化方式和拓撲結(jié)構(gòu)融入到數(shù)控系統(tǒng)的功能框架中。而現(xiàn)場總線應用的基礎(chǔ)就是具備獨立智能控制能力和通訊能力的節(jié)點現(xiàn)場設(shè)備?？梢哉f，將PROFIBUS為代表的總線技術(shù)應用到分布式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計中，以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的開放性和狀態(tài)監(jiān)測是合適的，并且符合未來技術(shù)發(fā)展趨勢。因此，本文以總線技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計一種開放式可監(jiān)測的數(shù)控系統(tǒng)。

1 數(shù)控系統(tǒng)框架

　　系統(tǒng)分為上、下2層網(wǎng)絡(luò)，分別為底層設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和遠程故障監(jiān)測診斷網(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地聯(lián)系起來。以基于PC架構(gòu)的控制器為核心，實現(xiàn)數(shù)控加工的正常控制和現(xiàn)場信號的采集、監(jiān)測與上傳。上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)合Internet技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，采用3層C/S構(gòu)架的信息交互模式。以數(shù)據(jù)庫為核心，將底層網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務器中，實現(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)通訊通過安裝在控制器上的監(jiān)控工作站實現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

　　底層網(wǎng)絡(luò)是由控制器、伺服驅(qū)動單元、主軸單元、I/O邏輯控制單元、HM I單元、總線接口卡等以總線方式連接的網(wǎng)絡(luò)，使用SERCOS和Profibus-DP2種總線[5]o SERCOS總線采用光纖傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率高，適合于多軸聯(lián)動控制。Profibus-DP總線是一種高速連接總線，專為自動控制系統(tǒng)與設(shè)備級分散I/O之間的通信而設(shè)計，適合于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。基于此，本系統(tǒng)中伺服驅(qū)動單元和主軸單元采用SERCOS總線連接。I/O單元、HMI單元通過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。

　　由圖2可見，相對于傳統(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，由原來的核心模塊變成了總線中的一個節(jié)點。盡管控制器仍然可以被設(shè)置為總線中的主設(shè)備并作為整個系統(tǒng)的控制主體，負責系統(tǒng)任務的發(fā)起和控制數(shù)據(jù)的生成。通訊方式的改變使其在拓撲結(jié)構(gòu)上與其他外圍設(shè)備節(jié)點處于同等地位。

　　圖2中各模塊功能如下:

　　(1)控制器。它是整個總線系統(tǒng)的主設(shè)備，負責數(shù)控加工任務的規(guī)劃、指令與數(shù)據(jù)的生成、計算和輸出，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始化、任務的發(fā)起、狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)下載等工作。本文的控制器基于PC架構(gòu)，通過總線接CI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(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，通過其內(nèi)部數(shù)字信號處理器( DSP)芯片實現(xiàn)Prof ibus-DP的協(xié)議，能準確、及時地實現(xiàn)主、從站的數(shù)據(jù)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(xiàn)SERCOS主卡和從卡的通信。

　　(2)HMI單元。該單元可完成數(shù)控加工數(shù)據(jù)的輸入，同時還可處理與用戶操作和監(jiān)控有關(guān)的系統(tǒng)功能，具備顯示、鍵盤處理、用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

　　(3)I/O智能模塊單元。該單元是數(shù)控系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)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(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通訊能力，可獨立接收、執(zhí)行總線上的命令。

　　(4)數(shù)字伺服驅(qū)動器單元。這是數(shù)控系統(tǒng)操控電動機運動的功率單元，是運動控制性能的關(guān)鍵部分。驅(qū)動器是系統(tǒng)的運動控制執(zhí)行器，是與電動機等執(zhí)行裝置和機械設(shè)備的接口，負責將控制器的任務和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成運動控制輸出，實現(xiàn)弱信號對強電流的控制。

　　(5)監(jiān)控診斷單元。它是數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)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(shè)備關(guān)鍵部位的工作數(shù)據(jù)，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(shè)備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的模塊設(shè)備通過總線聯(lián)系在一起，各模塊不論掛接在哪個總線上，都遵循各自的總線通訊協(xié)議，按規(guī)定的格式交換信息，共同協(xié)調(diào)完成控制任務。這樣的設(shè)計使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不僅在硬件上統(tǒng)一，而且在軟件接口上也有統(tǒng)一的形式。

　　2.2 控制器軟件結(jié)構(gòu)圖

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

　　基礎(chǔ)軟件平臺由Venturcom公司的RTX ( realtime extension)和微軟公司的Windows 2000操作系統(tǒng)組成[bio Windows 2000操作系統(tǒng)可提供良好的圖形用戶界面、豐富實用的Win32 API函數(shù)、高效易用的開發(fā)工具、大量可用的第三方設(shè)備驅(qū)動程序。RTX為Windows 2000系統(tǒng)作了實時擴展，解決了Windows 2000系統(tǒng)在支持可預測線程同步、優(yōu)先級可繼承、中斷延遲和線程切換的可預見性等方面的不足。數(shù)控系統(tǒng)實時性要求最高的插補運算和軟PLC等任務運行在RTX環(huán)境中。實際應用時，RTX為應用軟件提供了與Win32.dll功能類似的可動態(tài)加載和卸載的RT.dll，該動態(tài)連接庫可幫助實現(xiàn)應用程序?qū)Φ讓佑布恼{(diào)用。