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

引言

　　目前開放化是數(shù)控系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。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(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，造成在信息交互密集的情況下，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得不到有效的保證。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)化的過程中，對(duì)加工過程實(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?，F(xiàn)場(chǎng)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(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)融入到數(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?？梢哉f，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)展趨勢(shì)。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(kù)技術(shù)設(shè)計(jì)一種開放式可監(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2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?？刂坪同F(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Internet技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)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(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。

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、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(dòng)控制。Profibus-DP總線是一種高速連接總線，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)與設(shè)備級(jí)分散I/O之間的通信而設(shè)計(jì)，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(dòng)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(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。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。

　　圖2中各模塊功能如下:

　　(1)控制器。它是整個(gè)總線系統(tǒng)的主設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)控加工任務(wù)的規(guī)劃、指令與數(shù)據(jù)的生成、計(jì)算和輸出，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始化、任務(wù)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(shí)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(hào)處理器( DSP)芯片實(shí)現(xiàn)Prof ibus-DP的協(xié)議，能準(zhǔn)確、及時(shí)地實(shí)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(shí)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(shí)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(chǎng)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(dú)立接收、執(zhí)行總線上的命令。

　　(4)數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器單元。這是數(shù)控系統(tǒng)操控電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的功率單元，是運(yùn)動(dòng)控制性能的關(guān)鍵部分。驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制執(zhí)行器，是與電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行裝置和機(jī)械設(shè)備的接口，負(fù)責(zé)將控制器的任務(wù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成運(yùn)動(dòng)控制輸出，實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)對(duì)強(qiáng)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(cè)、故障處理的獨(dú)立模塊。該模塊與傳感裝置直接連接，可實(shí)時(shí)采集設(shè)備關(guān)鍵部位的工作數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行預(yù)處理和應(yīng)急處理，能夠在必要時(shí)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(gè)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(wù)。這樣的設(shè)計(jì)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(tái)、應(yīng)用平臺(tái)、應(yīng)用程序3個(gè)層次，如圖3所示。

　　基礎(chǔ)軟件平臺(tái)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(shí)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(dòng)程序。RTX為Windows 2000系統(tǒng)作了實(shí)時(shí)擴(kuò)展，解決了Windows 2000系統(tǒng)在支持可預(yù)測(cè)線程同步、優(yōu)先級(jí)可繼承、中斷延遲和線程切換的可預(yù)見性等方面的不足。數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求最高的插補(bǔ)運(yùn)算和軟PLC等任務(wù)運(yùn)行在RTX環(huán)境中。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，RTX為應(yīng)用軟件提供了與Win32.dll功能類似的可動(dòng)態(tài)加載和卸載的RT.dll，該動(dòng)態(tài)連接庫(kù)可幫助實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)Φ讓佑布恼{(diào)用。