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(yīng)。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(fù)雜，在造成信息交互密集的情況下，系統(tǒng)的實時性得不到有效保證。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。現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場并在微機化測量設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，是一種多點通信的開放化數(shù)字式底層控制網(wǎng)絡(luò)。并且現(xiàn)場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)融人到數(shù)控系統(tǒng)的功能框架中。而現(xiàn)場總線應(yīng)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。可以說，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)展的趨勢。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)庫技術(shù)設(shè)計了一種開放式可監(jiān)測的數(shù)控系統(tǒng)。

1 數(shù)控系統(tǒng)框架

　　系統(tǒng)分為上下兩層網(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?？刂坪同F(xiàn)場信號的采集、監(jiān)測與上傳。上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)合英特網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(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(wù)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)。

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、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)動單元和主軸單元采用SERCOS總線連接。I／O單元、HMI單元通過ProfibusDP總線與數(shù)控系統(tǒng)連接。

　　由圖可見，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(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撲結(jié)構(gòu)上與其他外圍設(shè)備節(jié)點處于同等地位。

　　2.1.1 系統(tǒng)采用的總線的特點及功能分析

　　現(xiàn)場設(shè)備層負責(zé)具體的生產(chǎn)及其任務(wù)協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)響應(yīng)時間量級為毫秒級，故系統(tǒng)對連接分布式部件的現(xiàn)場總線有特殊的要求。下面分析SERCOS總線和Profibus-DP總線的各項指標是否符合數(shù)控系統(tǒng)的要求。

　　假設(shè)伺服控制算法、插補算法和自適應(yīng)前饋補償算法執(zhí)行周期分別為T1、T2和T3，且3種算法執(zhí)行的頻率分別為f1、f2和f3，在此，f1<f2<f3若系統(tǒng)采用一個處理器來完成上述3種算法，則需滿足條件件，式中m為總線上一次傳輸?shù)目偙忍財?shù)。如果根據(jù)實際要求計算出來的f小于現(xiàn)場總線的傳輸速率，則表示總線能滿足實際需求。下面分析SERCOS總線的特性。

　　MST報文的數(shù)據(jù)域只有1個字節(jié)。MDT報文的數(shù)據(jù)域和AT報文的數(shù)據(jù)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(jié)的狀態(tài)字和最多8字節(jié)的服務(wù)信息字；可配置部分最多可包含4個字節(jié)。通信周期內(nèi)數(shù)據(jù)傳送量ⅣScYc可表示為式中x、y分別為服務(wù)信息域、可配置域字節(jié)數(shù)。本系統(tǒng)中掛接4個進給驅(qū)動器，一個主軸驅(qū)動器。其中驅(qū)動器報文數(shù)據(jù)域共有6個字節(jié)，主控數(shù)據(jù)報文數(shù)據(jù)域有14個字節(jié)。故NscYc=91 x 8=728Bit。將728替換式(4)中的變量m，得f=808 080<2MBaud。

　　系統(tǒng)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(jiān)控單元從站，共有1個主站，4個從站，根據(jù)每個從站單元輸入、輸出的字節(jié)數(shù)，可計算出信息循環(huán)的總傳輸位數(shù)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(lián)動且各功能模塊實時性要求較高的情況下SERCOS和Profibus&mdash;DP總線能很好地滿足系統(tǒng)要求，并且整個系統(tǒng)的實時性是由總線的寬度決定的，而不是由算法執(zhí)行一次所需要的時間決定的。

　　2.1.2 各模塊基本結(jié)構(gòu)與功能

　　1)控制器

　　控制器是整個總線系統(tǒng)的主設(shè)備，負責(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)查詢和數(shù)據(jù)下載等工作。本文的控制器基于PC架構(gòu)，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&mdash;DP主站接口卡是一塊智能DP協(xié)議卡，完成Profibus協(xié)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(nèi)部數(shù)字信號處理器(DSP)芯片實現(xiàn)Profibus。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?/span>

　　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，是與電機等執(zhí)行裝置和機械設(shè)備的接口，負責(zé)將控制器的任務(wù)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(yù)處理和應(yīng)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(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)計使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不僅在硬件仁得到了統(tǒng)一化，而且在軟件接口上也有了統(tǒng)一的開放形式。

　　2.2 控制器軟件結(jié)構(gòu)

　　控制器足底層網(wǎng)絡(luò)的核心，是網(wǎng)絡(luò)運行的大腦，本文中重點介紹控制器的軟件設(shè)計。文中控制器的軟件分為基礎(chǔ)軟件平臺、應(yīng)用平臺、應(yīng)用程序3個層次一。

　　基礎(chǔ)軟件平臺由Venturcom公司的RTX(realtime extension)和微軟公司的Windows 2 000操作系統(tǒng)組成。Windows 2000操作系統(tǒng)可提供良好的圖形用戶界面、豐富實用的Win32API函數(shù)、高效易用的開發(fā)工具和大量可用的第三方設(shè)備驅(qū)動程序。RTX為Windows 2000系統(tǒng)做了實時擴展，解決了Windows2000系統(tǒng)在支持可預(yù)測線程同步、優(yōu)先級可繼承、中斷延遲和線程切換的可預(yù)見性等方面的不足。使用RTX后系統(tǒng)線程切換時間平均達到3.6us，定時器響應(yīng)速度平均達到10.3us。數(shù)控系統(tǒng)實時性要求最高的插補運算和軟PLC等任務(wù)，就運行在RTX環(huán)境下。實際應(yīng)用時RTX為應(yīng)用軟件提供了與Win 32.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(yīng)用程序?qū)Φ讓佑布恼{(diào)用。

　　應(yīng)用平臺由數(shù)控系統(tǒng)基本功能單元組件構(gòu)成。包含加減速控制、插補、刀具補償、譯碼等近20個模塊。這些模塊可在不同的條件下，編譯組合實現(xiàn)不同的數(shù)控任務(wù)。

　　應(yīng)用程序?qū)痈鶕?jù)數(shù)控任務(wù)劃分為運動控制單元、邏輯控制單元、網(wǎng)絡(luò)單元、交互單元和管理控制單元等5個單元。

　　(1)運動控制單元：接受數(shù)控程序文件形式的運動指令，或手動操作指令，以及邏輯控制子系統(tǒng)出發(fā)的運動控制，經(jīng)過密化計算，生成運動型設(shè)備可以接受的微運動指令。

　　(2)邏輯控制單元：接受邏輯控制程序文件形式的邏輯，并根據(jù)此邏輯和其他子系統(tǒng)有關(guān)的狀態(tài)，以及過程型設(shè)備的狀態(tài)，對過程型設(shè)備進行操作控制。

　　(3)交互單元：接受各個子系統(tǒng)的信息顯示請求，在系統(tǒng)顯示機制的支持下，實現(xiàn)信息顯示。

　　(4)管理控制單元：接受用戶信息，派發(fā)任務(wù)消息；完成系統(tǒng)的配置、運行調(diào)度；完成文件管理、網(wǎng)絡(luò)通信等服務(wù)性任務(wù)；加載第三方工具軟件。

　　(5)網(wǎng)絡(luò)單元：實現(xiàn)系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的通訊。由于應(yīng)用平臺中的基本功能單元采用組件技術(shù)，使得每個組件可單獨開發(fā)、單獨編譯，并可與其他組件一起進行編譯連接。因此，利用基本功能單元的這種可配置性，用戶就可以根據(jù)自己的系統(tǒng)需求來生產(chǎn)不同的任務(wù)模塊。然后，把這些任務(wù)模塊集成起來就得到所需要的應(yīng)用程序，進而形成不同的數(shù)控系統(tǒng)。

　　2.3 控制器軟件模型方法

　　數(shù)控軟件與普通應(yīng)用程序不同，它的計算模型邏輯上是串行的，但在實際卜卻是宏觀并行的。為了能詳盡地描述參考模型的技術(shù)細節(jié)，采用了有限狀態(tài)機的建模方法。

　　有限狀態(tài)機是描述對象狀態(tài)躍遷的模型方法。該模型包含3種基本元素。

　　(1)狀態(tài)：對象保持相對穩(wěn)定狀態(tài)或持續(xù)相對單調(diào)行為的模式。

　　(2)處理過程：對象的行為，包括狀態(tài)變化的過渡過程和系統(tǒng)特定狀態(tài)下的持續(xù)行為。

　　(3)事件：引起對象狀態(tài)變化的信息(包括其他對象的狀態(tài)、發(fā)布的消息、標志位變化等)。

　　狀態(tài)機可以實現(xiàn)主要狀態(tài)問的躍遷過程并被周期型地激活。其激活方式有：周期性中斷服務(wù)程序；進程、線程服務(wù)程序；單線程模型中循環(huán)執(zhí)行程序體等。由于狀態(tài)機模型從邏輯卜可以分層次嵌套，因此該模型可以描述行為更加復(fù)雜的對象。

3 基于設(shè)備故障診斷網(wǎng)的上層網(wǎng)絡(luò)

　　3.1 現(xiàn)場監(jiān)控層

　　了解和掌握機床的運行狀態(tài)，按照用戶設(shè)定的監(jiān)控策略有選擇地對機床的主軸驅(qū)動功率、扭矩、電壓、電流和主要工作部位的動態(tài)信號進行多參數(shù)在線監(jiān)測和分析。結(jié)合歷史數(shù)據(jù)對設(shè)備運行狀態(tài)進行評估，并進行顯示和記錄。當(dāng)機床有輕微異常時發(fā)出報

　　警提示，以便運行人員及時進行處理；當(dāng)處于嚴重異常狀態(tài)或異常狀態(tài)達到一定時間而操作人員仍然沒有處理時，自動實行保護措施。對于復(fù)雜的以及需要作進一步處理的監(jiān)測狀況，則把信息和數(shù)據(jù)傳送給上層網(wǎng)絡(luò)，由上層功能強大的計算機進行處理。安裝在本地控制器上的監(jiān)控工作站實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控層和上層網(wǎng)絡(luò)的連接。監(jiān)控工作站實際上是一套安裝在本地數(shù)控系統(tǒng)上的客戶端數(shù)據(jù)傳輸軟件。該軟件可按照用戶要求采集機床指定位置卜-的傳感器信號，按照設(shè)定好的閾值參數(shù)，將待診斷數(shù)據(jù)和其之前、之后的2N個數(shù)據(jù)送入上層的監(jiān)控診斷網(wǎng)和遠程監(jiān)控網(wǎng)。

　　3.2 監(jiān)控診斷管理層

　　負責(zé)整個系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。層中的每一個節(jié)點即為在線監(jiān)測與故障診斷網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個客戶。這些客戶單元直接被廠長、總工程師等人員以及總調(diào)度室等部門使用。監(jiān)控管理層可以與數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)場監(jiān)控層進行雙向聯(lián)系?？筛鶕?jù)客戶需求進行相應(yīng)組態(tài)設(shè)置。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器設(shè)在本層，它的任務(wù)是根據(jù)具體情況建立實時數(shù)據(jù)庫，分配存儲空間，保存采集到的數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶的設(shè)置，有選擇地把實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)庫中，以供進一步分析與診斷。數(shù)據(jù)庫層還可對數(shù)據(jù)庫進行定期處理與維護，如刪除無用信息，定期備份等。還可生成時報、班報、日報、周報、月報和年報等運行報表。

　　3.3 遠程診斷層

　　通過Internet與監(jiān)控診斷層連接。遠程專家通過輸入賬號與密碼登錄數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，讀取各種數(shù)據(jù)，運行客戶端診斷軟件進行故障的分析與診斷。最后將診斷結(jié)果返回客戶端。

　　文中設(shè)計的方案已成功應(yīng)用于TDNC40A四軸加工中心，

4 結(jié)語

　　試驗證明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠?；赑C的控制器，既充分地利用了微軟操作系統(tǒng)的強大功能又通過引入RTX系統(tǒng)改善了桌面操作系統(tǒng)實時性不強的不足。組件技術(shù)的應(yīng)用，使各種開發(fā)工具開發(fā)的組件和應(yīng)用程序以及組件與組件之問可以進行互操作，能方便地建立可伸縮的應(yīng)用系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線的應(yīng)用實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)底層單元的靈活配置。此外，本文將故障監(jiān)測和診斷技術(shù)與數(shù)控相結(jié)合，構(gòu)建了層次化的可監(jiān)控體系，開發(fā)了原型機，在數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化研究方面進行了一定探索。