0 引言目前大部分机床的数控系统仍由特定制造商以封闭的结构方式提供解决方案。这些数控系统 的功能扩充由于极其复杂,只能依赖于该系统的制造商才能完成。同时,从一个制造商的数控系统 转移到另一个制造商的数控系统,或者一个数控系统制造商的同一类产品的升级都面临许多困难。 而且,通用数控系统中,轨迹插补由两步完成,即粗插补和精插补,这大大限制了插补速度的提高 。基于这种现状,产生了对开放式数控系统的需求<1>。开放式数控系统适应了现代技术不断发 展的需要,它的模块化设计使系统在不必重新设计硬件和软件的情况下,能够重新配置、修改和扩 充,使得来自不同销售商的模块化部件能迅速组装成为一套完整的系统。因此,研究开放式数控系统架构及其相关技术具有重要的理论和实际价值。一些国家和组织已经采取了相应的措施来满足这一要求<2>。现场总线技术是 2 0世纪 90年代初发展起来的,现在已应用于各个领域。由于它的优越性能,现场总线将会成为本世纪自动 化领域的一项关键技术。工业控制系统也将从集散控制系统转变为现场总线控制系统。CANBU S是一种差分、双线串行总线,它简化了绕线,抗干扰,降低了错误连接,提高了现场设备挂接的 灵活性。通过CANBUS总线,系统崩溃的几率大大降低,现场设备和控制系统数据交换的可靠性得到了提高<3-4>。1 基于现场总线的分散式数控系统在通用数控系统中,一个运动控制卡被插入到一个工业控制计算机中,用来控制 2个到 16个或更多的轴。在运动控制卡和几个伺服驱动器之间传递的是脉冲或模拟电压和电流。专用的硬 件设计、系统间通讯只遵守各自公司或集团的规范,操作系统人机界面复杂,是一种专用的封闭体 系结构。对它的功能扩展、改变和维修,都必须求助于系统供应商。而且,在运动控制卡和几个伺 服驱动器之间传递的信息是很有限的,工控机仅仅通过一些测量设备,如编码器等,获得非常有限的信息<2,5>。基于CANBUS的分散数控系统的硬件结构如图1所示。图 1 基于CANBUS的开放式数控系统硬件结构鉴于现场总线双向高速传递数字量的特点,我们研 究了一种全分散式的数控系统架构。在这个数控系统中,原来插入工控机的运动控制卡被几个嵌入 到伺服驱动器中的DSP芯片卡所代替,来自工控机的外部不可屏蔽中断用来同步几个DSP卡, 工控机和伺服控制器通过CANBUS总线进行通信。在这种结构中,每个伺服驱动器控制一个轴 ,通用的运动控制卡被取消,所以,一个数控机床的轴数任意选择,配置灵活,一改专用数控厂家 垄断专用硬件和软件的现象,修改和替换一些组件就变得很容易。而且,充足的信息大大地有益于 监控和诊断。2 软件结构在分散式数控系统中,同样有通用数控系统的软件组成,现场总线控制 系统软件是现场总线控制系统集成、运行的重要组成部分。现场总线控制系统软件主要由以下几部 分组成<6>。a.CAM软件。进行工艺规划,参数选择。b.维护软件。用于对现场控制系统 软硬件的运行状态进行监测、故障诊断以及某些软件测试维护工具等。c.仿真软件。用于对现场 总线控制系统的部件,如通信节点、网段和功能模块等进行仿真运行,作为对系统进行组态、调试 和研究的工具。d.现场设备管理软件。用于对现场设备进行维护管理的工具。e.监控软件。这 是必备的直接用于生产操作和监视的控制软件包,其功能包括:实时数据采集;常规控制计算与数 据处理;优化控制;逻辑控制;报警监视;运行参数的画面显示;报表输出;操作与参数修改。f .加工代理服务程序。g.加工工艺控制程序。包括加工工艺、离线插补及优化控制。h.现场设 备运动控制软件及离散事件控制软件。和通用数控机床不同的是,在分散式数控系统中,现场设备 运动控制软件不是在工控机中,而是分散到各个伺服控制器中,控制算法可以在出厂时就输进去,也可以在机床配置时再传进去。根据基于现场总线的数控系统特性,构建了一个分散式数控系统控制结构。该模型由4个硬件组件组成,即工控机和 3个控制器。在工控机中,有轨迹规划程序。在每一个控制器中,有一个AI功能块和一个PID功能块(也可选择其他控制算法),这里AI1,AI2和AI3分别是 3个编码器的输入值。在这个结构中,任何 2个硬件组件能双向通信,工控机能改变控制器中的参数,而且任何控制器都能返回所有状态信息到
工控机。当一个控制器产生严重错误时,它会通知其他的控制器。本文中,OPC用来在现场总线 设备和工控机软件组件间数据交换。用这种方法,控制系统扩展将变得更加容易,开放性能也能得 到保证。3 CANBUS总线的通讯模式选择和协议设计3.1 通信模式的选择客户/服务器 型是一对一、点对点通信,当总线任何一台设备欲与另一台设备通信时,必须在得到令牌后向目标设备发通信请求。这个请求/应答"建立连接的过程时间消耗比较大。主/从型是一个主站带若干个从站,主站按照安装顺序与从站交换数据,网络结构灵活性比较差,且任何 2个从站要通信,必须通过主站建立连接。生产者/消费者型是总线上的任何节点都可以成为生产者又可以成为消费者。欲发送数据的节点通过总线仲裁获得总线访问权后,就成为 生产者 ",以广播方式向总线上发送数据,而其它节点则成为 消费者"。这种一对多的通信方式使总线上多个节点可以同时接收相同的数据,通信效率很高,也不 容易造成带宽损失,故采用生产者/消费者型。3.2 高层通信协议的选择CAN协议是一个简 单的协议。它只定义了物理层和数据链路层,本身并不完整,有些复杂的应用问题需要一个更高层次的协议应用层协议来实现。如CAN数据帧一次最多只能传送8字节,CAN只提供了非确认的数据传输服务等。然而,CAN的技术特点允许各厂商在CAN协 议的基础上自行开发自己的高层应用协议,给用户提供了一个面向应用的清晰接口。目前,许多厂 商都根据自己的意图并结合其优势纷纷推出基于CAN的总线产品,如DeviceNet(设备网),CANopen,CANKingdom,SDS等。它们都得到CiA(CANinautomation)的支持,符合ISO1 1898标准,又各具特色。DeviceNet最初由Rockwell旗下AllenBra dly公司研制开发,为PLC和智能传感器设计。凭借该公司在可编程控制器和变频器等方面的优势,DeviceNet在PLC与现场设备之间的通信网络中得到广泛应用。DeviceNet在CAN 协议的基础上加入了自己的应用层协议,结合了CAN总线的优点,同时也满足了更为复杂的要求。涉及的标准有CAN技术规范2.0A/B,ISO 11898标准和DeviceNet技术规范Vo111/ 2。DeviceNet采用了CAN物理层协议中的几种网络运行速率 12 5kB/S(5 0 0m),2 5 0kB/S(2 5 0m),5 0 0kB/S(10 0m),最多支持 6 4个节点。DeviceNet的数据链路层完全遵循CAN规范的定义,并通过CAN控制器芯片 实现。DeviceNet使用数据帧传送数据,远程帧没有被使用,超载帧和出错帧则用于例外情况的处理<7-8\〗。文中使用DeviceNet协议。3.3 通信协议的设计信息标识符的数值反应出节点 的优先级别,当信息标识符全为零时,优先级最高,当标识符全为1时,优先级最低。因此,信息 标识符的设定直接关系到CANBUS通讯协议的制定。根据高速切削数控机床的特点,并遵循CAN通讯协议标准,可制定如表1所示的通讯协议。表 1中的 方向 "用来表示是操作台主电脑还是各子节点发送数据帧。当该位为 0 "时,表示主电脑发送数据帧,当该位为 1"时,表示子节点发送数据帧。这样就保证了操作台主电脑在整个CANBUS控制网络中享有最 高的优先级,具体表现为:系统上电时,主电脑首先进行上电自检。内容包括各I/O口检查,各 节点间的通讯,CNC当前的状态。一旦发现错误,则进入故障状态,直到故障排除,才进入正常 运行程序。进入正常程序后,主电脑始终监视着机床的速度、位置及安全回路的状况,一旦发现异常情况,主电脑便停机,并进行自我故障排除,若不能排除则停机报警。表1 高速切削数控机床CANBUS通讯协议位数D7D6D5D4D3D2D1D0CAN帧头 方向范围地址(0 63)类型 0数据长度DLC(18)CAN数据域 命令字节(1byte)命令数据(0 7byte) 表 1中的 范围"用来表示通讯是在子节点之间还是在子节点和操作台主电脑之间进行。该位为 0 "表示是在主电脑和子节点之间进行,该位为 1"表示是在各子节点之间进行。这样在同样条件下,保证了主电脑与各子节点之间享有优先交换信 息的权力。这主要表现为:操作台主电脑及时向各运动控制器发送电机运行的数据,并随时准备接收来自电机传入的外部信号。表1中 类型"的D7位用来表示数据帧是单帧还是多帧,D6和D5为备用。D7为 0 "表示数据帧为单帧,D7为 1"表示为多帧。第 2字节D4为RTR位,DeviceNet协议远程帧没有使用,故为常数 0 "。表 1中的 数据长度 "表示数据域所包含的数据个数,范围为 1～ 8。 数据域"表示该帧要发送的数据。其中第 1个是命令字节,表示该帧所要执行的功能,接下来就是该命令所需要的一些数据。4 实验和分析a.实验硬件。用通用工控机(CPUPIII5 0 0,SDRAM 12 8M),PCL 84 1(2portisolatedCAN BUS通信卡,ADVANTECH生产),2块伺服控制卡(dsp1和dsp2,自己设计,内含TM 32 0C6 70 1和SJA10 0 0),TKS 5 91S仿真器,2个伺服驱动器GVU6E (Parker),直线永磁同步电机4 0 6T0 6LXRMPD13H 2(Parker),
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