基于现场总线的开放式网络化数控系统的设计

图3 SERCOS总线报文结构

　　每个报文的通讯格式为

　　MST报文的数据域只有1个字节。MDT报文的数据域和AT报文的数据域又分为同定部分和可配置部分。两者的固定部分都包含2字节的状态字和最多8字节的服务信息字；可配置部分最多可包含4个字节。通信周期内数据传送量ⅣScYc可表示为式中x、y分别为服务信息域、可配置域字节数。本系统中挂接4个进给驱动器，一个主轴驱动器。其中驱动器报文数据域共有6个字节，主控数据报文数据域有14个字节。故NscYc=91 x 8=728Bit。将728替换式(4)中的变量m，得f=808 080<2MBaud。

　　同理对Profibus-DP总线进行分析。其通讯信息循环内数据量为

　　系统中Profibus总线上包含1个主站，2个I／O模块从站，1个HMI单元，1个监控单元从站，共有1个主站，4个从站，根据每个从站单元输入、输出的字节数，可计算出信息循环的总传输位数为1 074 Bit，代入式(4)，可得1 192 140<1.5 MBaud。

　　综上可得，在控制四轴联动且各功能模块实时性要求较高的情况下SERCOS和Profibus—DP总线能很好地满足系统要求，并且整个系统的实时性是由总线的宽度决定的，而不是由算法执行一次所需要的时间决定的。

　　2.1.2 各模块基本结构与功能

　　1)控制器

　　控制器是整个总线系统的主设备，负责数控加工任务的规划，指令与数据的生成、计算和输出，网络系统的初始化，任务的发起，状态查询和数据下载等工作。本文的控制器基于PC架构，透过总线接口卡与总线连接。实际中使用的是Profibus。DP主站接口卡和SERCOS通信板卡。Profibus—DP主站接口卡是一块智能DP协议卡，完成Profibus协议链路层和物理层的功能。该接口卡是从站和主站的连接桥梁，通过其内部数字信号处理器(DSP)芯片实现Profibus。DP的协议，能准确、及时地实现主从站的数据交互。SERCOS通信板卡由ISA接口电路、译码电路、SERCOS处理器和光纤编码接口组成，实现SERCOS主卡和从卡的通信。

　　2)HMI单元

　　该单元可完成数控加工数据的输入，同时还可处理与用户操作和监控有关的系统功能，具备显示、键盘处理、用户数据传输等功能。

　　3)I／O智能模块单元

　　该单元是数控系统和现场设备中各种离散量的接口。该单元具有专门的处理器，具备智能数据处理和数据通讯能力，可独立接收、执行总线上的命令。

　　4)数字伺服驱动器单元这是数控系统操控电机运动的功率单元，是运动控制性能的关键部分。驱动器是系统的运动控制执行器，是与电机等执行装置和机械设备的接口，负责将控制器的任务和数据转变成运动控制输出，实现弱信号对强电流的控制。

　　5)监控诊断单元

　　它是数控系统状态监测、故障处理的独立模块。该模块与传感装置直接连接，可实时采集设备关键部位的工作数据，并能进行预处理和应急处理，能够在必要时与控制器建立信息交互。

　　底层设备互联网络中的模块设备通过总线联系在了一起，各模块不论挂接在哪个总线上，都遵循各自的总线通讯协议，按规定的格式交换信息，共同协调完成控制任务。这样的设计使得系统的结构不仅在硬件仁得到了统一化，而且在软件接口上也有了统一的开放形式。

　　2.2 控制器软件结构

　　控制器足底层网络的核心，是网络运行的大脑，本文中重点介绍控制器的软件设计。文中控制器的软件分为基础软件平台、应用平台、应用程序3个层次一，如图4所示。