目前開放化是數控系統的研究熱點。開放式的技術基礎就是系統的模塊化，然而這種模塊化的設計在實現數控系統增量式功能拓展的同時，往往因追求密集的軟硬件設計而造成數控系統體積龐大，接口繁雜，功能重疊等負面效應。集中式模塊化設計中模塊間的模擬量及并行連線的方式，也使得數控系統的整體結構變得復雜，在造成信息交互密集的情況下，系統的實時性得不到有效保證。另外，隨著工業現場環境和控制對象本身的日益龐雜，數控系統已從簡單的運動軌跡控制器轉變成貫穿數字化制造全過程的系統級平臺。數控設備在實現高速、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，因此狀態監測也成為數控研究的一個重要方向。

　　與此同時，以Profibus為代表的現場總線技術已經進入相對成熟的階段。現場總線是應用在生產現場并在微機化測量設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，是一種多點通信的開放化數字式底層控制網絡。并且現場總線還能夠與上層的企業內部網和英特網相連，為實現自動化企業一直追求的基于控制一監控一管理一體化的綜合自動化提供解決方案。隨著數控系統模塊化的趨勢。數控系統的很多功能單元已經擁有了單獨的控制器和運算器，具有了獨立的數據指令處理體系，迫切需要以一種全新的優化方式和拓撲結構融人到數控系統的功能框架中。而現場總線應用的基礎就是具備獨立智能控制能力和通訊能力的節點現場設備。可以說，將Profibus為代表的總線技術應用到分布式數控系統的設計中，以實現數控系統的開放性和狀態監測是合適的，并且符合未來技術發展的趨勢。因此本文以總線技術為基礎，結合網絡技術、組件技術和數據庫技術設計了一種開放式可監測的數控系統。

1 數控系統框架

　　系統分為上下兩層網絡，分別為底層設備互聯網絡和遠程故障監測診斷網絡。下層的設備互聯網絡由Profibus總線和SERCOS總線將各組成單元有機地聯系起來。以基于PC架構的控制器為核心，實現數控加工的正常控制和現場信號的采集、監測與上傳。上層監控網絡結合英特網技術和數據庫技術，采用三層C／S架構的信息交互模式。以數據庫為核心，將底層網絡上傳的數據存儲在數據庫服務器中，實現全系統的數據共享。上下網絡之間的數據通訊通過安裝在控制器上的監控工作站實現。

2 底層設備互聯網絡的軟硬件體系架構

　　2.1 基于總線技術的底層設備互聯網絡的硬件平臺

　　底層網絡是由控制器、伺服驅動單元、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絡。系統中伺服驅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總線與數控系統連接。

　　由圖可見，相對于傳統的集中式數控系統結構，控制器的地位發生了變化。由原來的核心模塊變成了總線中的一個節點。盡管控制器仍然可以被設置為總線中的主設備并作為整個系統的控制主體，負責系統任務的發起和控制數據的生成。但通訊方式的改變使其在拓撲結構上與其他外圍設備節點處于同等地位。

　　2.1.1 系統采用的總線的特點及功能分析

　　現場設備層負責具體的生產及其任務協調，數據響應時間量級為毫秒級，故系統對連接分布式部件的現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控系統的要求。

　　假設伺服控制算法、插補算法和自適應前饋補償算法執行周期分別為T1、T2和T3，且3種算法執行的頻率分別為f1、f2和f3，在此，f1<f2<f3若系統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為總線上一次傳輸的總比特數。如果根據實際要求計算出來的f小于現場總線的傳輸速率，則表示總線能滿足實際需求。下面分析SERCOS總線的特性。

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

　　系統中Profibus總線上包含1個主站，2個I／O模塊從站，1個HMI單元，1個監控單元從站，共有1個主站，4個從站，根據每個從站單元輸入、輸出的字節數，可計算出信息循環的總傳輸位數為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要求，并且整個系統的實時性是由總線的寬度決定的，而不是由算法執行一次所需要的時間決定的。

　　2.1.2 各模塊基本結構與功能

　　1)控制器

　　控制器是整個總線系統的主設備，負責數控加工任務的規劃，指令與數據的生成、計算和輸出，網絡系統的初始化，任務的發起，狀態查詢和數據下載等工作。本文的控制器基于PC架構，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協議卡，完成Profibus協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，通過其內部數字信號處理器(DSP)芯片實現Profibus。DP的協議，能準確、及時地實現主從站的數據交互。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SERCOS主卡和從卡的通信。

　　2)HMI單元

　　該單元可完成數控加工數據的輸入，同時還可處理與用戶操作和監控有關的系統功能，具備顯示、鍵盤處理、用戶數據傳輸等功能。

　　3)I／O智能模塊單元

　　該單元是數控系統和現場設備中各種離散量的接口。該單元具有專門的處理器，具備智能數據處理和數據通訊能力，可獨立接收、執行總線上的命令。

　　4)數字伺服驅動器單元這是數控系統操控電機運動的功率單元，是運動控制性能的關鍵部分。驅動器是系統的運動控制執行器，是與電機等執行裝置和機械設備的接口，負責將控制器的任務和數據轉變成運動控制輸出，實現弱信號對強電流的控制。

　　5)監控診斷單元

　　它是數控系統狀態監測、故障處理的獨立模塊。該模塊與傳感裝置直接連接，可實時采集設備關鍵部位的工作數據，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。

　　底層設備互聯網絡中的模塊設備通過總線聯系在了一起，各模塊不論掛接在哪個總線上，都遵循各自的總線通訊協議，按規定的格式交換信息，共同協調完成控制任務。這樣的設計使得系統的結構不僅在硬件仁得到了統一化，而且在軟件接口上也有了統一的開放形式。

　　2.2 控制器軟件結構

　　控制器足底層網絡的核心，是網絡運行的大腦，本文中重點介紹控制器的軟件設計。文中控制器的軟件分為基礎軟件平臺、應用平臺、應用程序3個層次一。

　　基礎軟件平臺由Venturcom公司的RTX(realtime extension)和微軟公司的Windows 2 000操作系統組成。Windows 2000操作系統可提供良好的圖形用戶界面、豐富實用的Win32API函數、高效易用的開發工具和大量可用的第三方設備驅動程序。RTX為Windows 2000系統做了實時擴展，解決了Windows2000系統在支持可預測線程同步、優先級可繼承、中斷延遲和線程切換的可預見性等方面的不足。使用RTX后系統線程切換時間平均達到3.6us，定時器響應速度平均達到10.3us。數控系統實時性要求最高的插補運算和軟PLC等任務，就運行在RTX環境下。實際應用時RTX為應用軟件提供了與Win 32.dll功能類似的可動態加載和卸載的RT.dll，該動態連接庫可幫助實現應用程序對底層硬件的調用。

　　應用平臺由數控系統基本功能單元組件構成。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，編譯組合實現不同的數控任務。

　　應用程序層根據數控任務劃分為運動控制單元、邏輯控制單元、網絡單元、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出發的運動控制，經過密化計算，生成運動型設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，并根據此邏輯和其他子系統有關的狀態，以及過程型設備的狀態，對過程型設備進行操作控制。

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

　　(4)管理控制單元：接受用戶信息，派發任務消息；完成系統的配置、運行調度；完成文件管理、網絡通信等服務性任務；加載第三方工具軟件。

　　(5)網絡單元：實現系統與外部網絡的通訊。由于應用平臺中的基本功能單元采用組件技術，使得每個組件可單獨開發、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，用戶就可以根據自己的系統需求來生產不同的任務模塊。然后，把這些任務模塊集成起來就得到所需要的應用程序，進而形成不同的數控系統。

　　2.3 控制器軟件模型方法

　　數控軟件與普通應用程序不同，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細節，采用了有限狀態機的建模方法。

　　有限狀態機是描述對象狀態躍遷的模型方法。該模型包含3種基本元素。

　　(1)狀態：對象保持相對穩定狀態或持續相對單調行為的模式。

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

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

　　狀態機可以實現主要狀態問的躍遷過程并被周期型地激活。其激活方式有：周期性中斷服務程序；進程、線程服務程序；單線程模型中循環執行程序體等。由于狀態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雜的對象。

3 基于設備故障診斷網的上層網絡

　　3.1 現場監控層

　　了解和掌握機床的運行狀態，按照用戶設定的監控策略有選擇地對機床的主軸驅動功率、扭矩、電壓、電流和主要工作部位的動態信號進行多參數在線監測和分析。結合歷史數據對設備運行狀態進行評估，并進行顯示和記錄。當機床有輕微異常時發出報

　　警提示，以便運行人員及時進行處理；當處于嚴重異常狀態或異常狀態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。對于復雜的以及需要作進一步處理的監測狀況，則把信息和數據傳送給上層網絡，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控工作站實現現場監控層和上層網絡的連接。監控工作站實際上是一套安裝在本地數控系統上的客戶端數據傳輸軟件。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，按照設定好的閾值參數，將待診斷數據和其之前、之后的2N個數據送入上層的監控診斷網和遠程監控網。

　　3.2 監控診斷管理層

　　負責整個系統的監控和管理。層中的每一個節點即為在線監測與故障診斷網絡系統的一個客戶。這些客戶單元直接被廠長、總工程師等人員以及總調度室等部門使用。監控管理層可以與數據庫、現場監控層進行雙向聯系。可根據客戶需求進行相應組態設置。數據庫服務器設在本層，它的任務是根據具體情況建立實時數據庫，分配存儲空間，保存采集到的數據。根據用戶的設置，有選擇地把實時數據庫中的數據存入歷史數據庫中，以供進一步分析與診斷。數據庫層還可對數據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與監控診斷層連接。遠程專家通過輸入賬號與密碼登錄數據庫服務器，讀取各種數據，運行客戶端診斷軟件進行故障的分析與診斷。最后將診斷結果返回客戶端。

　　文中設計的方案已成功應用于TDNC40A四軸加工中心，

4 結語

　　試驗證明系統工作穩定可靠。基于PC的控制器，既充分地利用了微軟操作系統的強大功能又通過引入RTX系統改善了桌面操作系統實時性不強的不足。組件技術的應用，使各種開發工具開發的組件和應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用系統。現場總線的應用實現了數控系統底層單元的靈活配置。此外，本文將故障監測和診斷技術與數控相結合，構建了層次化的可監控體系，開發了原型機，在數控系統網絡化研究方面進行了一定探索。