引言
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，造成在信息交互密集的情況下，系統的實時性得不到有效的保證。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。現場總線能夠與上層的企業內部網(Intranet)和英特網(Internet)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入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趨勢。因此，本文以總線技術為基礎，結合網絡和數據庫技術設計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2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�？刂坪同F場信號的采集、監測與上傳。上層監控網絡結合Internet技術和數據庫技術，采用3層C/S構架的信息交互模式。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。其結構如圖1所示。
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、HM I單元、總線接口卡等以總線方式連接的網絡，使用SERCOS和Profibus-DP2種總線[5]o SERCOS總線采用光纖傳輸，數據傳輸速率高，適合于多軸聯動控制。Profibus-DP總線是一種高速連接總線，專為自動控制系統與設備級分散I/O之間的通信而設計，適合于分布式控制系統的高速數據傳輸�；诖�，本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Profibus-DP總線與數控系統連接。其結構框圖如圖2所示。
由圖2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。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。
圖2中各模塊功能如下:
(1)控制器。它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、數據下載等工作。本文的控制器基于PC架構，通過總線接CI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-DP主站接口卡是一塊智能DP協議卡，完成
PROFIBUS協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，通過其內部數字信號處理器( DSP)芯片實現Prof ibus-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動機運動的功率單元，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，是與電動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上統一，而且在軟件接口上也有統一的形式。
2.2 控制器軟件結構圖
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，如圖3所示。
基礎軟件平臺由Venturcom公司的RTX ( realtime extension)和微軟公司的Windows 2000操作系統組成[bio Windows 2000操作系統可提供良好的圖形用戶界面、豐富實用的Win32 API函數、高效易用的開發工具、大量可用的第三方設備驅動程序。RTX為Windows 2000系統作了實時擴展，解決了Windows 2000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。數控系統實時性要求最高的插補運算和軟PLC等任務運行在RTX環境中。實際應用時，RTX為應用軟件提供了與Win32.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API構成。該層除含有離散點I/O設備API、采集設備API、位置控制API、總線接口API等接口外，還包含用戶根據系統軟件平臺提供的API自定義功能組件以及總線協議轉換API。
應用程序由若干依據數控系統功能劃分出的軟件模塊構成。軟件模塊的開發采用組件技術。每個組件可單獨開發，單獨編譯，甚至單獨調試和測試。當所有組件開發完畢后，用戶可以在開發環境下把組件無縫集成形成數控系統。當用戶需求發生變化或系統的軟硬件環境改變時，只需對受影響的組件進行修改、重組就能得到新的數控系統。
圖4為應用程序層中運動控制單元配置過程。
3 基于設備故障診斷網的上層網絡
3.1 上層網絡的結構設計
如圖5所示，系統采用分層結構，即現場監控層(Infranet)、局域網監控診斷層( Intranet)和遠程監控診斷(Internet)的3級C/S結構。
各層具體分工為:
(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未加以處理時，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上的傳感器信號，按照設定好的閡值參數，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。
(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�？筛鶕蛻粜枨筮M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，以供進一步的分析與診斷。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、年報等運行報表。
(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。
3.2 軟件實現
3.2.1 服務器端軟件實現
數據庫服務器運行的控制軟件是上層網的控制中心，它提供監測、管理在線用戶的功能。軟件采用Socket技術，偵聽各個客戶端的連接消息，向通過身份驗證的客戶發送驗證消息使其連上服務器，運行相應的客戶端軟件。需要特別指出的是，如果服務器控制軟件沒有運行，分布在客戶端的診斷軟件將不能運行。
3.2.2 客戶端軟件實現
分布在監控診斷管理層中的各級節點單元以及遠程的專家利用客戶端服務軟件，通過輸入相應權限的用戶名和密碼登錄系統后，即可連上位于監控診斷層的數據庫服務器獲得相應的數據文件，運行信號分析診斷軟件進行分析。數據庫服務器提供:時域(自相關、互相關等)、幅值域(參數計算、直方圖等)、頻域(相干、包絡譜、細化譜、傳函等)、時頻分析(STFT、小波分析、小波包分析等)、聲學分析、模態分析、線性回歸預測、BP神經網絡預測、灰色預測等在線分析與故障診斷方法。
3.2.3 服務器數據庫實現
服務器數據庫包含監測數據庫、原始數據庫、報表庫、故障庫等，其中監測數據庫中包括廠級數據庫、車間級數據庫、設備級數據庫、零件數據庫，這些數據庫包含了監測設備所有的信息，為監測層中不同級別的客戶提供數據支持。
如圖6所示，數據庫采用SQL2000，應用程序用VC+十編寫，直接調用ODBC API函數，實現對數據庫的訪問。同時采用了安全性高、交互性強的3層CJS結構的數據管理模式。系統不僅增加了防火墻，還對數據庫進行了加密設置，外部程序訪問數據庫時需先通過密碼校驗。此外系統還增加了專門的管理機構，負責制定、審查、確定安全措施，設置用戶級別，設置用戶密碼保存密鑰、審閱審計記錄等。
4 結束語
本文監控數據系統，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間可以進行互操作，能方便地建立可伸縮的應用系統�，F場總線的應用實現了數控系統底層單元的靈活配置。另外，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的探索。
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本文標題：基于總線和網絡技術的開放式可監控數控系統
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