基于现场总线的可重构数控系统的研究

引言

    数控系统的开放性、可重构设计、模块化、网络化是当前数控技术领域研究的热点。开放式数控的技术本质是标准化，它的目标是把复杂的数控技术产品体系分割开，形成公认的模块化构件，让更多的厂商能够参与到数控技术的广阔市场中来。显然，模块化是开放式控制的原始基础和技术雏形，而实现这一目标的前提是共同制定一个产品的标准，准确地说，就是制定一个共同遵循接口的标准，以实现庞大数控系统架构的分解和集成。

    可重构数控的技术本质是柔性化。其实际上和原有的柔性制造系统一脉相承，只不过加入了管理学和运筹学的技术内容。不同的是，这种管理过程不是完全由人来主导，而是在人预先定义的决策下，由控制系统本身按照某种程度的自动化来实施的，其目标是系统实现从一种形态转变成另一种形态。重构后的系统，可适应新的制造环境，或提供更优化的效率，这正是柔性制造的核心内容。随着高集成度、高速度和具备硬件可重构能力的现场可编程门阵列(Field Programmable Gates Array，FPGA)器件的出现，利用其实现可重构数控系统是一条快速、简捷、可靠的途径。

    随着工业现场环境和控制对象本身的日益庞杂，数控系统所包含的控制器、驱动器、输入输出模块、传感器、执行器之间需要更多的信息交互。采用传统的模拟通道和并行连线的方式，不仅使得数控系统整体结构复杂，而且在信息交互密集的控制任务下，实时性无法得到保证，由此造成了数控系统控制能力的不可靠。另一方面，一些已经具备独立性的功能模块迫切需要建立自己的处理运算体系，需要单独的控制器和运算器的支持，以一种全新的优化方式和拓扑结构融入到数控系统的功能框架中，形成具备网络特征的数控系统控制网络，以使得数控系统在功能实现、现场配置、资源优化方面适应生产过程自动化和控制流程自动化的柔性、复合型和综合处理能力等多方面的技术和应用需求。

    由此，笔者提出了一种基于现场总线(Processfield bus—DP，PROFIBUS—DP)的可重构开放式数控系统。

1基于先进精简指令集微处理器和运动控制芯片的可重构数控系统平台的构建

    1．1 基于先进精简指令集微处理器和运动控制芯片的数控系统的设计

    由于采用精简指令集计算机(Reduced Instruc—tion Set Computer，RISC)架构的先进精简指令集微处理器(Advanced RISC Microprocessor，ARM)具有如下特点：①体积小、低功耗、低成本、高性能；②支持Thumb(16位)／ARM(32位)双指令集，能很好地兼容8位／16位器件；③大量使用寄存器，指令执行速度更快；④大多数数据操作都在寄存器中完成；⑤寻址方式灵活简单，执行效率高；⑥指令长度固定。因而，在本系统设计中，采用ARM的全数字式的控制，可以实现生产过程的数字化与高速高精度。

    为缩短开发周期，提高控制性能和系统可靠性，在系统设计中采用了运动控制芯片MCX314AS。MCX314AS是性能优良、接口简单、编程简单且工作可靠的运动控制专用芯片，该芯片能够控制4轴，并实现4轴3联动的位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控，可实现直线、圆弧和位元3种模式的轨迹插补。所有插补计算由芯片完成，且多轴插补控制功能特别突出。

    系统硬件采用主从式双CPU结构模块化设计，分为基于ARM和现场总线的主控模块、基于MCX314AS的运动控制模块、基于FPGA的可配置模块、交互模块和网络模块。主CPU为ARM处理器，用于键盘、显示、文件存取、网络通讯等管理工作；而从CPU为MCX314AS运动控制芯片，专门负责完成复杂的运动控制的处理工作。

    MCX314AS与ARM的通讯是靠读写总线上的几个地址来进行指令和数据的传输。图1为基于这种思想开发的数控系统结构框图。

    图1 主轻系统结构框图

    1．2可重构制造系统的设计

    可重构制造系统能够通过重组或改变自身部件，快速调整生产能力和功能，以适应新的生产环境需要。美国国家研究委员会(National ResearchCouncil)发表了题为《2020年制造业挑战设想》的报告，其中将可重构制造系统列为优先考虑的领域之一。对一个制造系统来说，要想满足系统重构要求，它的子系统或部件应具有重构能力，而作为制造系统的关键单元，数控系统也必须具备重构能力。就重构角度而言，把能够通过重组或改变自身构件，快速调整控制能力，以适应制造系统整体重构需要的数控系统称为可重构数控系统。在可重构数控系统的研究方面，国内外主要采用软件的途径，而随着FPGA的出现，利用其构造数控系统的控制内核，并充分利用它的硬件可重构性，实现数控系统功能的重构，是可重构数控系统硬件实现的一条途径。

    按照文献[3]对可重构制造系统特征的定义，可重构数控系统具备模块化、可集成、可转换、可维护和可定制的特征。采用FPGA构建的数控系统能够很好地体现这些特征。

    (1)模块化可对数控系统按功能划分模块，然后采用硬件描述语言进行逻辑描述，制成专门的数控IP。

    (2)集成化使用专门的综合软件，将从其他IP供应商购买到的IP和自己开发的数控IP集成为数控系统。

    (3)可配置FPGA是基于静态随机存储器(Static Random Access Memory，SRAM)编程的，而硬件描述语言支持参数化设计，只要模块接口定义开放，也可以通过修改数控IP和整合不同的IP来改变设计，下载不同的配置数据以实现柔性化的设计。

    (4)可定制FPGA能够通过裁减和重整不同的IP，实现数控系统的功能定制，满足特定的加工要求，避免功能的冗余。

    (5)可维护性FPGA能够实现在系统编程和在系统重构，因而可以通过重新下载配置数据，实现系统本地或远程升级与维护。

    FPGA的上述优点可满足实现数控系统重构的硬件需要。当数控系统根据用户需求对伺服驱动或逻辑开关量等外部硬件进行扩展或重构后，FPGA在外部逻辑的控制下可通过对存储于E2PROM存储器中的FPGA配置数据重新下载，实现内部逻辑电路更新，从而使数控系统的逻辑电路也完成相应的重构。

    基于FPGA的可重构设计，可按需要实时地调整系统的控制逻辑，因而可大大增加计算机数控(Computer Numerical Control，CNC)系统的柔性和现场可重构性。如图2为基于FPGA的可重构系统的结构框图，系统可实现对数控镗床、数控钻床、数控铣床和数控车床的重构设计。[page]

    图2基于FPGA的可重构系统结构

    这种新型的数字逻辑系统从资源利用率来讲，可以动态重构地复用资源，资源利用率将成倍地提高，所需的硬件规模也将大大下降。同时，由于不是采用指令运算而是采用硬件复用原理，在某种意义上还有助于系统工作速度的提高。

2基于现场总线的数控系统的研究

    2．1 PROFIBUS总线简介

    开放式数控系统的两个重要内涵是自身接口的标准化、协议化和分布式体系的模块互连结构，这实际上与现场总线的技术纲领是一致的，即开放的、互联的接口规范和通信规范所组成的控制系统模型。因此，采用现场总线技术构建开放结构数控系统是一种必然的技术发展趋势，而且这种趋势定位在体系结构这个级别上，由此会彻底影响数控系统的设计、操作和配置等一系列特征，它正在触发传统数控技术领域内的重大变革，特别是伴随着开放式数控技术的研究和应用的升温，以数控系统为控制中心的控制系统和控制平台框架正在形成。

    PROFIBUS是一种国际性的开放式现场总线标准，目前已广泛应用于加工制造和过程控制，属于成熟的总线技术，世界上众多自动化技术生产厂家都为他们的设备提供了PROFIBUS接口。PROFI—BUs—DP是经过优化的高速廉价的通信连接，专为自动化系统和分散的现场控制设备之间通信而设计，特别是加工制造过程的控制，因此是分布式控制系统的高速数据传输的首选，而且PROFIBUS—DP定义了非常适合于数控系统功能实现的专用行规。所谓行规，就是根据应用的行业，对用户数据的含义进行了具体的、有针对性的定义和说明，从而使不同生产商的自动化设备只要遵循行规的格式描述，就可以实现互换。PROFIBUS—DP共有3个特别为数控应用定义的行规：

    (1)NC／RC行规(文件编号：3．052) 描述了如何通过PRoFIBUS—DP对机器人和数控机床机型进行控制，提供了详细的顺序图解，从高级自动化的角度描述了机械运动和过程控制的实现。

    (2)编码器行规(文件编号：3．062) 描述了带单转或多转分辨率的旋转编码器、角度编码器和线性编码器与PROFIBUS—DP的连接，并为这些设备分两种等级定义了基本功能和附加功能，如标定、中断处理和扩充的诊断。编码器正是数控系统中各类伺服电机和主轴电机测量位置和速度的核心测量传感器。

    (3)变速传动行规(文件编号：3．071) 描述了传动设备如何参数化以及如何传送设定值和收集实际值，它包括对速度控制和定位控制的必要规格参数规定基本的传动功能，又为特殊的应用扩展和进一步协议进化留有余地。

    可见，采用PROFIBUS—DP作为基础，进行分布式数控系统的设计是最合适的，而且符合未来技术的发展趋势。

    2．2 PROFIBUS—DP总线时间特性分析

    PROFIBUS—DP采用单一的总线存取协议，通过开放式系统互联(0pen System Interconnect，OSI)参考模型的第2层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。在PROFIBUS—DP中，这一层被称为现场总线数据链路(Fieldbus DataLink，FDL)，但实际上由介质存取控制(MediumAccess Control，MAC)子层来具体控制数据传输的程序，并且保证在任何时刻只能有一个站点设备发送数据。这也是PROFIBUS—DP协议设计旨在满足的基本要求。

    在复杂的自动化系统(主站)间通信，必须保证在确切的时间间隔中，任何一个站点都要有足够的时间来完成通信任务；而在复杂的主控制器和简单的I／O设备之间，应尽可能快速而又简单地完成数据的实时传输。因此，PROFIBUS—DP的总线存取协议包括主站与主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从方式。

    数控系统在处理某些连续任务过程中，对实时性的要求很高，如复杂轨迹曲线连续控制和现场关键信号的采集等。因此，必须对PROFIBUS—DP的时间特性进行分析，为数控系统设计提供依据。

    图3是一个单主站PRoFIBUS—DP系统在不同通讯速率下，总线通信循环时间随从站点数量增加的变化趋势。假设每个DP从设备有2 byte的输入和2 byte的输出数据，最小的从间隔时间是200μs，TID1一75 TBit，TSDR一11 TBit。显然，从站数量是决定总线循环时间的主要因素，但相对而言，高速传输受到的影响就很小。图4描述了总线上用户数据通讯流程和数据格式，以此为例来计算和分析总线上的信息循环时间。

    一个8位二迸制数(1 byte)按11位传输，电文头和尾由11 byte或9 byte组成，因此，当波特率为1．5 M时，1 TBit为0．666 7μs(1个8位二进制数-11 TBit-7．33μs)；当波特率为12 M时，1 TBit为83 ns(1个8位二进制数-11 TBit—0．913μs)。

    图3 PRoFIBUS—DP单主站系统的通信循环时间

    图4 PRoFIBUS—DP用户数据交换原理

    一般考虑到现场传输环境和延迟，在实施中还要加上约10％～20％的余量。主从通讯信息循环时间的具体计算公式如下：

    TMc-(TSYN+TID1+TSDR+Hender+I×11+O×11)×Slaves。

    式中,TMc为信息循环时间，按位时间计；TSYN为同步时间，典型的为33 TBit；TID1为在主站的空闲时间，典型的为75 TBit；TSDR为在从站的站延迟时间，最小值为11 TBit，最大为60 TBit至800 TBit不等，典型的为11 TBit；Hender为在请求和响应帧中的电文头，198 TBit；I为每个从站的输入数据字节数；O为每个从站的输出数据字节数；Slaves为从站个数。[page]

    对于一个单主站的数控系统方案，包含1个CNC控制器主站、4个伺服驱动器从站(4轴控制)、1个主轴驱动器从站、2个I／O模块从站、1个人机交互(Human Machine Interface，HMI)单元、2个监控单元从站，则共有1个主站，10个从站。假定每个从站有10 byte的输入和10 byte的输出，则TMc-(33+75+11+198+110+110)×20=10 740 TBit。

    1．5 M波特率下，1 TBit需要0．66μs，从而10 740 TBit需要10 740×0．66μs=7．1 ms；

    12 M波特率下，1TBit需要0．083μs，从而10 740 TBit需要10 740×0．083μs=0．9 ms。

    一般来说，数控系统在进行位置控制时，要求位置环的闭合时间在2 ms以内，所以上面的系统设计在1．5 M波特率时，无法满足要求。因此，要么提高总线传输速度到12 M波特率的水平，要么简化从站的输入输出字节的数量。

    2．3基于现场总线的结构方案设计

    现场总线也是一种被标准化和通用化的串行工业总线形式，采用数据通讯的形式，总线接口精简为只有通信数据的发送和接收定义。而且现场总线具备长距离连接的能力，可以采用串级连接的形式，以方便组建分布式的数控系统和远程控制的数控设备。

    图5描述了基于PROFIBUS总线的数控系统拓扑结构方案，将数控系统简化为包含CNC控制器、人机接口(Human Machine Interface，HMI)系统、输入输出单元I／O、驱动器单元DRIVE和电机单元。每个模块具备独立的处理能力和智能特征，通过现场总线串联起来，成为总线拓扑结构上的一个站点。站点有主从之分，但都遵循完全一样的总线通信协议，因此，总线上传输的信号都表示数据而不存在专门的控制信号。这些数据信号必须经过特定的译码后，才能变成每一个模块单元可以直接在内部使用的数据。相对于传统的集中式数控系统结构，CNC控制器的地位发生了变化，它从核心模块变成了现场总线中的一个节点，虽然仍是整个系统中的控制主体，但通讯方式的改变使其在拓扑结构上与其他外围设备节点处于同等地位。CNC控制器可配置为现场总线数控系统中的主设备，负责系统任务的发起和控制数据的生成，以及采集监控其他节点模块的返回数据。

    图5基于PROFIBus总线的数控系统结构图

    各模块的功能描述如下：

    CNC控制器作为整个现场总线系统的主机，负责数控加工任务的规划、指令和数据的生成、计算和输出，负责网络系统的初始化、发起任务、状态查询、数据下载等工作。交互系统HMI则负责数控加工数据的输入，处理与用户操作和监控有关的系统功能，一般具备显示功能、键盘处理、用户数据传输，以及简单的数据处理功能。传统集中式数控系统中CNC控制器的CPU在担负起人机交互任务的同时，还要进行运动控制任务。这就要求必须用严格的实时任务调度来解决任务问共用处理器资源和共享数据可能产生的冲突。而分布式的设计方案则使HMI模块本身具备充分的处理和运算能力，它可以独立地向其他模块查询数据和发送数据，无须通过CNC控制器进行转发控制。这种数据的传输根据具体的现场总线协议不同而具备不同的封装形式，因此，只要符合该数据格式的传输设备都可以直接与HMI建立数据通讯关系，完成用户数据设定和所需数据的查询。这种模块化设计，可使HMI模块根据实际现场的需要具备多种形式，包括显示格式、数据类型、参数格式、图形化显示等众多功能，且都可以不依赖于CNC控制器而自由定制。

    I／O模块同样从传统数控系统中的I／O点转化成具备智能处理能力和通讯能力的控制单元。I／O智能模块单元由于具备自己专门的处理器，而从集中式数控体系中独立出来，它自身实现数字量的输出、外部信号的采集，以及这个过程中所涉及到的信号的转化和调整。I／O模块单元与HMI和CNC控制器通过现场总线可以直接建立联系，所有对I／O端口的操作都会以命令的方式进行传输，传输的周期和格式由现场总线具体的协议规范保证。现场总线对I／O模块的连接，通过一对屏蔽双绞线即可实现。因此，系统的连接被简单化了，可靠性和灵活性都得到了很大的提高。而I／O模块自身的处理能力可以独立执行对现场I／O端口，包括执行器和传感器的基本控制和实时事件处理，保证了现场设备的正常运行。

    数字伺服驱动器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，它是数控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CNC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。数字主轴驱动单元是数控系统的切削加工执行器，是与主轴电机等部件的直接接口，负责将CNC控制器对主轴的操作指令转变成转速或位置输出。目前，驱动器已从模拟式逐渐过渡到数字式，其主要标志是内部由模拟的开关器件和功率器件，转变为基于数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)的数字式、集成化智能控制器件。参数的整定和算法的实现，是从硬件电子电路转化为基于软件的实现，因此具备了更多的柔性和可配置性。驱动器接受控制器发送的位置指令(脉冲串)或速度指令(模拟电压信号)，通过内部控制器处理，控制电机精确运转，并在伺服系统中通过位置和速度检测装置，实现基于跟随误差的系统精确随动控制。但是，目前驱动器与控制器的连接仍是以并行连线为主，很多离散的输入输出信号必须通过一对一的连接关系进行传输交互，当控制器和驱动器安装距离较远时，这种连接方式非常不方便。因此，采用数据通讯的串行连接方式，实现驱动器与控制器的信息交互，是简化系统结构、提高系统可靠性的有力措施。而现场总线正是实现这一接口方案的最佳选择，它将所有的连接信号封装成具有控制意义的特殊指令格式，在控制器和驱动器之间传输，也可以在HMI，I／O单元和驱动器之间传输，然后由各自模块的处理单元解码，转换成内部所需的各类控制信号。

    监控诊断单元是数控系统的状态监测与故障处理的独立模块，与现场的传感装置直接连接，负责实时采集现场设备关键部位的工作数据，并能进行预处理和应急处理，同时能够在必要时与CNC控制器建立信息交互。

    这便是全数字式的数控系统的基本要求，这样的设计使得系统的结构不仅在硬件上得到了统一化，而且在软件接口上也有了统一的形式，因为遵循相同的数据传输格式和编码解码过程，通讯接口单元可以被抽象出来，供每一个不同功能的数控控制实体利用。

3 结束语

    本文介绍的方案已成功应用于机床数控系统中，如TDNC320车床、TDNCXl5A铣床等。在此基础上，笔者快速重构出了可应用于一个4轴加工中心TDNC40A的数控系统，如图6所示。实验证明系统稳定可靠，可重构效果良好。

    图6数控系统用于4轴加工中心TDNC40A

    MCX314AS是一款功能强大的运动控制芯片，具有优越的4轴控制及插补功能，可大大减轻研发任务，提高研发速度，在短时间内得到了控制性能较高的数控系统。而ARM处理器的强大功能保证了该系统的高速、高精度和实时性数控加工。FPGA的应用解决了由于现场伺服电机扩展后的逻辑电路变化的问题，从硬件上实现了可重构性。现场总线是数控系统向工业通信技术领域内寻求分布式解决方案的一条很有前景的途径，其优势在于面向工业的标准化设计和市场产品线的支持体系。现场总线的应用实现了数控系统底层单元的灵活配置功能和数控系统的开放性。