引言

　　數控系統的開放性、可重構設計、模塊化、網絡化是當前數控技術領域研究的熱點。開放式數控的技術本質是標準化，它的目標是把復雜的數控技術產品體系分割開，形成公認的模塊化構件，讓更多的廠商能夠參與到數控技術的廣闊市場中來。顯然，模塊化是開放式控制的原始基礎和技術雛形，而實現這一目標的前提是共同制定一個產品的標準，準確地說，就是制定一個共同遵循接口的標準，以實現龐大數控系統架構的分解和集成。

　　可重構數控的技術本質是柔性化。其實際上和原有的柔性制造系統一脈相承，只不過加入了管理學和運籌學的技術內容。不同的是，這種管理過程不是完全由人來主導，而是在人預先定義的決策下，由控制系統本身按照某種程度的自動化來實施的，其目標是系統實現從一種形態轉變成另一種形態。重構后的系統，可適應新的制造環境，或提供更優化的效率，這正是柔性制造的核心內容。隨著高集成度、高速度和具備硬件可重構能力的現場可編程門陣列(field programmable gates array，fpga)器件的出現，利用其實現可重構數控系統是一條快速、簡捷、可靠的途徑。

　　隨著工業現場環境和控制對象本身的日益龐雜，數控系統所包含的控制器、驅動器、輸入輸出模塊、傳感器、執行器之間需要更多的信息交互。采用傳統的模擬通道和并行連線的方式，不僅使得數控系統整體結構復雜，而且在信息交互密集的控制任務下，實時性無法得到保證，由此造成了數控系統控制能力的不可靠。另一方面，一些已經具備獨立性的功能模塊迫切需要建立自己的處理運算體系，需要單獨的控制器和運算器的支持，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，形成具備網絡特征的數控系統控制網絡，以使得數控系統在功能實現、現場配置、資源優化方面適應生產過程自動化和控制流程自動化的柔性、復合型和綜合處理能力等多方面的技術和應用需求。

　　由此，筆者提出了一種基于現場總線(processfield bus—dp，profibus—dp)的可重構開放式數控系統。

1 基于先進精簡指令集微處理器和運動控制芯片的可重構數控系統平臺的構建

　　1．1 基于先進精簡指令集微處理器和運動控制芯片的數控系統的設計

　　由于采用精簡指令集計算機(reduced instruc—tion set computer，risc)架構的先進精簡指令集微處理器(advanced risc microprocessor，arm)具有如下特點：①體積小、低功耗、低成本、高性能；②支持thumb(16位)／arm(32位)雙指令集，能很好地兼容8位／16位器件；③大量使用寄存器，指令執行速度更快；④大多數數據操作都在寄存器中完成；⑤尋址方式靈活簡單，執行效率高；⑥指令長度固定。因而，在本系統設計中，采用arm的全數字式的控制，可以實現生產過程的數字化與高速高精度。

　　為縮短開發周期，提高控制性能和系統可靠性，在系統設計中采用了運動控制芯片mcx314as。mcx314as是性能優良、接口簡單、編程簡單且工作可靠的運動控制專用芯片，該芯片能夠控制4軸，并實現4軸3聯動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監控，可實現直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補。所有插補計算由芯片完成，且多軸插補控制功能特別突出。

　　系統硬件采用主從式雙cpu結構模塊化設計，分為基于arm和現場總線的主控模塊、基于mcx314as的運動控制模塊、基于fpga的可配置模塊、交互模塊和網絡模塊。主cpu為arm處理器，用于鍵盤、顯示、文件存取、網絡通訊等管理工作；而從cpu為mcx314as運動控制芯片，專門負責完成復雜的運動控制的處理工作。

　　mcx314as與arm的通訊是靠讀寫總線上的幾個地址來進行指令和數據的傳輸。圖1為基于這種思想開發的數控系統結構框圖。

　　1．2可重構制造系統的設計

　　可重構制造系統能夠通過重組或改變自身部件，快速調整生產能力和功能，以適應新的生產環境需要。美國國家研究委員會(national researchcouncil)發表了題為《2020年制造業挑戰設想》的報告，其中將可重構制造系統列為優先考慮的領域之一。對一個制造系統來說，要想滿足系統重構要求，它的子系統或部件應具有重構能力，而作為制造系統的關鍵單元，數控系統也必須具備重構能力。就重構角度而言，把能夠通過重組或改變自身構件，快速調整控制能力，以適應制造系統整體重構需要的數控系統稱為可重構數控系統。在可重構數控系統的研究方面，國內外主要采用軟件的途徑，而隨著fpga的出現，利用其構造數控系統的控制內核，并充分利用它的硬件可重構性，實現數控系統功能的重構，是可重構數控系統硬件實現的一條途徑。

　　按照文獻[3]對可重構制造系統特征的定義，可重構數控系統具備模塊化、可集成、可轉換、可維護和可定制的特征。采用fpga構建的數控系統能夠很好地體現這些特征。

　　(1)模塊化可對數控系統按功能劃分模塊，然后采用硬件描述語言進行邏輯描述，制成專門的數控ip。

　　(2)集成化使用專門的綜合軟件，將從其他ip供應商購買到的ip和自己開發的數控ip集成為數控系統。

　　(3)可配置fpga是基于靜態隨機存儲器(static random access memory，sram)編程的，而硬件描述語言支持參數化設計，只要模塊接口定義開放，也可以通過修改數控ip和整合不同的ip來改變設計，下載不同的配置數據以實現柔性化的設計。

　　(4)可定制fpga能夠通過裁減和重整不同的ip，實現數控系統的功能定制，滿足特定的加工要求，避免功能的冗余。

　　(5)可維護性fpga能夠實現在系統編程和在系統重構，因而可以通過重新下載配置數據，實現系統本地或遠程升級與維護。

　　fpga的上述優點可滿足實現數控系統重構的硬件需要。當數控系統根據用戶需求對伺服驅動或邏輯開關量等外部硬件進行擴展或重構后，fpga在外部邏輯的控制下可通過對存儲于e2prom存儲器中的fpga配置數據重新下載，實現內部邏輯電路更新，從而使數控系統的邏輯電路也完成相應的重構。

基于fpga的可重構設計，可按需要實時地調整系統的控制邏輯，因而可大大增加計算機數控(computer numerical control，cnc)系統的柔性和現場可重構性。如圖2為基于fpga的可重構系統的結構框圖，系統可實現對數控鏜床、數控鉆床、數控銑床和數控車床的重構設計。

基于fpga的可重構系統結構 放大圖片

圖2基于fpga的可重構系統結構

　　這種新型的數字邏輯系統從資源利用率來講，可以動態重構地復用資源，資源利用率將成倍地提高，所需的硬件規模也將大大下降。同時，由于不是采用指令運算而是采用硬件復用原理，在某種意義上還有助于系統工作速度的提高。

2 基于現場總線的數控系統的研究

　　2．1 profibus總線簡介

　　開放式數控系統的兩個重要內涵是自身接口的標準化、協議化和分布式體系的模塊互連結構，這實際上與現場總線的技術綱領是一致的，即開放的、互聯的接口規范和通信規范所組成的控制系統模型。因此，采用現場總線技術構建開放結構數控系統是一種必然的技術發展趨勢，而且這種趨勢定位在體系結構這個級別上，由此會徹底影響數控系統的設計、操作和配置等一系列特征，它正在觸發傳統數控技術領域內的重大變革，特別是伴隨著開放式數控技術的研究和應用的升溫，以數控系統為控制中心的控制系統和控制平臺框架正在形成。

　　profibus是一種國際性的開放式現場總線標準，目前已廣泛應用于加工制造和過程控制，屬于成熟的總線技術，世界上眾多自動化技術生產廠家都為他們的設備提供了profibus接口。profi—bus—dp是經過優化的高速廉價的通信連接，專為自動化系統和分散的現場控制設備之間通信而設計，特別是加工制造過程的控制，因此是分布式控制系統的高速數據傳輸的首選，而且profibus—dp定義了非常適合于數控系統功能實現的專用行規。所謂行規，就是根據應用的行業，對用戶數據的含義進行了具體的、有針對性的定義和說明，從而使不同生產商的自動化設備只要遵循行規的格式描述，就可以實現互換。profibus—dp共有3個特別為數控應用定義的行規：

　　(1)nc／rc行規(文件編號：3．052) 描述了如何通過profibus—dp對機器人和數控機床機型進行控制，提供了詳細的順序圖解，從高級自動化的角度描述了機械運動和過程控制的實現。

　　(2)編碼器行規(文件編號：3．062) 描述了帶單轉或多轉分辨率的旋轉編碼器、角度編碼器和線性編碼器與profibus—dp的連接，并為這些設備分兩種等級定義了基本功能和附加功能，如標定、中斷處理和擴充的診斷。編碼器正是數控系統中各類伺服電機和主軸電機測量位置和速度的核心測量傳感器。

　　(3)變速傳動行規(文件編號：3．071) 描述了傳動設備如何參數化以及如何傳送設定值和收集實際值，它包括對速度控制和定位控制的必要規格參數規定基本的傳動功能，又為特殊的應用擴展和進一步協議進化留有余地。

　　可見，采用profibus—dp作為基礎，進行分布式數控系統的設計是最合適的，而且符合未來技術的發展趨勢。

　　2．2 profibus—dp總線時間特性分析

　　profibus—dp采用單一的總線存取協議，通過開放式系統互聯(0pen system interconnect，osi)參考模型的第2層實現，包括數據的可靠性以及傳輸協議和報文的處理。在profibus—dp中，這一層被稱為現場總線數據鏈路(fieldbus datalink，fdl)，但實際上由介質存取控制(mediumaccess control，mac)子層來具體控制數據傳輸的程序，并且保證在任何時刻只能有一個站點設備發送數據。這也是profibus—dp協議設計旨在滿足的基本要求。

　　在復雜的自動化系統(主站)間通信，必須保證在確切的時間間隔中，任何一個站點都要有足夠的時間來完成通信任務；而在復雜的主控制器和簡單的i／o設備之間，應盡可能快速而又簡單地完成數據的實時傳輸。因此，profibus—dp的總線存取協議包括主站與主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從方式。

　　數控系統在處理某些連續任務過程中，對實時性的要求很高，如復雜軌跡曲線連續控制和現場關鍵信號的采集等。因此，必須對profibus—dp的時間特性進行分析，為數控系統設計提供依據。

　　圖3是一個單主站profibus—dp系統在不同通訊速率下，總線通信循環時間隨從站點數量增加的變化趨勢。假設每個dp從設備有2 byte的輸入和2 byte的輸出數據，最小的從間隔時間是200μs，tid1一75 tbit，tsdr一11 tbit。顯然，從站數量是決定總線循環時間的主要因素，但相對而言，高速傳輸受到的影響就很小。圖4描述了總線上用戶數據通訊流程和數據格式，以此為例來計算和分析總線上的信息循環時間。

一個8位二迸制數(1 byte)按11位傳輸，電文頭和尾由11 byte或9 byte組成，因此，當波特率為1．5 m時，1 tbit為0．666 7μs(1個8位二進制數-11 tbit-7．33μs)；當波特率為12 m時，1 tbit為83 ns(1個8位二進制數-11 tbit—0．913μs)。

　　一般考慮到現場傳輸環境和延遲，在實施中還要加上約10％～20％的余量。主從通訊信息循環時間的具體計算公式如下：

　　tmc-(tsyn+tid1+tsdr+hender+i×11+o×11)×slaves。

　　式中,tmc為信息循環時間，按位時間計；tsyn為同步時間，典型的為33 tbit；tid1為在主站的空閑時間，典型的為75 tbit；tsdr為在從站的站延遲時間，最小值為11 tbit，最大為60 tbit至800 tbit不等，典型的為11 tbit；hender為在請求和響應幀中的電文頭，198 tbit；i為每個從站的輸入數據字節數；o為每個從站的輸出數據字節數；slaves為從站個數。

　　對于一個單主站的數控系統方案，包含1個cnc控制器主站、4個伺服驅動器從站(4軸控制)、1個主軸驅動器從站、2個i／o模塊從站、1個人機交互(human machine interface，hmi)單元、2個監控單元從站，則共有1個主站，10個從站。假定每個從站有10 byte的輸入和10 byte的輸出，則tmc-(33+75+11+198+110+110)×20=10 740 tbit。

　　1．5 m波特率下，1 tbit需要0．66μs，從而10 740 tbit需要10 740×0．66μs=7．1 ms；

　　12 m波特率下，1tbit需要0．083μs，從而10 740 tbit需要10 740×0．083μs=0．9 ms。

　　一般來說，數控系統在進行位置控制時，要求位置環的閉合時間在2 ms以內，所以上面的系統設計在1．5 m波特率時，無法滿足要求。因此，要么提高總線傳輸速度到12 m波特率的水平，要么簡化從站的輸入輸出字節的數量。

　　2．3基于現場總線的結構方案設計

　　現場總線也是一種被標準化和通用化的串行工業總線形式，采用數據通訊的形式，總線接口精簡為只有通信數據的發送和接收定義。而且現場總線具備長距離連接的能力，可以采用串級連接的形式，以方便組建分布式的數控系統和遠程控制的數控設備。

　　圖5描述了基于profibus總線的數控系統拓撲結構方案，將數控系統簡化為包含cnc控制器、人機接口(human machine interface，hmi)系統、輸入輸出單元i／o、驅動器單元drive和電機單元。每個模塊具備獨立的處理能力和智能特征，通過現場總線串聯起來，成為總線拓撲結構上的一個站點。站點有主從之分，但都遵循完全一樣的總線通信協議，因此，總線上傳輸的信號都表示數據而不存在專門的控制信號。這些數據信號必須經過特定的譯碼后，才能變成每一個模塊單元可以直接在內部使用的數據。相對于傳統的集中式數控系統結構，cnc控制器的地位發生了變化，它從核心模塊變成了現場總線中的一個節點，雖然仍是整個系統中的控制主體，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。cnc控制器可配置為現場總線數控系統中的主設備，負責系統任務的發起和控制數據的生成，以及采集監控其他節點模塊的返回數據。

　　各模塊的功能描述如下：

　　cnc控制器作為整個現場總線系統的主機，負責數控加工任務的規劃、指令和數據的生成、計算和輸出，負責網絡系統的初始化、發起任務、狀態查詢、數據下載等工作。交互系統hmi則負責數控加工數據的輸入，處理與用戶操作和監控有關的系統功能，一般具備顯示功能、鍵盤處理、用戶數據傳輸，以及簡單的數據處理功能。傳統集中式數控系統中cnc控制器的cpu在擔負起人機交互任務的同時，還要進行運動控制任務。這就要求必須用嚴格的實時任務調度來解決任務問共用處理器資源和共享數據可能產生的沖突。而分布式的設計方案則使hmi模塊本身具備充分的處理和運算能力，它可以獨立地向其他模塊查詢數據和發送數據，無須通過cnc控制器進行轉發控制。這種數據的傳輸根據具體的現場總線協議不同而具備不同的封裝形式，因此，只要符合該數據格式的傳輸設備都可以直接與hmi建立數據通訊關系，完成用戶數據設定和所需數據的查詢。這種模塊化設計，可使hmi模塊根據實際現場的需要具備多種形式，包括顯示格式、數據類型、參數格式、圖形化顯示等眾多功能，且都可以不依賴于cnc控制器而自由定制。

　　i／o模塊同樣從傳統數控系統中的i／o點轉化成具備智能處理能力和通訊能力的控制單元。i／o智能模塊單元由于具備自己專門的處理器，而從集中式數控體系中獨立出來，它自身實現數字量的輸出、外部信號的采集，以及這個過程中所涉及到的信號的轉化和調整。i／o模塊單元與hmi和cnc控制器通過現場總線可以直接建立聯系，所有對i／o端口的操作都會以命令的方式進行傳輸，傳輸的周期和格式由現場總線具體的協議規范保證。現場總線對i／o模塊的連接，通過一對屏蔽雙絞線即可實現。因此，系統的連接被簡單化了，可靠性和靈活性都得到了很大的提高。而i／o模塊自身的處理能力可以獨立執行對現場i／o端口，包括執行器和傳感器的基本控制和實時事件處理，保證了現場設備的正常運行。

　　數字伺服驅動器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，它是數控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cnc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。數字主軸驅動單元是數控系統的切削加工執行器，是與主軸電機等部件的直接接口，負責將cnc控制器對主軸的操作指令轉變成轉速或位置輸出。目前，驅動器已從模擬式逐漸過渡到數字式，其主要標志是內部由模擬的開關器件和功率器件，轉變為基于數字信號處理(digital signal processing，dsp)的數字式、集成化智能控制器件。參數的整定和算法的實現，是從硬件電子電路轉化為基于軟件的實現，因此具備了更多的柔性和可配置性。驅動器接受控制器發送的位置指令(脈沖串)或速度指令(模擬電壓信號)，通過內部控制器處理，控制電機精確運轉，并在伺服系統中通過位置和速度檢測裝置，實現基于跟隨誤差的系統精確隨動控制。但是，目前驅動器與控制器的連接仍是以并行連線為主，很多離散的輸入輸出信號必須通過一對一的連接關系進行傳輸交互，當控制器和驅動器安裝距離較遠時，這種連接方式非常不方便。因此，采用數據通訊的串行連接方式，實現驅動器與控制器的信息交互，是簡化系統結構、提高系統可靠性的有力措施。而現場總線正是實現這一接口方案的最佳選擇，它將所有的連接信號封裝成具有控制意義的特殊指令格式，在控制器和驅動器之間傳輸，也可以在hmi，i／o單元和驅動器之間傳輸，然后由各自模塊的處理單元解碼，轉換成內部所需的各類控制信號。

　　監控診斷單元是數控系統的狀態監測與故障處理的獨立模塊，與現場的傳感裝置直接連接，負責實時采集現場設備關鍵部位的工作數據，并能進行預處理和應急處理，同時能夠在必要時與cnc控制器建立信息交互。

　　這便是全數字式的數控系統的基本要求，這樣的設計使得系統的結構不僅在硬件上得到了統一化，而且在軟件接口上也有了統一的形式，因為遵循相同的數據傳輸格式和編碼解碼過程，通訊接口單元可以被抽象出來，供每一個不同功能的數控控制實體利用。

    3 結束語

　　本文介紹的方案已成功應用于機床數控系統中，如tdnc320車床、tdncxl5a銑床等。在此基礎上，筆者快速重構出了可應用于一個4軸加工中心tdnc40a的數控系統，如圖6所示。實驗證明系統穩定可靠，可重構效果良好。

圖6數控系統用于4軸加工中心tdnc40a

　　mcx314as是一款功能強大的運動控制芯片，具有優越的4軸控制及插補功能，可大大減輕研發任務，提高研發速度，在短時間內得到了控制性能較高的數控系統。而arm處理器的強大功能保證了該系統的高速、高精度和實時性數控加工。fpga的應用解決了由于現場伺服電機擴展后的邏輯電路變化的問題，從硬件上實現了可重構性。現場總線是數控系統向工業通信技術領域內尋求分布式解決方案的一條很有前景的途徑，其優勢在于面向工業的標準化設計和市場產品線的支持體系?，F場總線的應用實現了數控系統底層單元的靈活配置功能和數控系統的開放性。