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1、串行总线计算机数控系统串行总线计算机数控系统 l 在数控系统中，个人计算机技术与数控技术越来越紧密地结合，由此而产生的具有开放性的PCNC数控系统，正在取代传统形式的数控系统，并成为市场的主流产品。l 计算机总线结构的变革，必将影响数控系统的体系结构，串行总线的应用将极大地改变现有的传统数控系统的结构形式。串行总线的优点串行总线的优点l 串行总线连接引脚数量少，连接简单，成本较低，系统可靠性高 l 串行总线对系统体系结构具有重大的影响，它的应用有助于数据流计算机体系结构的实现。l 在并行总线中，传输数据的各个位必须处于一个时钟周期内的相同位置，频率越高，对器件的传输性能和电路结构要求越严格，系
2、统设计难度加大，致使系统成本提高，可靠性降低。l 使用串行总线时，数据的各个位是串行传输的。在串行总线设计时，既可以嵌入时钟信号作为同步信号，也可以采用锁相环的时钟恢复方式；l 同并行总线相比，串行总线的传输线效应比较容易处理，从而降低设计难度和系统成本 l 以串行信息包为基础的系统，不需要编写驱动程序，当断开任何一根互连线，对全部信息包进行解码时，串行总线将这些信息包移入存储器并中断处理器，这是一种局部的中断或事件。随后微处理器将查看这些信息包，而不需要用驱动程序进行上述工作。系统将成为一种信息传递系统，而不是事件驱动系统。国外数控系统总线接口的发展国外数控系统总线接口的发展概况概况l在数控
3、系统行业中，世界上最大的数控系统生产厂日本FANUC公司最近推出的15i/16i/18i/21i系列数控系统，便是一种串行总线结构形式的数控系统。该系列数控系统以其独特的结构、优良的性能引起了关注。其中配备18i系统的钻削中心已在我国销售。l 15i系统是目前世界上最高性能的CNC数控系统，最多可进行24轴控制，可控制5轴机床完成如航空部件，模具等零件的高速、高精度加工。插补精度为1nm(被称为NANO插补)，改进加减速控制(Fine HPCC)，适应高速、高精度加工的要求。15i系统连接图如下图所示 l传统数控系统和每台伺服单元相连都需要一根电缆线，系统连接比较复杂。l 15i系统与各轴伺服
4、单元是通过高速串行总线连接的，仅需一根光缆就可以连接8台伺服单元。另外通过一根电缆即可与I/O模块相连，I/O模块可以扩展。l该系列产品在市场中具有很强的竞争力，在未来几年中FANUC i系列数控系统将逐渐取代FANUC 0系列数控系统，成为该公司的主导产品。l1990年德国一些著名的CNC系统和伺服系统制造商，例如SIEMENS、BOSCH、AMK等公司，与科研机构共同发起成立了SERCOS协会，并制订了串行实时通讯协议(Serial Real Time Communication Specification)，以便在德国建立一个统一的CNC系统与数字伺服系统接口标准，并开发相应的产品。l1
5、992年4月，该协议已经被建议作为新的德国标准和国际标准DIN/IEC44。目前该协议已经被欧洲主要CNC系统和伺服系统制造商所接受，引起国际同行业的重视。lTHOMSON公司已经取得SERCOS接口硬件的生产许可，生产出SERCOS接口控制器SERCOS410A ASIC芯片，供CNC系统和伺服系统生产厂家使用。l1997年日本也成立了SERCOS协会。l欧洲的一些公司已推出具有CAN总线接口的伺服控制单元，并投入实际应用。l 串行总线计算机数控系统(SCNC)是数控系统的发展方向l 常用现场总线l 1、CAN（Controller Area Network）l 及基于CAN的应用层协议CA
6、N最初由Robert Bosch设计，以提供车辆内电子面板控制单元（Electronic Control Units,ECUs）的串行通信。其特点为实时、高传输可靠性和数据安全性，CAN产品广泛、成本低，从而超出汽车工业应用至工业自动化领域，如移动机床。lCAN面向消息，多主、广播协议，被ISO11898标准化为高速通信，（只定义了数据链路层和部分物理层）。CAN采用带非破坏性位判断的CSMA或冲突避免（CSMA/CA）以解决潜在的总线访问冲突，不丢失数据和带宽。识别符的长度（判断域）为11位标准ID和29位扩展ID（CAN Kingdom）。lCAN不是一种完整的网络协议，缺少应用层和网络管
7、理部分。领先的用户们定义他们自己的协议，今天存在的一些应用层协议有：DeviceNet,SDS,CAL/CANopen,CAN Kingdom,基于ISO11898 CAN通信协议，得到CiA（CAN in Automation）的支持。lCAN不采用重发器，限制了可能的拓扑结构和连接设备数量。总线速度和距离也不佳。lDeviceNetDeviceNet提供现场设备和控制设备，如PLC和PC，的中速连接，由Allen-Bradley开发，得到了美国Open DeviceNet Vendors Association（ODVA）的支持。DeviceNet标准定义了物理层、应用层和设备规约（以获得
8、互操作性和互交换性）。3种速率：125K、250K和500K，网络可容纳至多64个节点或2048个I/O点。应用层规定报文和片段服务。两种类型的报文定义为：时间要求严格的基于生产-消费模式I/O报文，时间要求不严格的基于客户-服务器模式的显式报文。增减设备网络无需切断电源、可在线组态设备、每个设备内的看门狗计时器是DeviceNet的主要特征。lSDS:Smart Device SystemSDS专为I/O级控制应用设计，以扩展到更高一级总线，由Honeywell Micro Switch Division开发，得到了美国Smart Society的支持。SDS标准定义了应用层、物理层和设备规
9、约。连接简单I/O设备至PLC或PC，以垂询方式工作时特别有效。同时可以运行在对等模式下，以提供分散控制。规定的4种传输速率为125K、250K、500K和1M，网络中可容纳至多64个节点。网络节点的报文在应用层定义有两个对象：变量和事件，及10个相关的服务类：读、写、动作、事件、连接等。此外，其优点有：提供SDS智能设备、高级总线的集成和系统状态的设备诊断。lCAL/CANopen:CAN Application Layer/CANopenCAL，工业应用的CAN应用层，由Philips Medical System开发，CiA推荐和进一步完善，提供4种应用层服务元素：CAN报文标准（CMS
10、）、网络管理（NMT）、分散标识符（DBT）和层管理（LMT），CMS为MMS的子集，定义了3种类型的对象：变量、事件和域及19种相关服务。CANopen，针对工业系统，并基于CAN通信规约，为CAL全套设备规约的子集，由ESPRIT工程ASPIC（Automation and control System for Production units using an Installation bus Concept）提出，仍在完善之中。网络设备的通信以3种方式进行：同步、事件驱动和垂询。lCAN KingdomCAN Kingdom主要瞄准机床控制系统，由瑞典KVASER AB开发。CAN K
11、ingdom的原理是：一个网络节点无权做任何事情，只能等待“国王”下达的指令，“国王”拥有所有的ID并在启动时将其分配给节点。CAN Kingdom不是一个完整的通信协议，只是一套简单的协议和工具，提供系统设计人员根据应用选择拓扑结构和总线访问管理的高度柔性。DeviceNet、SDS和J1939可被集成到CAN Kingdom系统，但反过来则不行。l作为一种主从结构，基于CAN的方案适用于网络中控制功能分散的系统。DeviceNet和CAL覆盖相似的应用领域，均不考虑瞬时连续性和有效周期。DeviceNet连接I/O设备时遵从“预定义的主从连接集”，非常接近SDS，DeviceNet和SDS
12、的绝大多数应用均采用主从配置。lProfibus:PROcess Field BUSlProfibus由Siemens领导开发，共有3种版本：llProfibus-FMS（Fieldbus Message Specification）：针对单元控制，主要是为了解决控制器与智能现场设备之间的大容量信息的传送。采用令牌与主从方式相结合的办法，实现总线访问控制。FMS包括两个基本组件：FMS，MMS子集，在面向对象、client/server体系结构下提供服务给用户应用，其重要特性为虚拟现场设备（Virtual Field Device,VFD）和低层接口（Lower Layer Interface
13、,LLI），使应用功能适应数据链路层的众多特性。FMS有39种服务，包括环境管理、变量访问、域管理、程序调用管理、事件管理、虚拟现场设备支持、对象字典（Object Dictionary,OD）管理等。不支持实时服务，规约在用户层定义。是MiniMAP的有力竞争者。lProfibus-DP（Decentralised Peripherals）：针对自动化系统中的实时循环I/O通信。省略了OSI模型的第7层，通过直接数据连结映像器直接将用户接口连结到第2层。lProfibus-PA（Process Automation）：面向过程控制应用。物理层满足IEC 1158-2本安传送标准，“电压模式，
14、31.25kbps”，或RS485；数据链路层为DIN 19245的功能集合；应用层与Profibus-FMS相同。仪表A和B的规约在用户层定义，已确保设备的可互操作性和互换性。lFMS和DP主要服务于离散制造应用，使用RS485接口。实际上，可在同一系统甚至同一设备中同时使用FMS和DP。不同功能和10种传输速率（9.6kbps12Mbps）的芯片和开发工具可选。lProfibus是一个从现场到单元层的系统方案，在Siemens的极力推荐下，已被工业界广泛接受，安装数量很多。lSERCOS interface:SErial Real-time Communication SystemlSER
15、COS interface是德国机床开发协会（VDW）和德国电子电气制造商协会（ZVEI）的合作成果，其目的为设计NC和传动之间数字通信的标准接口以取代10V标准接口。应用于多轴移动控制和分散I/O。是目前国际上唯一的NC数字传动接口标准，IEC 1491系统接口。SERCOS interface由 FGS推荐。l该总线为集中主从协议，使用光纤环型拓扑，可以2或4Mbps的速率连结至多254个从节点，8Mbps正在测试。精确同步移动可达32位数字精度。SERCOS系统不受无线干扰。NC控制单元（主节点）负责所有通信的收发，通信为轮询方式。介质访问控制通过主节点在初始化阶段分配给每个传动设备的时
16、间槽实现。报文为HDLC格式。l每个报文可容纳每个传动设备16byte的实时数据和服务数据。主节点可发送2byte服务命令，信息必须存储在一大量存储段内，并由接受端重新组合。支持3种运行模式：转矩控制、速率控制和位置控制。lSERCOS Interface与OSI-RM并不真正兼容，但定义了大量的应用层服务，如参数的上载/下载、诊断等。同时，提供移动控制的顺序I/O集成。l显然，Interbus-S是SERCOS低端的有力竞争者，DRIVECOM为此建立了Interbus-S规约。我国的现状和对策我国的现状和对策 l 在我国市场上，国外数控系统仍占统治地位，传统数控系统还占据着市场的绝大部分份
17、额，中国市场成为其落后技术及库存的倾销地。l虽然中华型、航天型、华中型等PCNC系统相继推出，但总体设计仍未摆脱传统数控系统的框架，成本较高，目前还难以取代传统数控系统的市场地位。但随着个人计算机及网络技术在数控系统中的应用，传统数控系统不可避免地将被更具有竞争力的串行总线计算机数控系统(SCNC)所取代。串行总线计算机数控系统将成为数控系统未来发展的方向，对串行总线系统结构的研究应引起我们的高度重视。l在学习消化国外先进技术的基础上，尽快研究、建立有关的标准和协议，选择适用的实时操作系统，开发相应的数控软件、串行接口芯片和伺服系统，推出我国自主版权的新一代数控系统，为参与国际市场竞争打下良好的物质基础。l串行总线计算机数控系统(SCNC)是数控系统的发展方向，不能完全依赖国外进口，应加强对新技术、新方法的研究。l国内同行应团结一致，共同努力，联合相关行业，寻求发展，振兴我国数控系统产业。