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1、第1 0 卷第1 1 期2004 年1 1 月计算机集成制造系统C o m p u t e rI n t e g r a t e dM a n u f a c t u r i n gS y s t e m sV 0 1 1 0N o 1 1N O V 2 0 0 4文章编号：1 0 0 6 5 9 1 1(2 0 0 4)1 1 1 4 3 3 一0 4S o f t S E R C A N S 技术及其在数控系统中的应用梁宏斌，王永章(哈尔滨工业大学机械制造及自动化系，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 0 1)摘要：S E R C O S 接口是用于数控系统和数字式伺服驱动器之问通信的唯一国际标准
2、，目前已经在世界范围内得到广泛应用；而s o f t s E R C A N s 是S E R C O S 接口的软件进化。概述了S E R C O S 接口的产生背景、发展过程及应用特点；分析了s o f t S E R C A N S 的通讯机理和工作过程；阐明了S o f t S E R C A N S 的实时性，并结合自行开发的开放式全数字三轴数控铣床介绍了s o f t S E R c A N S 在数控领域的具体应用；最后，指出了s o f t S E R C A N s 技术的应用前景及对数控市场的重大影响。S o f t s E R C A N S 技术的应用，不仅提升数控技术
3、，还有可能改变数控系统的生产方式，进而改变数控系统的市场现状。关键词：数控；接口；实时性中图分类号：T P 2 7 3+5文献标识码：A0引言数控系统包括控制器和伺服传动系统，它们之间的信息交换能力直接影响数控系统的性能。从2 0 世纪7 0 年代起，控制器已由硬件电路控制提升为计算机数字控制(C o m p u t e rN u m e r i cC o n t r o l，C N C)。而近些年来，数字式伺服系统由于具有高速、高精度和无漂移等特点，发展非常迅速，已经在数控系统中得到广泛应用。目前，数字式控制器和数字式伺服系统之间传统的+一1 0 V 模拟接口已经成为制约数控系统发展的瓶颈
4、1 。为了解决这个问题，很多伺服系统和C N C 制造商都制定了自己的数字通信协议，但采用这些协议进行通信的系统是典型的封闭式系统，各厂家的产品不具备互换性，限制了它们更广泛的应用。直到出现S E R C O S 接口，这个瓶颈才真正地被打碎 z 3 。1S E R C O S 的演化及S o f t S E R C A N S 的特点1 1S E R C o S 的发展历史及其接口特点S E R C O S 是一种用于C N C 和数字伺服传动系统之间通信的数字接口和数据交换协议，能够实现工业控制计算机与数字伺服系统、传感器和可编程控制器I O 口之间的实时数据通信。1 9 9 0 年，德国
5、一些著名C N C 和伺服系统制造商与斯图加特大学等共同制定了S E R C O S 协议，该协议规定了C N C 和伺服系统间接口的传输介质、拓扑结构、报文格式、数据内容及数据交换协议等。1 9 9 5 年，S E R C O S 接口协议被确定为国际标准，它也是目前用于数字伺服和传动数据通讯的唯一国际标准。S E R C O S 接口具有以下应用特点 4 7 ：(1)环形拓扑结构使配线减少到最少，使用光缆使系统避免了电磁干扰并保证了同步高速数据交换率。(2)在标准化的运行环境下交换所有的数据、参数和指令。(3)使众多诊断数据的导入和伺服系统参数设定成为可能。(4)来自不同制造商的C N C
6、 和伺服系统能结收稿日期：2 0 0 3 1 0 3 0；修订日期：2 0 0 4 一0 3 一0 3。作者简介：梁宏斌(1 9 6 7 一)，男，辽宁鞍山人，哈尔滨工业大学机械制造及自动化系博士研究生，主要从事开放式数控系统、可重构制造系统和C I M S 等研究。E m a i l：l i a n g h b h i t e d u c n。万方数据计算机集成制造系统第1 0 卷合使用。1 2S o f t S E R C A N SS E R C O S 接口已成为数控系统的发展方向，这一趋势在工厂自动化领域越来越明显。但使用S E R C O S 接口需要一个非常复杂的初始化过程，妨碍
7、了S E R C O S 接口的应用。为了降低应用S E R C O S 接口的难度，1 9 9 5 年，R e x r o t hI n d r a m a t 公司开发了一种主动式的S E R C O S 主站卡，叫做S E R C A N S，它自动地初始化并管理S E R C O S 环，使S E R C O S 内部机制对于C N C 系统开发人员而言，如同一个“黑箱”。图1 为S E R C A N S 和C N C 之间的通信接口。它是一个双口R A M(D P R)，可以用函数来指定双口R A M 地址，C N C 可以依靠周期性的中断对双口R A M 进行读写操作。因为S E
8、 R C A N S 消除了初始化和管理控制环所需要的软件开发工作量，显著地降低了S E R C O S 应用的门槛。迄今为止，世界上已有7 0 多个数控系统生产商使用S E R C A N S，通过这些年的广泛应用，S E R C A N S 技术已经非常成熟。鸯=主童翌竖尘塑瞥厂!生-1 专用c N c 完成羹誓坠；兰驷：惑：C N C 和S E R C O Sl 竖Ig 竖竖|I 删II!。箜量!l 实时操作系统ln 磊五翮譬。斋黧导翕笔骗1。S 腻E R C A N 藏。琶冀婴回垂!躯亚l；：5 二叵 i 巫口回藿砸茴十_-舸：嬲搿能Q 堡匹雨矿蕊丽菘丌面习 堕巫垄型随着W i n d
9、 o w s 实时扩展技术的稳定性、性能和市场占有率的不断提高，R e x r o t hI n d r a m a t 决定将S E R C A N S 卡上的S E R C O S 主控功能转移到抽象的软件层面上，并选用V e n t u r C o m 公司的R T X 作为平台，这种新技术被称为S o f t S E R C A N S。S o f t S E R C A N S 是S E R C A N S 硬件功能的软件进化，它运行在一块从动式主站卡上。S o f t S E R C A N S 具有能被实时应用程序和W i n 3 2 程序调用的动态链接库(D y n a m i
10、 cL i n kL i b r a r y，D L L)，它与C N C 的接口纯粹是软件，并能自动地适应所选用的P C 机硬件，因此用户能够快速地运用S E R C O S 技术嘲。2S o f t S E R C A N S 工作原理2 1工作时序S o f t S E R c A N S 的作用是在数控系统和伺服传动系统之间传递信息，所有信息都必须以报文的形式在C N C 和伺服驱动器之间进行交换。它有三种不同的报文形式：(1)主站同步报文(M a s t e rS y n c h r o n i z a t i o nT e l e g r a m，M S T)作为同步用，由C N
11、C 在传输周期的开始发出。(2)主站数据报文(M a s t e rD a t aT e l e g r a m，M D T)作为指令值，由C N C 向伺服驱动器发送。(3)伺服传动报文(D r i v eT e l e g r a m，A T)作为反馈实际值，由伺服驱动器向C N C 发送。S o f t S E R C A N S 的工作时序如图2 所示。具体工作过程为：(1)由C N C 发出M S T。(2)各伺服驱动器通过A T 向光纤环上发送实际值。(3)在S 一0 0 0 0 6 时亥0，S o f t S E R C A N S 拷贝所有的A T 数据。(4)C N C 与内
12、部报文缓冲区(一块共享内存区)交换数据(读A T，写M D T)。(5)S o f t S E R C A N S 插卡与内部报文缓冲区交换数据(读M D T，写A T)。(6)S o f t S E R C A N S 向各伺服驱动器发出M D T。S o f t S E R C A N SS o f t S E R C A N SN C 访问内部访问内部报文S-0-0 0 0 61Y 一0 0 0 0 8、1Y-0 0 0 0 67。Y 一0-0 0 1 3Y-0-0 0 1 2Y 一0 0 0 0 4图2S o f t S E R C A N S 工作时序从图3 可以看到，C N C 只
13、对共享内存区进行操作，也就是说，C N C 软件开发人员只需掌握S o f t c N CI 围I 内燃区嚣舢图3 内部报文缓冲区图示 万方数据第1 1 期梁宏斌等：S o f t S E R C A N S 技术及其在数控系统中的应用S E R C A N S 的参数，而不需了解S o f t S E R C A N S 卡的具体结构及硬件地址。2 2 通讯阶段系统只有在完成S o f t S E R C A N S 初始化过程后，才能传输实时数据。整个过程分为五个阶段：(1)通讯阶段0S o f t S E R C A N S 检查光纤环是否闭合。如果光纤环是闭合的，S o f t S E
14、 R C A N S 进入通讯阶段1。(2)通讯阶段1检查光纤环上的所有伺服驱动器，并将其地址保存在系统参数中。(3)通讯阶段2自通讯阶段2 起，C N C 能读写所有的伺服驱动器参数。在本阶段，S o f t S E R C A N S完成以下工作：通过C N C 或用户接口给定操作模式(位置控制、速度控制、扭矩控制等)；从伺服驱动器中读出计算时间片所需的所有数据；检查命令值配置表和实际值配置表；计算A T 和M D T的报文发送时间；将计算后的通讯参数发送到伺服驱动器；将报文结构参数发送到伺服驱动器；过渡检查命令S 一0 0 1 2 7 在所有伺服驱动器中被执行。如果检查通过，则进入通讯阶
15、段3。(4)通讯阶段3S o f t S E R C A N S 通过服务通道或用户接口传递参数，参数传递完毕后，过渡检查命令S 一0 0 1 2 8 在所有伺服驱动器中被执行。如果检查通过，则进入通讯阶段4。(5)通讯阶段4 这是正常的工作状态，实时数据(周期性数据)交换只能在这个阶段进行。3S o f t S E R C A N S 的实时性数控系统是典型的实时控制系统，对C N C 的插补任务及伺服系统位控功能的实时性要求很高。目前，S o f t S E R C A N S 支持下列通讯周期时间：5 0 0“s，7 5 0“s，1m s，3 2m s。通讯速率为2M b s，4M b
16、s，8M b s 和1 6M b s 可选。S E R C O S 技术工作组提供了如下数据 9 ：周期时间5 0 0 肚s，通讯速率1 6M b s，每个驱动器数据(M D T 和A T)3 2B，驱动器数量1 4，M S T 时间4扯s，M D T 时间1 5 5 x s，A T 时间1 4 1 4 1 9 6 肛s；抖动延迟时间1 6 2 3 2“s。在一个5 0 0 灶s 的通讯周期中，报文传送时间为3 5 5 肛s，预留保险时间为3 2 肛s，则空闲时间为1 1 3“s，S o f t S E R C A N S 工作负荷为7 1。这意味着采用S o f t S E R C A N
17、S 数控系统，当S E R C O S 通讯周期为5 0 0“s 时，控制的运动轴数量可多达1 4 个。一般情况下，C N C 的插补周期、伺服系统的采样周期和S o f t S E R C A N S 的通讯周期是相等的。也就是说，采用S o f t S E R C A N S 数控系统的插补周期可以小至5 0 0 肚s，即插补频率为20 0 0H z。在一个插补周期内，用于计算各运动轴位移增量的速度值是恒定的，因此C N C 在一个插补周期内的运动轨迹是一微小直线段。在进给速度不变的情况下，插补周期越小，这一微小直线段就越短，数控系统的精度也就越高。这意味着插补周期是影响数控系统控制精度和
18、切削速度的关键因素。它们之间的关系为：f=1 0 0 0 F6 0 4 d(2 p 一艿)一。式中，为插补频率，F 为切削速度，J D 为插补点处被插补曲线的曲率半径，占为插补误差。因为占I D，所以在插补周期为5 0 0 弘s 的数控系统上，以F _-3 0m m i n 的进给速度(满足高速加工要求的进给速度)加工小曲率半径(1 0 1 5m m)轮廓时，轮廓插补误差艿=鬻一煮畿_ 0 0 0 0 5 2mml82 0 0 01 5”1 8 严I D2 另外，S E R C O S 伺服驱动器通常都提供微插补(m i c r o i n t e r p o l a t i o n)功能，以
19、平滑插补结果。例如，K o l l m o r g e n 公司的伺服驱动器利用相邻的两个采样点的位置和速度值形成四个约束条件，构造出三次多项式曲线(对应插补周期中的直线段)，从而进一步减小加工轮廓误差。综上所述，S o f t S E R C A N S 具有很好的实时性能，不仅适用于常规的多轴数控系统，同时也能满足高速加工系统的实时性要求。4 应用实例图4 为利用S o f t S E R C A N S 技术自行开发的三轴全数字式铣削数控系统。系统的硬件包括P C 机、被动式S E R C A N S 插卡及R e x r o t hI n d r a m a t 公司的E C O D
20、R I V E 0 3 数字式伺服系统。系统软件是W i n d o w s2 0 0 0 操作系统和V e n-t u r C o m 公司的R T X 5 1 软件w i n d o w s 的实时扩展软件。C N C 软件是用V i s u a lC+6 0 开发的。除完成程序输入、译码、刀具补偿及插补功能外，还利用S o f t S E R C A N S 提供的D L L 函数实现C N C 和 万方数据计算机集成制造系统第1 0 卷图4 基于S o f t S E R C A N S 的三轴全数字式数控铣床控制原理图E C O D R I V E 0 3 的实时数据(指令值和反馈值
21、)交换。应用S o f t S E R C A N S 传输命令值和反馈值的程序流程如图5 所示。启动S o f t S E R C A N Sl 进行s。f t s E R c A N s 的初始化s。f t S E R C A N S l n i t o b j e c tOl查询s。f t s E R c A N s 状态s。f t S E R C A N S _ S t a t e0磊：蔫N。迥竺!兰兰少Y e s转到通讯阶段2 设置系统参数：1 设定操作模式2 进行M D T，A T 报文配置报警3 其他参数设定终止程序转到通讯阶段4 进行周期性数据传输打开M D T，A T 报文通
22、道t、按照预设的插补周期(通过定时中断信号)周期性地交换命令值和反馈值S y n s _ C y c l e _ D a t a0，。嗡鑫N 芗关闭M D T，A T 报文通道终止S o f t S E R C A N S 的实时应用程序T e r m i n a t e _ S o f t S E R C A N S0释放内存空间S o f t S E R C A N S U n i n i t O b j e c t0图5 应用S o f t S E R C A N 8 传输命令值和反馈值的程序框图5结束语S o f t S E R C A N S 实现了软件和硬件的彻底分离，使S E R
23、 C O S 的内部机制对C N C 开发人员透明，因此，利用S o f t S E R C A N S 可以开发出模块化的、开放式的C N C 软件模块。随着这些软件模块进入市场，C N C 开发人员就可以选用这些带有基本功能的标准模块，只需开发那些依靠生产经验和技术技能的应用程序。可以预期，将来C N C 控制器的开发工作量将明显减少，从而极大地降低数控系统市场的入口门槛。目前的数控系统市场不能提供足够的专用数控系统，原因是只有几家大公司主导这个市场，利润最大化的要求使其只开发销量最大的软件，因此很多用户的特殊要求得不到满足。采用S o f t S E R C A N S等技术的新的底层结
24、构，使那些具有专业领域经验的小公司可以在一个通用的控制器平台上开发专用数控软件，这些小公司专注于特定的应用领域，可以满足一些特殊的需要。S o f t S E R C A N S 的应用不仅是数控技术的提升，还有可能改变数控系统的生产方式，从而改变数控系统的市场现状。参考文献：I-1 E L L I SG C o m p a r i s o no fd r i v ea n dc o n t r o l l e ra r c h i t e c t u r e：S E R C O Sa n da n a l o g I-A 3 P C I Mc o n f e r e n c e c N u
25、r e m b e r g，G e r m a n y：P C I M E u r o p e，1 9 9 8 2 B E R A R D I N I SLA S E R C O Sl i g h t st h ew a yf o rd i g i t a ld r i v e sr J M a c h i n eD e s i g nI n t e r n a t i o n a l，1 9 9 4，6 6(1 6)：5 2 6 4 3 H I B B A R DS T h eS E R C O Si n t e r f a c es t a n d a r d J G e a rT e c
26、 h n o l o g y，1 9 9 6，1 3(1)：2 9 3 2(下转第1 4 5 3 页)万方数据第1 1 期谭文安等：面向烟草的行业C I M S 体系结构研究1 4 5 3R e s e a r c ho na r c h i t e c t u r eo fC I M Sf o rt o b a c c oi n d u s t r yT A NW e n n n l，X U EJ i n s o n 9 2，W A N GJ i n-l i a n 9 3(1 I n s t o fS o f t w a r eE n g，C o l l o fC o m p u t e
27、rS c i e n c e，Z h e j i a n gN o r m a lU n i v，J i n h u a3 2 1 0 0 4，C h i n a；2 S h e n y a n gI n s t o fA u t o m a t i o n，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s，S h e n g y a n g1 1 0 0 1 6，C h i n a；3 I n f o C e n t，S t a t eT o b a c c oM o n o p o l yA d m i n i s t r a t i o n，B e
28、 i j i n g1 0 0 0 8 0，C h i n a)A b s t r a c t：T h ec o n c e p to fc o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e mi nt o b a c c oi n d u s t r y，t h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o ns i t u a t i o nw a sa n a l y z e da n dt h ei n t e g r a t e dp a t t e
29、r n sw e r ep r e s e n t e d R e s e a r c h e so nC I M Si n t e g r a t i o na n di t ss u p p o r t i n gs o f t w a r e&h a r d w a r ew e r ec o n d u c t e d I te m p h a s i z e dt h a te n t e r p r i s ea p p l i c a t i o ns y s t e mc o n s t r u c t i o nm o d es h o u l db ec h a n g e
30、 df r o mt r a d i t i o n a l“p o i n t l i n e”t o“p o i n t l i n e p l a n e”T h r o u g hi n t e g r a t i o na n di n d u s t r i a li n f o r m a t i o ns y s t e mc o n s t r u c t i o ns h o u l db es t y l e do nt h em o d eo f”p o i n tl i n e p l a n e-b o d y”，a m o n gC I M Si nt o b a
31、 c c oi n d u s t r y，m o d e r nt o b a c c os a l e ss y s t e ma n do p e r a t i o ns u p e r v i s i o ns y s t e mi nt o b a c c oi n d u s t r yt oc o n s t r u c to v e r a l lC I M Sf r a m e w o r ki nt o b a c c oi n d u s t r y I ti sb e n e f i c i a lf o ri m p r o v i n gt o t a lc o
32、m p e t e n c eo ft o b a c c oi n d u s t r ya n dm o r ec o h e s i o nw i t h i ni n d u s t r yb yi n t e g r a t e dm a n a g e m e n ti nt h ec i g a r e t t e sf a c t o r i e s，b u s i n e s sc o r p sa n dt o b a c c oi n d u s t r i a lm a n a g e m e n td e p a r t m e n t s K e yw o r d
33、s：a r c h i t e c t u r e；i n t e g r a t e dp a t t e r n；t o b a c c oi n d u s t r y；c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e mR e c e i v e d1 3N o v 2 0 0 3；a c c e p t e d0 2A p r 2 0 0 4 F o u n d a t i o ni t e m：P r o j e c ts u p p o r t e db yt h eN a t
34、 i o n a lH i g h T e c h R&DP r o g r a mf o rC I M S，C h i n a(N o 2 0 0 1 A A 4 1 1 1 6 0)越E 矗破基d h S 点破毫破曼 E 心曼砖要砖E 砖h 蛊当d 孽越越越蔓砖h 矗E 矗芒毫厶d 砖e 础E 心E s 芒矗E 矗易d 芒矗E 矗h 蛊“S 曼砖“昱曼砖量砖蔓砖曼砖曼毫E 昱h S 刍d E 越昱E 昱E 越蔓破曼(上接第1 4 3 6 页)-4 3D a nD A q u i l a M o t i o n d i g i t a lf u t u r e -J 1 M o t i o
35、nC o n t r o l，2 0 0 1，(6)：2 0 2 4 5 3R A D L E YC O nt h er i g h tb u s?J M o t i nS y s t e mD e s i g n，2 0 0 1，(9)：3 l 一3 7 6 3P A R K E RJw，P E R R Y M A NR C o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o rb r u s h l e s sm o t o rd r i v es y s t e m A S i x t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r
36、 e n c eo f fE l e c t r i c a lM a e h i n e sa n dD r i v e sC o n f R e c C O x-f o r d，U K：I E E E，1 9 9 3 6 4 1 6 4 6 7 B A S S IE，B E N Z IF，L U S E T T IL，e ta 1 C o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sf o re l e c t r i c a ld r i v e s A I E E EI E C O NC o n f e r e n c eR e c e a r c h
37、C O r l a n d o，F L，U s A：I E E E，1 9 9 5 7 0 6 7 1 1 8 A N D OM T h r i v i n gi nt h ea g eo fI T J M o t i o nC o n t r o l，2 0 0 0，2 8(4)：2 0 一2 3 F 9 lK Y N A S TR S E R C O Si n t e r f a c et e c h n i c a lo v e r v i e w E B o L h t t p：ff w w W s e r c o s o r g p d f P r a e s S E R C O S
38、 o v e r v i e w 2 p d f，2 0 0 3 1 0 3 1 S o f t s E R C A N St e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o nt oC N Cs y s t e mL I A N GH o n g-b i n，W A N GY o n g z h a n g(D e p o fM e c h a n i c a lE n g&A u t o m a t i o r l，H a r b i nI n s t o fT e c h，H a r b i n1 5 0 0 0 1，C h i n a)A
39、b s t r a c t：T h eS e r i a lR e a l 一t i m eC o m m u n i c a t i o n sS t a n d a r d(S E R C O S)i n t e r f a c ep r o t o c o li st h eu n i q u ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r da p p l i e dt on u m e r i c a lc o n t r o l sa n dd r i v e r s，a n di th a sb e e nw i d e l yu s e dw o
40、 r l d w i d e S o f t S E R C S A N Si sat y p eo fS E R C O Si n t e r f a c ee v o l u t i o n，w h i c ha b s t r a c t st h ei n t e r f a c ea tt h es o f t w a r e1 e v e 1 A no v e r v i e wo fb a c k g r o u n d，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fS
41、 E R C O Sc o m m u n i c a t i o ni n t e r r a c ep r o t o c o lw e r ep r o v i d e d W o r k i n gp r i n c i p l e sa n dc o m m u n i c a t i o np h a s e so ft h eS o f t S E R C A N Sw e r ea n a l y z e d I m p l e m e n t a t i o no fan u m e r i c a lc o n t r o l l e do p e na r c h i t
42、 e c t u r eC N Cs y s t e mf o rat h r e e a x i sm i l l i n gm a c h i n eb a s e do nt h eS o f t S E R C A N Sw a sd i s c u s s e d A n dt h eo u t l o o kf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h eS o f t S E R C A N Sa n dt h ei m p a c to ft h i sa p p l i c a t i o no nC N Cm a r k e tw e r ed
43、 e s c r i b e d A p p l i c a t i o no fS o f t S E R C A N Sw i l ln o to n l yi m p r o v en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g i e sb u ta l s oc h a n g ep r o d u c t i o nm o d e so fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m s，w h i c hw i l ld i r e c t l y1 e a dt om a r k e tc h a n g ei nt h i sa r e a K e yw o r d s：C N C；i n t e r f a c e；r e a l t i m eR e c e i v e d3 0O c t 2 0 0 3；a c c e p t e d0 3M a r 2 0 0 4 万方数据