引言

　　目前開放化是數(shù)控系統(tǒng)的研究熱點。開放式的技術基礎就是系統(tǒng)的模塊化，然而這種模塊化的設計在實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)的整體結構變得復雜，造成在信息交互密集的情況下，系統(tǒng)的實時性得不到有效的保證。另外，隨著工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境和控制對象本身的日益龐雜，數(shù)控系統(tǒng)已從簡單的運動軌跡控制器轉(zhuǎn)變成貫穿數(shù)字化制造全過程的系統(tǒng)級平臺。數(shù)控設備在實現(xiàn)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(tài)監(jiān)測也成為數(shù)控研究的一個重要方向。

　　與此同時，以PROFIBUS為代表的現(xiàn)場總線技術已經(jīng)進入相對成熟的階段�，F(xiàn)場總線能夠與上層的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)和英特網(wǎng)(Internet)相連，為實現(xiàn)自動化企業(yè)一直追求的基于控制一監(jiān)控一管理一體化的綜合自動化提供解決方案。隨著數(shù)控系統(tǒng)模塊化的趨勢，數(shù)控系統(tǒng)的很多功能單元已經(jīng)擁有了單獨的控制器和運算器，具有了獨立的數(shù)據(jù)指令處理體系，迫切需要以一種全新的優(yōu)化方式和拓撲結構融入到數(shù)控系統(tǒng)的功能框架中。而現(xiàn)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(jié)點現(xiàn)場設備�？梢哉f，將PROFIBUS為代表的總線技術應用到分布式數(shù)控系統(tǒng)的設計中，以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的開放性和狀態(tài)監(jiān)測是合適的，并且符合未來技術發(fā)展趨勢。因此，本文以總線技術為基礎，結合網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫技術設計一種開放式可監(jiān)測的數(shù)控系統(tǒng)。

1 數(shù)控系統(tǒng)框架

　　系統(tǒng)分為上、下2層網(wǎng)絡，分別為底層設備互聯(lián)網(wǎng)絡和遠程故障監(jiān)測診斷網(wǎng)絡。下層的設備互聯(lián)網(wǎng)絡由PROFIBUS總線和SERCOS總線將各組成單元有機地聯(lián)系起來。以基于PC架構的控制器為核心，實現(xiàn)數(shù)控加工的正�？刂坪同F(xiàn)場信號的采集、監(jiān)測與上傳。上層監(jiān)控網(wǎng)絡結合Internet技術和數(shù)據(jù)庫技術，采用3層C/S構架的信息交互模式。以數(shù)據(jù)庫為核心，將底層網(wǎng)絡上傳的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務器中，實現(xiàn)全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。上、下網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)通訊通過安裝在控制器上的監(jiān)控工作站實現(xiàn)。其結構如圖1所示。

2 底層設備互聯(lián)網(wǎng)絡的軟硬件體系架構

　　2.1 基于總線技術的底層設備互聯(lián)網(wǎng)絡的硬件平臺

　　底層網(wǎng)絡是由控制器、伺服驅(qū)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(wǎng)絡，使用SERCOS和Profibus-DP2種總線[5]o SERCOS總線采用光纖傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率高，適合于多軸聯(lián)動控制。Profibus-DP總線是一種高速連接總線，專為自動控制系統(tǒng)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(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸�；�于此，本系統(tǒng)中伺服驅(qū)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(shù)控系統(tǒng)連接。其結構框圖如圖2所示。

　　由圖2可見，相對于傳統(tǒng)的集中式數(shù)控系統(tǒng)結構，控制器的地位發(fā)生了變化，由原來的核心模塊變成了總線中的一個節(jié)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(tǒng)的控制主體，負責系統(tǒng)任務的發(fā)起和控制數(shù)據(jù)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(jié)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(tǒng)的主設備，負責數(shù)控加工任務的規(guī)劃、指令與數(shù)據(jù)的生成、計算和輸出，網(wǎng)絡系統(tǒng)的初始化、任務的發(fā)起、狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)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(xié)議卡，完成

　　PROFIBUS協(xié)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(nèi)部數(shù)字信號處理器( DSP)芯片實現(xiàn)Prof ibus-DP的協(xié)議，能準確、及時地實現(xiàn)主、從站的數(shù)據(jù)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(xiàn)SERCOS主卡和從卡的通信。

　　(2)HMI單元。該單元可完成數(shù)控加工數(shù)據(jù)的輸入，同時還可處理與用戶操作和監(jiān)控有關的系統(tǒng)功能，具備顯示、鍵盤處理、用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

　　(3)I/O智能模塊單元。該單元是數(shù)控系統(tǒng)和現(xiàn)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(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通訊能力，可獨立接收、執(zhí)行總線上的命令。

　　(4)數(shù)字伺服驅(qū)動器單元。這是數(shù)控系統(tǒng)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(qū)動器是系統(tǒng)的運動控制執(zhí)行器，是與電動機等執(zhí)行裝置和機械設備的接口，負責將控制器的任務和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成運動控制輸出，實現(xiàn)弱信號對強電流的控制。

　　(5)監(jiān)控診斷單元。它是數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)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(shù)據(jù)，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(lián)網(wǎng)絡中的模塊設備通過總線聯(lián)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(xié)議，按規(guī)定的格式交換信息，共同協(xié)調(diào)完成控制任務。這樣的設計使得系統(tǒng)的結構不僅在硬件上統(tǒng)一，而且在軟件接口上也有統(tǒng)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(tǒng)組成[bio  Windows 2000操作系統(tǒng)可提供良好的圖形用戶界面、豐富實用的Win32 API函數(shù)、高效易用的開發(fā)工具、大量可用的第三方設備驅(qū)動程序。RTX為Windows 2000系統(tǒng)作了實時擴展，解決了Windows 2000系統(tǒng)在支持可預測線程同步、優(yōu)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(shù)控系統(tǒng)實時性要求最高的插補運算和軟PLC等任務運行在RTX環(huán)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(tài)加載和卸載的RT.dll，該動態(tài)連接庫可幫助實現(xiàn)應用程序?qū)Φ讓佑布�的調(diào)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(jù)系統(tǒng)軟件平臺提供的API自定義功能組件以及總線協(xié)議轉(zhuǎn)換API。

　　應用程序由若干依據(jù)數(shù)控系統(tǒng)功能劃分出的軟件模塊構成。軟件模塊的開發(fā)采用組件技術。每個組件可單獨開發(fā)，單獨編譯，甚至單獨調(diào)試和測試。當所有組件開發(fā)完畢后，用戶可以在開發(fā)環(huán)境下把組件無縫集成形成數(shù)控系統(tǒng)。當用戶需求發(fā)生變化或系統(tǒng)的軟硬件環(huán)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(shù)控系統(tǒng)。

　　圖4為應用程序?qū)又羞\動控制單元配置過程。

3 基于設備故障診斷網(wǎng)的上層網(wǎng)絡

　　3.1 上層網(wǎng)絡的結構設計

　　如圖5所示，系統(tǒng)采用分層結構，即現(xiàn)場監(jiān)控層(Infranet)、局域網(wǎng)監(jiān)控診斷層( Intranet)和遠程監(jiān)控診斷(Internet)的3級C/S結構。

　　各層具體分工為:

　　(1)現(xiàn)場監(jiān)控層:了解和掌握機床的運行狀態(tài)，按照用戶設定的監(jiān)控策略有選擇地對機床的主軸驅(qū)動功率、扭矩、電壓、電流和主要工作部位的動態(tài)信號進行多參數(shù)在線監(jiān)測和分析。結合歷史數(shù)據(jù)對設備運行狀態(tài)進行評估，并進行顯示和記錄。當機床有輕微異常時發(fā)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(tài)或異常狀態(tài)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(jiān)測狀況，則把信息和數(shù)據(jù)傳送給上層網(wǎng)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(jiān)控工作站實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控層和上層網(wǎng)絡的連接。監(jiān)控工作站實際上是一套安裝在本地數(shù)控系統(tǒng)上的客戶端數(shù)據(jù)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(shù)，將待診斷數(shù)據(jù)和其之前、之后的2N個數(shù)據(jù)送入上層的監(jiān)控診斷網(wǎng)和遠程監(jiān)控網(wǎng)。

　　(2)監(jiān)控診斷管理層:負責整個系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。層中的每一個節(jié)點即為在線監(jiān)測與故障診斷網(wǎng)絡系統(tǒng)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(diào)度室等部門使用。監(jiān)控管理層可以與數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)場監(jiān)控層進行雙向聯(lián)系�？筛鶕�(jù)客戶需求進行相應組態(tài)設置。數(shù)據(jù)庫服務器設在本層，它的任務是根據(jù)具體情況建立實時數(shù)據(jù)庫，分配存儲空間，保存采集到的數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶的設置，有選擇地把實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)庫中，以供進一步的分析與診斷。數(shù)據(jù)庫層還可對數(shù)據(jù)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(jiān)控診斷層連接。遠程專家通過輸入賬號與密碼登錄數(shù)據(jù)庫服務器，讀取各種數(shù)據(jù)，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(xiàn)

　　 3.2.1 服務器端軟件實現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)庫服務器運行的控制軟件是上層網(wǎng)的控制中心，它提供監(jiān)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(fā)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(xiàn)

　　分布在監(jiān)控診斷管理層中的各級節(jié)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(tǒng)后，即可連上位于監(jiān)控診斷層的數(shù)據(jù)庫服務器獲得相應的數(shù)據(jù)文件，運行信號分析診斷軟件進行分析。數(shù)據(jù)庫服務器提供:時域(自相關、互相關等)、幅值域(參數(shù)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(tài)分析、線性回歸預測、BP神經(jīng)網(wǎng)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(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

　　服務器數(shù)據(jù)庫包含監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、原始數(shù)據(jù)庫、報表庫、故障庫等，其中監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中包括廠級數(shù)據(jù)庫、車間級數(shù)據(jù)庫、設備級數(shù)據(jù)庫、零件數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫包含了監(jiān)測設備所有的信息，為監(jiān)測層中不同級別的客戶提供數(shù)據(jù)支持。

　　如圖6所示，數(shù)據(jù)庫采用SQL2000，應用程序用VC+十編寫，直接調(diào)用ODBC API函數(shù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)管理模式。系統(tǒng)不僅增加了防火墻，還對數(shù)據(jù)庫進行了加密設置，外部程序訪問數(shù)據(jù)庫時需先通過密碼校驗。此外系統(tǒng)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(jiān)控數(shù)據(jù)系統(tǒng)，基于PC的控制器，既充分地利用了微軟操作系統(tǒng)的強大功能又通過引入RTX系統(tǒng)改善了桌面操作系統(tǒng)實時性不強的不足。組件技術的應用，使各種開發(fā)工具開發(fā)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(tǒng)�，F(xiàn)場總線的應用實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)底層單元的靈活配置。另外，本文將故障監(jiān)測和診斷技術與數(shù)控相結合，構建了層次化的可監(jiān)控體系，開發(fā)了原型機，在數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)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(wǎng)絡技術的開放式可監(jiān)控數(shù)控系統(tǒng)

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