目前开放化是数控系统的研究热点。开放式的技术基础就是系统的模块化，然而这种模块化的设计在实现数控系统增量式功能拓展的同时，往往因追求密集的软硬件设计而造成数控系统体积庞大，接口繁杂，功能重叠等负面效应。集中式模块化设计中模块间的模拟量及并行连线的方式，也使得数控系统的整体结构变得复杂，在造成信息交互密集的情况下，系统的实时性得不到有效保证。另外，随着工业现场环境和控制对象本身的日益庞杂，数控系统已从简单的运动轨迹控制器转变成贯穿数字化制造全过程的系统级平台。数控设备在实现高速、高精、高效的加工自动化的过程中，对加工过程实时可控的要求越来越高，因此状态监测也成为数控研究的一个重要方向。
与此同时，以Profibus为代表的现场总线技术已经进入相对成熟的阶段。现场总线是应用在生产现场并在微机化测量设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是一种多点通信的开放化数字式底层控制网络。并且现场总线还能够与上层的企业内部网和英特网相连，为实现自动化企业一直追求的基于控制一监控一管理一体化的综合自动化提供解决方案。随着数控系统模块化的趋势。数控系统的很多功能单元已经拥有了单独的控制器和运算器，具有了独立的数据指令处理体系，迫切需要以一种全新的优化方式和拓扑结构融人到数控系统的功能框架中。而现场总线应用的基础就是具备独立智能控制能力和通讯能力的节点现场设备。可以说，将Profibus为代表的总线技术应用到分布式数控系统的设计中，以实现数控系统的开放性和状态监测是合适的，并且符合未来技术发展的趋势。因此本文以总线技术为基础，结合网络技术、组件技术和数据库技术设计了一种开放式可监测的数控系统。
1 数控系统框架
系统分为上下两层网络，分别为底层设备互联网络和远程故障监测诊断网络。下层的设备互联网络由Profibus总线和SERCOS总线将各组成单元有机地联系起来。以基于PC架构的控制器为核心，实现数控加工的正常控制和现场信号的采集、监测与上传。上层监控网络结合英特网技术和数据库技术，采用三层C／S架构的信息交互模式。以数据库为核心，将底层网络上传的数据存储在数据库服务器中，实现全系统的数据共享。上下网络之间的数据通讯通过安装在控制器上的监控工作站实现。
2 底层设备互联网络的软硬件体系架构
2.1 基于总线技术的底层设备互联网络的硬件平台
底层网络是由控制器、伺服驱动单元、主轴单元、I／O逻辑控制单元、HMI单元、总线通信接口卡等以总线方式连接的网络。系统中伺服驱动单元和主轴单元采用SERCOS总线连接。I／O单元、HMI单元通过ProfibusDP总线与数控系统连接。
由图可见，相对于传统的集中式数控系统结构，控制器的地位发生了变化。由原来的核心模块变成了总线中的一个节点。尽管控制器仍然可以被设置为总线中的主设备并作为整个系统的控制主体，负责系统任务的发起和控制数据的生成。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。
2.1.1 系统采用的总线的特点及功能分析
现场设备层负责具体的生产及其任务协调，数据响应时间量级为毫秒级，故系统对连接分布式部件的现场总线有特殊的要求。下面分析SERCOS总线和Profibus-DP总线的各项指标是否符合数控系统的要求。
假设伺服控制算法、插补算法和自适应前馈补偿算法执行周期分别为T1、T2和T3，且3种算法执行的频率分别为f1、f2和f3，在此，f1<f2<f3若系统采用一个处理器来完成上述3种算法，则需满足条件件，式中m为总线上一次传输的总比特数。如果根据实际要求计算出来的f小于现场总线的传输速率，则表示总线能满足实际需求。下面分析SERCOS总线的特性。
MST报文的数据域只有1个字节。MDT报文的数据域和AT报文的数据域又分为同定部分和可配置部分。两者的固定部分都包含2字节的状态字和最多8字节的服务信息字；可配置部分最多可包含4个字节。通信周期内数据传送量ⅣScYc可表示为式中x、y分别为服务信息域、可配置域字节数。本系统中挂接4个进给驱动器，一个主轴驱动器。其中驱动器报文数据域共有6个字节，主控数据报文数据域有14个字节。故NscYc=91 x 8=728Bit。将728替换式(4)中的变量m，得f=808 080<2MBaud。
系统中Profibus总线上包含1个主站，2个I／O模块从站，1个HMI单元，1个监控单元从站，共有1个主站，4个从站，根据每个从站单元输入、输出的字节数，可计算出信息循环的总传输位数为1 074 Bit，代入式(4)，可得1 192 140<1.5 MBaud。
综上可得，在控制四轴联动且各功能模块实时性要求较高的情况下SERCOS和Profibus—DP总线能很好地满足系统要求，并且整个系统的实时性是由总线的宽度决定的，而不是由算法执行一次所需要的时间决定的。
2.1.2 各模块基本结构与功能
1)控制器
控制器是整个总线系统的主设备，负责数控加工任务的规划，指令与数据的生成、计算和输出，网络系统的初始化，任务的发起，状态查询和数据下载等工作。本文的控制器基于PC架构，透过总线接口卡与总线连接。实际中使用的是Profibus。DP主站接口卡和SERCOS通信板卡。Profibus—DP主站接口卡是一块智能DP协议卡，完成Profibus协议链路层和物理层的功能。该接口卡是从站和主站的连接桥梁，通过其内部数字信号处理器(DSP)芯片实现Profibus。DP的协议，能准确、及时地实现主从站的数据交互。SERCOS通信板卡由ISA接口电路、译码电路、SERCOS处理器和光纤编码接口组成，实现SERCOS主卡和从卡的通信。
2)HMI单元
该单元可完成数控加工数据的输入，同时还可处理与用户操作和监控有关的系统功能，具备显示、键盘处理、用户数据传输等功能。
3)I／O智能模块单元
该单元是数控系统和现场设备中各种离散量的接口。该单元具有专门的处理器，具备智能数据处理和数据通讯能力，可独立接收、执行总线上的命令。
4)数字伺服驱动器单元这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。驱动器是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。
5)监控诊断单元
它是数控系统状态监测、故障处理的独立模块。该模块与传感装置直接连接，可实时采集设备关键部位的工作数据，并能进行预处理和应急处理，能够在必要时与控制器建立信息交互。
底层设备互联网络中的模块设备通过总线联系在了一起，各模块不论挂接在哪个总线上，都遵循各自的总线通讯协议，按规定的格式交换信息，共同协调完成控制任务。这样的设计使得系统的结构不仅在硬件仁得到了统一化，而且在软件接口上也有了统一的开放形式。
2.2 控制器软件结构
控制器足底层网络的核心，是网络运行的大脑，本文中重点介绍控制器的软件设计。文中控制器的软件分为基础软件平台、应用平台、应用程序3个层次一。
基础软件平台由Venturcom公司的RTX(realtime extension)和微软公司的Windows 2 000操作系统组成。Windows 2000操作系统可提供良好的图形用户界面、丰富实用的Win32API函数、高效易用的开发工具和大量可用的第三方设备驱动程序。RTX为Windows 2000系统做了实时扩展，解决了Windows2000系统在支持可预测线程同步、优先级可继承、中断延迟和线程切换的可预见性等方面的不足。使用RTX后系统线程切换时间平均达到3.6us，定时器响应速度平均达到10.3us。数控系统实时性要求最高的插补运算和软PLC等任务，就运行在RTX环境下。实际应用时RTX为应用软件提供了与Win 32.dll功能类似的可动态加载和卸载的RT.dll，该动态连接库可帮助实现应用程序对底层硬件的调用。
应用平台由数控系统基本功能单元组件构成。包含加减速控制、插补、刀具补偿、译码等近20个模块。这些模块可在不同的条件下，编译组合实现不同的数控任务。
应用程序层根据数控任务划分为运动控制单元、逻辑控制单元、网络单元、交互单元和管理控制单元等5个单元。
(1)运动控制单元：接受数控程序文件形式的运动指令，或手动操作指令，以及逻辑控制子系统出发的运动控制，经过密化计算，生成运动型设备可以接受的微运动指令。
(2)逻辑控制单元：接受逻辑控制程序文件形式的逻辑，并根据此逻辑和其他子系统有关的状态，以及过程型设备的状态，对过程型设备进行操作控制。
(3)交互单元：接受各个子系统的信息显示请求，在系统显示机制的支持下，实现信息显示。
(4)管理控制单元：接受用户信息，派发任务消息；完成系统的配置、运行调度；完成文件管理、网络通信等服务性任务；加载第三方工具软件。
(5)网络单元：实现系统与外部网络的通讯。由于应用平台中的基本功能单元采用组件技术，使得每个组件可单独开发、单独编译，并可与其他组件一起进行编译连接。因此，利用基本功能单元的这种可配置性，用户就可以根据自己的系统需求来生产不同的任务模块。然后，把这些任务模块集成起来就得到所需要的应用程序，进而形成不同的数控系统。
2.3 控制器软件模型方法
数控软件与普通应用程序不同，它的计算模型逻辑上是串行的，但在实际卜却是宏观并行的。为了能详尽地描述参考模型的技术细节，采用了有限状态机的建模方法。
有限状态机是描述对象状态跃迁的模型方法。该模型包含3种基本元素。
(1)状态：对象保持相对稳定状态或持续相对单调行为的模式。
(2)处理过程：对象的行为，包括状态变化的过渡过程和系统特定状态下的持续行为。
(3)事件：引起对象状态变化的信息(包括其他对象的状态、发布的消息、标志位变化等)。
状态机可以实现主要状态问的跃迁过程并被周期型地激活。其激活方式有：周期性中断服务程序；进程、线程服务程序；单线程模型中循环执行程序体等。由于状态机模型从逻辑卜可以分层次嵌套，因此该模型可以描述行为更加复杂的对象。
3 基于设备故障诊断网的上层网络
3.1 现场监控层
了解和掌握机床的运行状态，按照用户设定的监控策略有选择地对机床的主轴驱动功率、扭矩、电压、电流和主要工作部位的动态信号进行多参数在线监测和分析。结合历史数据对设备运行状态进行评估，并进行显示和记录。当机床有轻微异常时发出报
警提示，以便运行人员及时进行处理；当处于严重异常状态或异常状态达到一定时间而操作人员仍然没有处理时，自动实行保护措施。对于复杂的以及需要作进一步处理的监测状况，则把信息和数据传送给上层网络，由上层功能强大的计算机进行处理。安装在本地控制器上的监控工作站实现现场监控层和上层网络的连接。监控工作站实际上是一套安装在本地数控系统上的客户端数据传输软件。该软件可按照用户要求采集机床指定位置卜-的传感器信号，按照设定好的阈值参数，将待诊断数据和其之前、之后的2N个数据送入上层的监控诊断网和远程监控网。
3.2 监控诊断管理层
负责整个系统的监控和管理。层中的每一个节点即为在线监测与故障诊断网络系统的一个客户。这些客户单元直接被厂长、总工程师等人员以及总调度室等部门使用。监控管理层可以与数据库、现场监控层进行双向联系。可根据客户需求进行相应组态设置。数据库服务器设在本层，它的任务是根据具体情况建立实时数据库，分配存储空间，保存采集到的数据。根据用户的设置，有选择地把实时数据库中的数据存入历史数据库中，以供进一步分析与诊断。数据库层还可对数据库进行定期处理与维护，如删除无用信息，定期备份等。还可生成时报、班报、日报、周报、月报和年报等运行报表。
3.3 远程诊断层
通过Internet与监控诊断层连接。远程专家通过输入账号与密码登录数据库服务器，读取各种数据，运行客户端诊断软件进行故障的分析与诊断。最后将诊断结果返回客户端。
文中设计的方案已成功应用于TDNC40A四轴加工中心，
4 结语
试验证明系统工作稳定可靠。基于PC的控制器，既充分地利用了微软操作系统的强大功能又通过引入RTX系统改善了桌面操作系统实时性不强的不足。组件技术的应用，使各种开发工具开发的组件和应用程序以及组件与组件之问可以进行互操作，能方便地建立可伸缩的应用系统。现场总线的应用实现了数控系统底层单元的灵活配置。此外，本文将故障监测和诊断技术与数控相结合，构建了层次化的可监控体系，开发了原型机，在数控系统网络化研究方面进行了一定探索。
(审核编辑: 智汇张瑜)
