一種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)專用現(xiàn)場(chǎng)總線

吳 超 江世琳 高 巖 李 俊 王聲文

(大連光洋科技工程有限公司，遼寧大連 116600)

數(shù)字伺服裝置的出現(xiàn)是運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。采用數(shù)字伺服裝置，使所有指令值和實(shí)際值都能在一個(gè)微控制器內(nèi)完成。不但能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的扭矩環(huán)和速度環(huán)控制，而且能在極短時(shí)間內(nèi)完成精插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)位置環(huán)控制。與傳統(tǒng)的模擬伺服裝置相比，采用數(shù)字伺服裝置能獲得更高的加工速度和加工精度，且控制硬件簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本都大大降低。

伴隨著數(shù)字伺服裝置的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制單元與數(shù)字伺服裝置/PLC IO點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信成為一個(gè)關(guān)鍵問題。必須為運(yùn)動(dòng)控制單元和數(shù)字伺服裝置配置合適的數(shù)字接口，從而保證遵循此標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出的相關(guān)設(shè)備具有良好的互換性。

本文基于這種理念，設(shè)計(jì)了一種運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備專用通信協(xié)議，其設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸線的組成、信號(hào)編碼格式、報(bào)文結(jié)構(gòu)、工作時(shí)序、接口初始化、周期數(shù)據(jù)的配置和傳輸、伺服運(yùn)行模式的設(shè)置以及故障診斷和處理。

通過對(duì)本協(xié)議內(nèi)容的解析和應(yīng)用，可以建立起一套基于該協(xié)議的完善的運(yùn)動(dòng)控制體系。

1 協(xié)議設(shè)計(jì)原理

從簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)角度出發(fā)，本協(xié)議從物理層和數(shù)據(jù)鏈路層2個(gè)方面進(jìn)行定義，主要內(nèi)容包括:拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸線的組成、信號(hào)編碼格式、報(bào)文結(jié)構(gòu)、工作時(shí)序、非周期性數(shù)據(jù)傳輸、接口初始化、周期數(shù)據(jù)的配置和傳輸、伺服裝置運(yùn)行模式的設(shè)置以及故障診斷和處理等。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，本協(xié)議使用環(huán)路結(jié)構(gòu)作為最基本的拓?fù)?，環(huán)路由協(xié)議設(shè)備和傳輸線組成，每個(gè)環(huán)路只有1臺(tái)主設(shè)備，其余都為從設(shè)備。各設(shè)備之間的物理層不做特殊定義，可采用以太網(wǎng)、光線，1394、USB通路介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)暫時(shí)擬定采用以太網(wǎng)物理層實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)在傳輸線上單向流動(dòng)。

圖1給出主設(shè)備(PC主機(jī)和PCI協(xié)議轉(zhuǎn)換卡)和從設(shè)備(全數(shù)字總線式伺服控制器)的連接形式。1臺(tái)主設(shè)備可以帶多臺(tái)從設(shè)備，目前設(shè)計(jì)最大可連入環(huán)路的從設(shè)備為24臺(tái)，并留有可擴(kuò)展余地。

注意，雖然各臺(tái)從設(shè)備之間是通過5類雙絞線互聯(lián)的，但是各臺(tái)從設(shè)備之間不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從設(shè)備只能接收主設(shè)備的命令和數(shù)據(jù)以及根據(jù)相應(yīng)命令作出相應(yīng)的反應(yīng)并返回?cái)?shù)據(jù)。各臺(tái)從設(shè)備的地址，按照鏈路上的連接順序依次由低到高排列。

3 物理層

物理層位于通信系統(tǒng)的最低層，是整個(gè)通訊的基礎(chǔ)，為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊提供傳輸媒介(電纜、光纖等)及互聯(lián)設(shè)備(插頭、插座等)，為數(shù)據(jù)傳輸提供通路，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸及相關(guān)的管理工作。

采用以太網(wǎng)物理層鏈路的傳輸媒質(zhì)定義如圖2所示。正向發(fā)送端的以太網(wǎng)物理層芯片，接收到上位控制芯片發(fā)送過來的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。正向數(shù)據(jù)和反向數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送，在從設(shè)備沒有出現(xiàn)故障的情況下，只使用正向數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)遇到斷線或者其他從設(shè)備不能通信的故障時(shí)，反向數(shù)據(jù)起到回傳數(shù)據(jù)，形成閉環(huán)作用，以供處理故障使用。

4 信號(hào)編碼格式

與所采用的物理層傳輸介質(zhì)和協(xié)議有關(guān)，目前支持以太網(wǎng)物理層、1394物理層、USB物理層。采用以太網(wǎng)物理層為例:在物理層完成4B－5B碼制轉(zhuǎn)換，5類雙絞線上實(shí)現(xiàn)差分曼徹斯特編碼傳輸。

5 報(bào)文基本結(jié)構(gòu)

在本協(xié)議中，所有的數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)電報(bào)的形式進(jìn)行傳輸，本章將詳細(xì)介紹。

5.1 循環(huán)時(shí)序結(jié)構(gòu)

由圖3可以看出1個(gè)循環(huán)由2次有間隔的數(shù)據(jù)發(fā)送組成:962字節(jié)的數(shù)據(jù)幀和8字節(jié)的快速字節(jié)幀。其中，962字節(jié)的數(shù)據(jù)幀功能:主設(shè)備命令，主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備的命令，從設(shè)備返回的數(shù)據(jù);8字節(jié)快速字節(jié)幀的功能:主設(shè)備發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)的同步使能。

結(jié)構(gòu)描述:962字節(jié)數(shù)據(jù)幀以16進(jìn)制AA、BB作為起始字節(jié)，之后跟隨24臺(tái)從設(shè)備的命令和數(shù)據(jù)幀，每臺(tái)設(shè)備分配40個(gè)字節(jié)空間。即，962=2+40×24。

5.2 從設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如圖4所示，從設(shè)備數(shù)據(jù)共分配40字節(jié)空間，其中前16字節(jié)是來自主設(shè)備的寫入數(shù)據(jù)，后24字節(jié)是返回到主設(shè)備的數(shù)據(jù)。寫入數(shù)據(jù)部分?jǐn)?shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖5所示，讀出部分?jǐn)?shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)如圖6所示。

6 接口初始化和從設(shè)備配置

上電后所有從設(shè)備的基地址都將置為F8H。

為了避免地址沖突，所有從設(shè)備以環(huán)形形式連接，也就是說配置前上位機(jī)只能訪問第一臺(tái)從設(shè)備。

配置的第一步是識(shí)別從設(shè)備，上位機(jī)訪問第一臺(tái)從設(shè)備，若上位機(jī)讀取了正確的ID碼。然后上位機(jī)給該從設(shè)備重新分配基地址。配置后該從設(shè)備釋放IDOUT信號(hào)，在上個(gè)基地址基礎(chǔ)上為下1臺(tái)從設(shè)備開始配置。

7 工作時(shí)序

圖3所示為1個(gè)循環(huán)的時(shí)序結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)幀的接收開始的頭字節(jié)為16進(jìn)制數(shù)據(jù) AA和BB，然后是第零臺(tái)設(shè)備的第零個(gè)字節(jié)。以第2臺(tái)設(shè)備(物理地址是02)為例，在這臺(tái)設(shè)備將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到01個(gè)網(wǎng)口供下一級(jí)，當(dāng)計(jì)數(shù)到2×40+2=82(52 HEX)時(shí)，開始接收(復(fù)制，但是同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā))數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)到82+24=106(6A HEX)時(shí)，停止接收，開始向數(shù)據(jù)流填充數(shù)據(jù)。計(jì)數(shù)到106+24=138時(shí)，填充結(jié)束，恢復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)流結(jié)束。

然后主設(shè)備發(fā)送1個(gè)8字節(jié)的快速字節(jié)幀，從設(shè)備收到這個(gè)字節(jié)幀中對(duì)應(yīng)于自己位置的命令數(shù)據(jù)，鎖定數(shù)據(jù)幀傳過來的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)操作。

8 故障診斷和處理

協(xié)議定義了專門的數(shù)據(jù)位對(duì)系統(tǒng)電源電壓異常、編碼器斷線、鏈路斷路、通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、伺服裝置報(bào)警和PLC報(bào)警等都有相應(yīng)的檢測(cè)和處理。

9 結(jié)語

本協(xié)議詳細(xì)實(shí)現(xiàn)了一種用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，具有實(shí)時(shí)、可靠、成本低以及結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)，可有效應(yīng)用于各種數(shù)控系統(tǒng)、柔性生產(chǎn)線。

［1］魏慶福.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)以太網(wǎng)綜述［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2002(1):1－5.

［2］謝經(jīng)明，陳幼平，周祖德，等.SERCOS總線協(xié)議及其在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用［J］.機(jī)電一體化技術(shù)推廣應(yīng)用，2001(5):3－5.

［3］陽憲惠.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.

［4］SERCOS inter face Descr iption［Z］.IEC61491 and EN61491，2000.

［5］郇極，尹旭峰.基于數(shù)字伺服現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開放式數(shù)控系統(tǒng)［J］.中國機(jī)械工程，1999(10):1132－1134.

［6］康存鋒，費(fèi)仁元，陳衛(wèi)福.開放式數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)及SERCOS接口技術(shù)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2003(1):60－63.