全數(shù)字式數(shù)控總線應(yīng)用層通用化設(shè)計(jì)

0 引言

　　現(xiàn)場(chǎng)總線以其高速、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用，迅速發(fā)展成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的迅速發(fā)展，引起了數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變，數(shù)控系統(tǒng)已從簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)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(jí)平臺(tái)，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)已進(jìn)入成熟階段。同時(shí)，隨著全數(shù)字伺服技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字接口替代了傳統(tǒng)模擬接口。開發(fā)基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及全數(shù)字伺服技術(shù)的全數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)是目前國(guó)際高檔數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。然而。國(guó)際上存在多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于2007年公布的IEC61158第4版包含了20種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其中l(wèi)O種是工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。未列入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議更多。這些現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議以及采用這些協(xié)議生產(chǎn)的產(chǎn)品互不兼容，因而用戶的選擇及產(chǎn)品的更新都受到了限制。

　　為實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式數(shù)控系統(tǒng)能夠兼容多種現(xiàn)場(chǎng)總線，達(dá)到屏蔽現(xiàn)場(chǎng)總線差異的目的，本文在參考現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議模型的基礎(chǔ)上，建立了數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)一的應(yīng)用層架構(gòu)，分析了多種現(xiàn)場(chǎng)總線集成環(huán)境下能夠兼容各種總線的技術(shù)需求，并對(duì)關(guān)鍵性技術(shù)提出了解決方案。文中詳細(xì)介紹了數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型、統(tǒng)一的應(yīng)用層架構(gòu)和關(guān)鍵性技術(shù)及其解決方案。

1 數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型

　　現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議模型如圖1所示。一般包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。它是在ISO／OSI開放系統(tǒng)互連7層參考模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，省去了第3~6層，使得數(shù)據(jù)的傳輸效率更高。

圖1現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議模型

　　本數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型采用協(xié)議棧思想，在現(xiàn)有底層的基礎(chǔ)上，對(duì)各總線協(xié)議進(jìn)行了面向應(yīng)用的擴(kuò)展。協(xié)議棧內(nèi)存放著各種總線，通過向上層提供統(tǒng)一的服務(wù)接口，屏蔽各種總線的差異。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全在主站上依靠軟件來實(shí)現(xiàn)，從站不需做任何改變。同時(shí)參考現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議模型。以ISO／OSI開放系統(tǒng)互連參考模型為基礎(chǔ)，并對(duì)其加以改造，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層組成。如圖2所示。

圖2數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型

　　物理層：定義接口和通信媒體的機(jī)械和電氣規(guī)范。本模型中保持各總線的物理層不變。數(shù)據(jù)鏈路層：為應(yīng)用層提供周期、實(shí)時(shí)、無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路。本模型中保持各總線的鏈路層不變。數(shù)據(jù)鏈路層中并列存放著各種總線的鏈路層，如MECHATROLINK III(M3)鏈路層、EtherCAT鏈路層、NCSF鏈路層等。

　　應(yīng)用層：為屏蔽各總線的差異。向用戶提供統(tǒng)一的服務(wù)接口。模型中將應(yīng)用層劃分為應(yīng)用接口子層和協(xié)議接口子層。應(yīng)用接口子層維護(hù)站點(diǎn)之間的安全。可靠的傳輸通路，并向用戶程序提供統(tǒng)一的傳

　　輸服務(wù)、設(shè)備服務(wù)、總線管理服務(wù)。協(xié)議接口子層屏蔽各總線差異，通過服務(wù)協(xié)議映射機(jī)制將應(yīng)用接口子層的服務(wù)及協(xié)議映射成具體總線的服務(wù)及協(xié)議，并根據(jù)不同的總線類型選擇對(duì)應(yīng)的鏈路，實(shí)現(xiàn)用戶程序與數(shù)據(jù)鏈路層之間的數(shù)據(jù)交互。

2 應(yīng)用層通用化設(shè)計(jì)

　　2.1 統(tǒng)一應(yīng)用層架構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　在數(shù)控總線結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)一的應(yīng)用層架構(gòu)，如圖3所示。

圖3統(tǒng)一應(yīng)用層架構(gòu)

　　(1)應(yīng)用接口子層：為數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的服務(wù)，包括傳輸服務(wù)、設(shè)備服務(wù)、總線管理服務(wù)等。傳輸服務(wù)包括連接服務(wù)、同步傳輸服務(wù)、異步傳輸服務(wù)和傳輸管理服務(wù)。傳輸管理服務(wù)對(duì)應(yīng)用層的傳輸狀態(tài)進(jìn)行管理，包括初始化、同步異步轉(zhuǎn)換、狀態(tài)查詢及安全等服務(wù)。根據(jù)設(shè)備裝置的不同，設(shè)備服務(wù)包括伺服驅(qū)動(dòng)服務(wù)、主軸服務(wù)、I／O服務(wù)、傳感器服務(wù)等?？偩€管理服務(wù)包括總線配置服務(wù)、總線查詢服務(wù)等。這些服務(wù)通過服務(wù)解釋器及服務(wù)映射管理機(jī)制映射到具體總線的應(yīng)用層服務(wù)。該層還為各總線提供了統(tǒng)一的單位系、統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)格式、統(tǒng)一的總線配置結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一的狀態(tài)機(jī)、統(tǒng)一的基本數(shù)據(jù)類型及對(duì)象字典。