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1、基于EtherCAT总线技术的PC数控系统的发展现状与前景何珊珊（测试计量技术及仪器，机电工程系，19920121152701）摘要目前国产数控装置与伺服驱动之间的接口仍然采用 “脉冲量或模拟量接口”标准，不能满足高速高精数控系统的通信要求，已经成为高档数控系统发展的主要瓶颈。而国外高档数控系统内部各模块之间的通信大都采用数字式现场总线，解决了通信瓶颈问题。但是这些现场总线多采用专用的硬件设备，技术保密，互不兼容，开发成本高。相对而言，以太网技术成熟、开放性好、兼容性强、成本低。基于EtherCAT总线技术更是具有很多不可替代的优势。因此将以太网技术引入数控系统，实现数控系统现场级实时通信与同
2、步是我国下一代高档数控系统的重要研究内容，论文围绕这个主题展开研究。Abstract The pulse or analog interface standard is still used in communication between CNC (Computer Numerical Control) equipment and servos in domestic CNC systems. The behindhand standard has become the bottleneck to the development of high capability CNC system b
3、ecause they cannot meet the requirement of high speed and high precision. To cope with the bottleneck, most of foreign companies use fieldbus for CNC communication among the inner modules. However, these fieldbuses use special hardware equipment, which made them incompatible and high costs. Comparat
4、ively, Ethernet technology is mature, low cost and good compatibility. Therefore, the fieldbus for CNC system based on Ethernet technology is one of most important researches for the next generation CNC system. Here, the topic of “Ethernet based CNC fieldbus system” is proposed, and the research is
5、outspread around this topic.关键字 数控系统 EtherCAT 总线技术 发展现状 1 引言随着微电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量技术的不断发展和迅速应用，在制造业中，数控技术和数控机床不断更新换代，正向着高速度、多功能、智能化、开放型以及高可靠性等方面迅速发展。数控机床的生产量和数控技术的应用已成为衡量一个国家工业化程度和技术水平的重要标志。为了同时保证加工的高速度和高精度，控制系统必须在第一时间掌握加工状况，并能在最短时间内将控制命令发送到伺服系统中。因此要求数控系统能在短时间内处理大量数据的能力，即，在加工过程中能准确及时的将加工信息向控制系统反馈，控
6、制系统迅速的做出反应，调整控制策略。这要求数控系统有高速的数据通讯系统。高速高精加工要求控制系统能实时得到现场设备的反馈信息，并及时的做出响应，才能在复杂加工环境下保证加工质量，这要求控制系统与现场设备的通讯具备高速、实时性能。由于加工现场存在不同的信号干扰，为避免传输干扰，保证控制、测量精度，控制系统与现场设备的通讯最好使用数字化的方式。后来控制、计算机、通信、电子、网络技术的发展，信息交流沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业到世界各地的市场。信息技术的飞快发展，导致了自动化系统结构的变革，而逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统
7、。在数控系统中，个人计算机技术与数控技术越来越紧密地结合，由此而产生的具有开放性的pc数控系统，正在取代传统形式的数控系统，并成为市场的主流产品。当前高速发展的装备制造技术，要求控制器必须满足高速高精高效化、柔性加工、工艺复合和多轴化和实时智能控制。数控系统本身也朝着开放化(open architecture)、智能化(intelligence)、平台化(standardized platform)、网络化(network)和CAD+CAM+CNC无缝整合方向发展。因此，传统数控系统控制接口(模拟式、脉冲式)方式，已不能满足高速、高精、多通道、复合化的要求，未来必然将被淘汰。根据国际数控系统技
8、术发展的趋势，下一代数控系统的控制接口应采用现场总线技术的控制接口。现场总线支持数据双向传输，线缆大大简化，具有传输速率高、传输距离远、抗干扰能力强和较高的实时性和高可靠性等特点，适合数控机床不断发展的高速、高精度的加工要求。计算机总线结构变革，必将影响数控系统的体系结构，串行总线的应用将极大地改变现有的传统数控系统的结构形式。2 基于总线技术的PC数控系统以及传统数控系统的比较2.1 基于总线技术的PC数控系统在计算机系统中，总线对整个系统的性能和功能都有直接影响，有关专家预测，串行总线将逐渐取代并行总线。传统数控系统和每台伺服单元相连都需要一根电缆线，系统连接比较复杂， 若改用高速串行总线
9、连接，仅需要一根光缆就可以连接8个伺服单元。大大简化了电气配线，整个系统连接非常简单，从而降低了成本和维修难度，提高了可靠性和灵活性。随着电子技术以及现场总线技术的发展，国外高性能数控系统越来越多的使用现场总线的方式实现控制系统与现场设备间的通讯，现场总线的技术特点如下：（1）“高速性”：现场总线的传输速度虽然没有其他高速网络（如以太网）快，但完全能应付工业上小数据量、高频率的数据传输。如CAN总线的传输速率达到1Mb/s，而Profibus的传输速率更是达到12Mb/s。（2）“数字化”:现场总线用数字化通信取代4-20mA模拟仪表，传统的自动化控制技术中现场设备与控制设备是通过一对一的方式
10、(一个I/O点对现场设备的一个测控点)连接，即所谓I/O接线方式，信号以4-20mA (传送模拟信号)或24VDC(传送开关量信号)传递。现场总线技术采用一条通信电缆连接控制设备和现场设备，使用数字化通信完成对现场设备的联络和控制。利用数字信号代替模拟信号，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了系统性能。（3）“底层智能控制站点”:通过控制功能的下移，实现彻底的分散控制。现场总线技术是计算机网络通信向现场级的延伸，因此它可以把DCS控制站的功能分散地分配给现场仪表，构成虚拟的控制站，这样就废弃了DCS的I/O单元和控制站。现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制或运算功能，通过微处理器能够
11、完成诸如PIS等算法和逻辑控制，实现一表多能，测量控制一体化。通过现场仪表和装置就可以构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了控制系统的可靠性、自治性和灵活性。（4）“互操作性”：现场总线由于功能分散在多台现场仪表中，并且可以统一组态，供用户灵活地选用各种功能模块，因此现场仪表或设备通过一对传输线互连就可实现不同厂商产品的交互操作和互换，将各厂商性能价格比最优的产品集成在一起，实现“即接即用”，即所谓互操作性。这样，用户也能自由地集成现场总线控制系统，这是将来数控系统可重构性创造了条件。（5）“真正的开放式系统”:现场总线为开放式互连网络，所有技术和标准都是公开的，用户可以自由地集成不同厂商
12、的通信网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。它的实施有利于解决工厂各层次的信息集成及支撑技术计算机网络问题，有利于构筑CIMS网络系统，并有效地发挥作用。此外，用户可以很方便地共享网络数据库。集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体，现场总线技术采用计算机数字通信技术连接现场设备。控制设备可以很便捷地从现场设备获取所需的信息，能够实现设备状态、故障、参数信息的快速传送，完成对设备的远程控制、参数化及故障的诊断工作。（6）“简易的连接方式”:一对一传输线互连多台仪器，双向传输多个信号，可大大减少连线数量，使系统的安装成本降低，易于推广维护，提高了系统的可靠性。使用现场总线不但可以很
13、好的解决高速高精加工对通讯技术的要求，更使数控系统的开放性能、可靠性大大提高，已成为目前高性能数控系统的重要发展方向。国内对基于现场总线的数控系统已有研究，但是目前还未能推出成熟产品。华中数控有限公司作为我国自主产权的数控系统研发、生产公司，自上世纪90年代以来推出多款自主产权的数控系统，在国内市场上占有一定市场，并享有较高声誉。以目前华中数控推出的世纪星数控系统为例，世纪星系统与现场设备的通讯方式主要有两种：（1）模拟量控制，直接输出电流，对电机进行速度控制。（2）脉冲数字控制，向步进电机或者数字伺服电机发出脉冲数据，进行位置增量控制。模拟量控制容易被外界干扰，而且对控制系统的要求较高，目前
14、正在被数字控制所取代。对于脉冲数字控制，脉冲的发送与接收速度有限难以提高电机的响应速度，例如，实现60m/min的进给速度，需要控制系统以1000p/ms速率发出脉冲，发送频率达到1MHz，如果需要更高的速度，则发送频率超过1MHz，对于脉冲方式来说，现有的设备难以实现这个目标；此外，使用脉冲方式受脉冲分频器的限制，发送周期的精度难以保高速高精加工要求控制系统能实时得到现场设备的反馈信息，并及时的做出响应，才能在复杂加工环境下保证加工质量，这要求控制系统与现场设备的通讯具备高速、实时性能。由于加工现场存在不同的信号干扰，为避免传输干扰，保证控制、测量精度，控制系统与现场设备的通讯最好使用数字化
15、的方式。数控系统的平台由硬件平台和通用的软件模块组成。在硬件平台方面,个人计算机已发展到以Pentium为主流,标准内存配置为64M128M或更高；性能的快速提高,使它可以满足作为数控系统核心部件的要求。此外, PC机生产批量大,价格便宜。高标准的硬件结构、配置及优异的性能价格比,使得PC机理所当然地成为开发数控系统的首选硬件平台,在PC机上开发CNC,已成为大多数国家数控同行的共识。欧盟的OSACA项目所制定的开放式数控系统的标准规范即以PC为标准平台。1994年,基于PC的CNC控制器在美国首先亮相市场,并在此后获得了高速发展。1996年芝加哥和1997年北京的国际机床展览会中,一个十分显
16、著的特征,就是出现了越来越多的以个人计算机为基础(PC2based)的控制器。过去生产专用控制器的几家大制造商,也纷纷推出以个人计算机为基础的控制器新产品系列。我国在“八五”期间提出了以自主版权为目标,以平台为基础的发展战略,在攻关过程中,瞄准或调整到以PC机为基础的发展路线上,形成了两种平台,开发出了4个基本系统,其中华中I型和中华I型是将数控专用模板嵌入通用PC机构成的单机数控系统,航天I型和蓝天I型是将PC机嵌入到数控之中构成的多机数控系统。国内其它单位也都先后加入了开放式体系结构系统的开发,如:沈阳数控研究中心开发的具有自主版权的CNCLT28520/8530；沈阳数字控制股份有限公司消化吸收引进产品开发了S2PBC数控系统；北京机床研究所引进了德国PA公司的开放式CNC系统PA8000的全套技术,对其产品应用进行开发;南京航空航天大学研制的基于PC平台的超人计算机数控系统已调试成功并投入使用,可完成5轴控制
