（机械电子工程专业论文）开放式运动控制平台的研究及其在高速交叉铺网机中的应用.pdf

摘要 摘要 当前，在数控系统研究领域中，开放结构控制器技术和运动控制现场总线技 术是国内外研究的热点。本文分析了典型开放结构控制器体系结构优点，研究完 善基于r t s b 总线的开放式运动控制平台。该平台采用基于p c 的开放式数控系 统结构，p c 机与智能控制节点之间采用现场总线技术，用一根通讯线或光纤将 所有的驱动和i ，0 级联起来，传送各种信号，以实现对系统的智能化控制。 现场总线的出现和应用使传统的自动控制系统产生了重大变革。在本开放式 运动控制平台中提出了一种运动控制现场总线r t s b ( 鼬a 1 t i m es e i i a lb 珊) 本文介绍了r t s b 总线的广播型拓扑结构及其分层结构，充分研究说明了l 汀s b 总线的各层具体协议 非织造布工业被誉为纺织工业中的“朝阳工业”，近几年我国的非织造布行 业发展迅速，但是我国非织造布生产的关键设备交叉铺网机的水平却远远低于世 界先进水平，已经成为我国非织造布行业发展的瓶颈，本文在分析国内外先进高 速交叉铺网机的基础上，推导建立了交叉铺网机的运动学模型，给出了其运动控 制解决方案。在铺网小车的翻转控制中，本文采用国际上最先进的翻转方案，保 证产品的质量，小车采用s 曲线加减速，为其高速平稳运行提供保障。同时本文 提出了一种炭帘纠偏解决方案，在实际生产中运行成功。 本文将基于r t s b 总线的开放式运动控制平台运用到高速交叉铺网机的控制 中，为高速交叉铺网机搭建了运动控制平台根据高速交叉铺网机系统控制的特 殊性，对平台部分功能进行应用完善 r t s b 总线运动控制平台所有的控制功能都由上位p c 机完成，下位机智能控 制节点接口软件只是起到通讯和指令翻译的功能，本控制系统p c 机软件采用 s i l a lc 躇言进行开发，智能控制接口软件采用c 语言开发。在软件的开发过程 中，本文采用面向对象的模块化设计，按照不同功能将软件封装到r t s b 总线相 应层中实现，对软件的功能模块提供不同的应用等级，保障系统运行的健壮性 目前该交叉铺网机已经调试成功并投入生产，交叉铺网机最高输人速度可达 1 2 0 n 妇1 i n ，输出速度o 5 6 0n 埘n ，控制定位精度 与通用计算机不兼容，不同厂家的数控系统不兼容，甚至同一个厂家的 不同系列的数控系统也不兼容； 各种数控系统的内部结构复杂，一旦数控系统发生故障，往往要找生产 厂家来维修，很不方便，而且大大提高了维修费用； 难以进行升级和进一步开发； 专用封闭式数控系统的发展一般滞后计算机发展5 年左右，在计算机技 术迅猛发展的今天，这是一个相当长的时间。 传统数控系统的上述特点严重制约着数控技术的发展，不能满足市场对数控 技术新的要求。针对这种情况，人们在8 0 年代就提出了开放式控制系统的概念。 早在1 9 8 7 年，美国开始了名为“下一代控制系统”的n g c 计划，并成立了“美 国国家制造科学中心”，其主要目的是拟订并推进关于新一代开放式控制系统的 详细分析与规范。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较 大的有美国的“0 m a c ”计划，欧共体的0 s a c a 和日本的0 s e c 计划等。 1 2 1 开放式数控系统的基本特征 根据国际电气和电子工程师协会( e e ) 关于开放式系统的定义：能够在 多种不同的平台上运行，可以和其他系统的应用互操作，并能给用户提供一种一 致风格的交互方式【3 】。开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通过 各种形式向外提供统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作性和 可缩放性等特点，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。开 2 第1 章绪论 放式系统具有以下基本特征： 可互换性。提供标准化环境的基础平台，构成系统的各硬件、功能软件 不受单一供应商的控制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换。 可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同的功能模 块与标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作 能力，协调工作 可移植性。系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互 模型、控制机理，使构成系统的各个功能模块可来源于不同的开发商提 供的硬件平台之上。 可扩展性c n c 系统的功能、模块可以灵活设置，方便修改，既可以增 加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应 用 1 2 2 开放式数控系统的研究现状 目前，国际上与开放式数控研究相关的项目比较多，较典型的有美国的 o m a c 计划、欧洲的0 s a c a 计划和日本的o s e c 计划睁1 2 1 其基本特征是建立一 个规范的软、硬件公共平台，然后通过扩充使其适用于不同的控制对象。 1 美国的n g c 和0 m a c 计划 n g c ( n 既tq 啦嘲6 c c m t r o n 盯) 计划，目的是制定一套新一代开放式控制 系统的规范，开发符合下一代控制器( n g c ) 规范的产品，提供n g c 标准化的 成果。n g c 的体系结构，是在虚拟机械基础上把子系统和模块链接到计算机平 台上。n g c 计划己于1 9 9 4 年完成了原型研究，并转向工业上的开发应用。与此 同时，美国的三大汽车公司( 通用、福特、克莱斯勒) 为解决自身发展中碰到的 问题，在n g c 计划指导下，联合提出了“开放式模块化体系结构控制器”，即 0 m a c ( o p m o d _ i l l 缸加c b i o c t u c 们n 盯) 的开发计划，由政府支持实施 其目的是开发一种模块化的可重构控制系统，能适应新技术的发展和用户需求， 随时可纳入或集成模块化软件与硬件，使之重构成一个高效的控制器，以实现具 有低成本、少维护、开发周期短、更新换代快等特点的控制系统。 2 欧盟的0 s a c a 计划 0 s a c a( 0 p s y 咖a r c h i t e 咖f o rc o n l 1w i m i na 咖蚴d s y s t 锄) 计划，是欧洲e s p r l l r m 中一项名日“自动化系统中的开放式控制系统体系结构” 山东大学硕士学位论文 它以德国机床制造联合会( v d w ) 为主，协同欧盟2 0 余家厂商及科研机构于1 9 9 0 年共同发起，在1 9 9 2 年5 月正式得到欧盟的认可。 该计划分三个阶段实施：第一阶段称为o s a c a j ，在1 9 9 4 年结束。完成了 o s a c a 规范和应用指南的制定；第二阶段0 s a c a l l ( e s p 肿9 1 1 5 ) ，于1 9 9 6 年4 月结束，完成了按规范对标准的通用的系统平台开发，并用来调试、验证、 扩展第一阶段的各种规范；第三阶段为d a so s a c a ( 肋撕d i s 蚓n i n a t i 锄d a w a r e n 髂s a c t i ) ，于1 9 9 7 年1 月开始，着手推广o s a c a 思想及前期工作成 果，进而为使o s a c a 成为自动化领域的通用国际标准而努力。 3 日本的o s e c 计划 1 9 9 4 年，由东芝机器、三菱电机等6 家日本公司联合成立了一个名为控制器 开放系统环境( o p 雠s y s t e me 玎讯煳m e n t 矗) rc 舡d u e 娼) 的工作委员会。o s e c 主要内容是基于p c 平台的开放式系统，旨在确定“不依赖于特定卖主的开放性 控制器”的结构。其中研究的重点集中在n c 本身和分布式控制( d n c ) 系统上， 因为0 s e c 认为从制造的角度看，n c 就是分布式d n c 制造系统的一个服务器。 0 s e c 所谓的开放式系统本身就被认为是一个分布式系统，它能满足用户对 制造系统不问配置的要求、最小化费用的要求和应用先进控制算法及基于p c 的 标准化人机界面的要求。 以上三个计划分别相应提出了三个不同的标准化模块。目前，在世界范围内 还没有形成统一标准的硬件和软件平台以及标准的用户界面。 1 3 基于p c 机的开放式数控系统 尽管开放式数控系统具有传统数控系统无法比拟的优点，是数控技术发展的 方向。但是现阶段，真正实现数控系统的完全开放还难以做到。目前常见的开放 结构控制器产品主要是基于p c 的系统，根据其结构形式的不同可以分为以下几 类嗍： “n c 嵌入p c ”结构。n c 板插入p c 中，这种数控系统是将数控的核心 功能插卡化，将其插入p c 中，p c 机将实现用户接口、文件管理及通讯 功能等，n c 卡负责运动控制和开关量控制。p c 与n c 之间采用专用的 总线进行快速数据传输。这种数控系统由于它的n c 部分仍采用传统数 控结构，所以仅具有一定的开放性，其体系结构还是不开放的。 “p c 嵌入c n c ”结构。这是目前采用较多的一种结构形式，这种结构形 4 第1 章绪论 式采用“p c + 运动控制器”形式建造数控系统的硬件平台，其中心以工 业p c 为主的主控计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用p c 总线 形式，同时以多轴运动控制器作为从机，进而构成主从分布式结构体系 p c 作为系统主处理器，主要完成系统管理，运动学计算等任务运动控 制器通常是p c 硬件插件的形式构成系统，完成机床运动控制、逻辑功 能。 软件型开放式数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的软件 全部存在于p c 机中，而硬件仅为p c 机与伺服驱动和外部加之间的标 准化通用接口可以预见，随着计算机技术的发展，这种数控系统将具 有不可匹敌的价格优势和可扩展性，具有广阔的应用前景 1 4 国内外交叉铺网机研究现状 非织造布又称非织布、非织造物、无纺织布或无纺布，非织造技术是纺织工 业中最年轻而最有发展前途的一种技术，在一些工业发达国家，传统的纺织工业 已在走下坡路，而非织造布工业却保持着持续地高速增长的势头，被誉为纺织工 业中的“朝阳工业”1 1 3 】。 中国非织造布工业近年高速发展，在过去的一年，中国非织造布工业继续高 速发展，生产能力与产量迅速提高据中国产业用纺织品行业协会( c 1 旧隗) 统 计，去年中国非织造布总产量达1 1 7 7 万吨，同比增长1 2 8 9 ，另据美国非织造 布协会( 玳d a ) 资料显示，2 0 0 4 年全球非织造布的市场需求为“o 万吨，亚太区 为1 4 0 万吨，占全球非织造布市场需求的3 2 。亚太区非织造布生产和市场在未 来将继续保持高速增长，中国非织造布也将继续保持两位数的增长率【l 习 随着非织造布工业的飞速发展，各非织造布生产企业对非织造设备的机械性 能和生产能力等提出越来越高的要求交叉铺网机是针刺、水刺等非织造布生产 线关键的设备，我国在这两个领域难以取得突破，其重要原因就是交叉铺网机速 度慢，因此发展高性能交叉铺网机在非织造布生产线中有举足轻重的地位，它直 接影响整条生产线的生产效率和产品质量的提高 目前高性能的交叉铺网机均为国外厂家产品，主要有德国奥特法( 舭m e f a ) 公司的c l 2 0 0 3 和c l l 0 0 0 铺网机法国阿斯兰公司( a 盘s e l i n ) 的p m 丘k 交叉铺网机 【1 4 1 ，纤维网喂入速度已高达1 5 0 n 讥n i n 。国内企业的交叉铺网机相对比较落后， 其中以郑州纺机为代表的新型交叉铺网机最高速度已经达到8 0 玎蛐，但同国外 山东大学硕士学位论文 的交叉铺网机相比差距仍比较大，而且这类国产新型交叉铺网机目前并没有在实 际生产中得到应用。国内外铺网机性能对比如表1 1 所示： 表1 1 国内外几种铺网机性能对比 项目a s s e l i i l心飚k郑州纺机 喂入幅宽，m m2 5 0 02 5 0 0 2 5 0 0 喂出幅宽m m 1 8 0 0 刁o o o1 8 0 m 刁0 0 01 8 0 0 一7 0 0 0 喂入速度m ，m i n可达1 5 0可达1 5 0可达a o 纤维网喂入克重( g ，m 2 ) 5 8 05 8 05 8 0 纤维网喂入克重“g ，m 2 ) 2 m 4 0 0 02 m 4 0 0 0 2 m 4 0 0 0 均匀度c v 值，小于3 小于3 小于3 小车数量个2 44 电机数量，个355 主传动驱动方式伺服控制伺服控制 伺服控制 1 5 本课题研究内容 目前世界上已经开展了多个关于开放结构控制器规范的计划，并且建立了基 于各自规范的控制器。尽管各计划互不兼容，但它们当中有一些相同的设计思想 和实现技术。 本文在吸取各计划优点的基础上，结合当前先进的计算机软硬件技术，通信 技术，控制技术及典型的数控系统应用，应用完善了基于r t s b ( r e a l - t i m es e r i a l b 璐) 总线的开放式运动控制平台。该平台为流程工业和以运动系统应用为主的 各类设备的运动控制提供了一个体系开放、性能优良、功能柔性、适合高速高精 控制、融合智能的网络化通用控制平台。 高速交叉铺网机的控制是一项综合技术，它涉及到机械与电器的配合与控 制。基于r t s b ( r c a l - t i m es e r i a lb 懈) 总线的运动控制平台的开放性和高速总线 通讯功能为高速交叉铺网机提供了一种有效的控制方案。 本文的主要研究与实现内容如下： 1 在分析了o s a c a 、o m a c 和o s e c 三种体系结构的基础上，结合当前先进 的计算机软硬件技术，通信技术，控制技术及典型的数控系统应用，应用完善基 于r t s b ( r e 小t i m e s e r i a l b l l s ) 总线的运动控制平台。该平台提出了一种运动控 6 第l 章绪论 制现场总线器t s b ( m 潮- t i m es 耐a lb 璐) ，本文具体介绍该总线的各层协议。 2 交叉铺网机是非织造行业生产的关键设备，目前我国交叉铺网机的性能严 重制约了我国非织造行业的发展，发展我国自己的高速交叉铺网机具有重要的意 义，本文充分分析了高速交叉铺网机的结构特点，推导构建了系统的运动学模型 3 结合r t s b 总线的特点，本文设计出了高速交叉铺网机的控制系统解决方 案，为系统搭建了运动控制平台，并根据高速交叉铺网机的控制特点，对基于 r t s b 总线的开放式运动控制平台的功能进行应用完善。 4 本文对高速交叉铺网机控制系统进行了软件实现，利用基于形r s b 总线的 开放式运动控制平台实现了对系统的安装调试，系统p c 机软件采用s u a i 钟语 言进行开发，开发过程采用模块化设计，智能控制接口卡软件为c 语言开发。 7 山东大学硕士学位论文 第2 章开放式运动控制平台 基于r t s b 总线的开放式运动控制平台是山东大学数控研究中心自主开发的 一项技术，拥有完全独立的知识产权。该平台采用基于p c 的开放式数控系统结 构，各智能控制节点通过接口卡连接到现场总线上，这样通过一根通讯线或光纤 将所有的控制节点与p c 机级联起来，传送各种信号，以实现对被控系统的智能 化控制。 2 1 开放式运动控制平台的特点 传统控制系统驱动器、p l cm 0 等与运动控制器是直接相连的，一个伺服电 机至少有1 1 根线，当轴数和的点多时，布线相当多，出于可靠性考虑，线长 有限( 一般3 5 米) ，扩展不易，可靠性低，维护困难。 基于r t s b 总线的开放式运动控制平台在p c 机与控制节点之间采用现场总 线技术连接，这种方式连线少，可靠性高，扩展方便，易维护，易于实现重配置， 是控制系统的发展方向。图2 1 为基于r t s b 总线的开放式运动控制平台的硬件 组成结构图，该运动控制平台主要由工控机、插入工控机的p c 娜a 主控卡及各 种智能控制接口卡组成。接口卡为用户提供了各类电机驱动器控制接口、1 0 输 入输出接口、d a a d 转化接口、操作面板接口及各类传感器信号转化接口等， 各种信号通过一根通讯线或光纤进行传送。 8 图2 1r t s b 总线运动控制平台硬件组成结构 第2 章开放式运动控制平台 该平台所有的控制功能全部由上位p c 机完成，这为在一个强大的c p u 下支 持复杂中央控制模型和智能化控制实现卓越的运动性能提供了可能，并确保了机 器运行的高可靠性各类接口卡仅为p c 机与各控制节点之间提供标准化通用接 口，该平台具有可重构配置系统和实时任务二次开发功能。 高速实时串行通讯总线( r t s b ) 具有完全同步的四端口，系统带宽4 8 m b p s ， 可同步控制1 2 8 轴( 每个端口的通讯速率为1 2 m b p s ，可连接3 2 个设备) ，无实 时操作系统时周期抖动0 0 璐，最小循环时间5 0 0 璐( 3 轴) ，最大传输距离可 达l o o 米，数字的点可达2 0 4 8 2 0 4 8 ，模拟可达3 2 ，3 2 点 2 2 基于r t s b 总线的开放式运动控制平台的体系结构 基于r t s b 总线的开放式运动控制平台的体系结构如图2 2 所示。该平台由 一系列结构对象构成根据它们在控制中的功能不同，这些对象可以归纳为四个 不同的层次模型，构成开放式运动控制平台面向对象的总体结构。该模型将分布 于不同地点，不同控制模块的功3 以及驱动系统等，集中于中央控制器集中控制， 构成节点分布，控制集中的通用总线式软件化开放式运动控制平台 g u i 接口层：实现非实时控制任务的处理。它的作用主要有两个，一是形成 调度运动控制和逻辑控制等实时任务的执行序列；二是对用户智能开放的界面 层，通过用户自定义智能接口，可以将轨迹规划、运动轨迹数据处理等功能集成 于控制系统的基础平台 。 界面访问层：通过w i l l d o w s 动态链接库形式实现系统n c 内核的开放，构造 应用程序访问系统内核的接口通道。主要包括将系统设备驱动进行封装，提供用 户驱动程序接口，实现功能的开放更彻底的开放包括提供用户设备编译环境， 按设备数据规范编译系统驱动，达到系统完全开放的目的。 设备驱动层：实现设备的实时控制，通过d m a 或w i n d o 啪消息实现信息 的交换，将数据发送到现场总线或从现场总线接收。 控制节点层：节点功能可以动态配置各智能设备节点，实现运动量控制以及 加状态处理。通过定义的很好的接口，将下位机功能开放给用户，由现场总线 系统对下位机功能进行配置，实现开放的功能。 9 山东大学硕士学位论文 图2 2i 盯总线运动控制平台的体系结构 2 3 智能控制节点接口卡的典型配备 基于r t s b 总线开放式运动控制平台的智能控制节点接口仅为p c 机与控制 节点之间提供了标准化的通用接口，用户可以根据需要在较大范围内选择和配置 接口卡。 运动控制平台由各种不同功能的接口板卡组成下位机系统，这些板卡的功能 主要有电机驱动器控制、i o 输入输出、d a 幽d 转化、各种传感器信号转化及操 作面板转化等，每块板卡可以集成几种不同的功能，板卡采用d s p 或c p u ) 作 为主控芯片，用户可以根据需要选择具有不同功能模块的接口卡，构建运动控制 平台。 1 m s 3 2 0 x 2 4 0 】【是属于t i 公司i m s 3 2 0 系列d s p 产品，其适用于众多的数字 l o 第2 章开放式运动控制平台 电机控制( d m c ) 和其他的内嵌式控制的应用，此系列产品是基于c 2 x l p1 6 位、 定点、低功耗的d s pc p u ，并集成了一系列片上外围设备、片上i 的m ，n 础程 序存储器和片上双向r a m ( d r a m ) 也就是把一个高性能的d s p 内核和微处 理器的片内外围设备集成为一体的芯片，1 m s 3 2 0 c 2 4 0 】【系列成为传统的微控制 单元( m a j s ) 和昂贵的多片设计的一种廉价的替代产品每秒3 千万条指令的 处理速度，使1 m s 3 2 0 c 2 4 呶控制器可以提供远远超过传统的1 6 位微控制器和 微处理器的性能。高速的中央处理单元可以实时处理算法而不是通过查表近似求 解。其结构也可以很好地适应控制信号处理的要求【埘。本文采用的d s p 是公 司的n 俗3 2 0 c 2 0 0 0 系列的1 m s 3 2 0 i j 毪4 0 7 a 。 c p l d ( c 伽叩l 镊p r o 伊m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是c 伽叩l 强p u ) 的简称，一种 较p l d 更为复杂的逻辑元件，用户可根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字 集成电路。它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工 具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保 密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产 品的原型设计和产品生产( 一般在1 0 ，o o o 件以下) 之中。几乎所有应用中小规 模通用数字集成电路的场合均可应用c p u ) 器件【捧1 9 1 本文选用的是) ( i l i 溉的 9 5 1 4 4 器件，该芯片成本低、功耗小、使用简单方便。 本文主要针对在交叉铺网机控制系统中用到的几种模块进行介绍，这些模块 主要为伺服电机控制模块、i o 输入输出模块、d a 转化模块。 2 3 1 电机控制模块 伺服电机控制方式主要有脉冲控制、模拟量控制和总线控制几种方式，本文 以在交叉铺网机控制系统开发过程中采用的脉冲控制方式进行介绍，图2 3 为伺 服电机脉冲控制方式结构框图。 图2 3 伺服电机控制模块 山东大学硕士学位论文 d s p 接收到p c 机的运动指令，经过简单的翻译处理，然后由自身的脉冲产 生模块或交由c p l d 的脉冲产生模块完成脉冲的分配，同时，利用d s p 的e v 模块的正交编码脉冲( q e p ) 电路，d s p 可采集伺服电机编码器的正交编码信号， 实现对伺服电机的闭环控制。 伺服驱动器所需的开关量信号由d s p 控制产生，这些信号主要包括电机的伺 服使能、报警清除等，开关量信号可以通过光电隔离输出也可以通过继电器输出， 本文在此以光电隔离输出为例，伺服电机产生的开关量输入信号也经过光电隔离 输入到d s p 中进行处理。 2 3 2i o 输入输出模块 i o 的输入输出采用专门的控制板实现，i o 控制板通过s p i 通讯，本文 给出的方案是将s p i 接入某块电机接口卡，然后电机接口卡可将其作为自身的数 据，与板卡的反馈信息一起发送到r t s b 总线。采用这种方式，线路连接简单， 控制灵活。 如图2 - 4 给出了其中的一路输出与输入的框图。i o 的输入经过光电隔离，然 后在c p l d 中翻译成数字量信号，发送到s p i 上；1 0 的输出在c p l d 从s p i 上 接收到命令后，将数字量翻译成开关量，通过c p u ) 的相应管脚输出，输出的信 号经过2 8 0 3 放大后控制继电器的吸合，这样就实现了信号的输出。 2 3 3 队转换模块 图2 _ 4i o 输入输出硬件结构图 d a 转换是控制系统中经常需要用到的功能，它即可以用来控制电机的转速 也可以作为专用的控制信号进行信息交互。 第2 苹开放式运动控制平台 本文在接口卡中设计给出了模拟量输出电路，该电路选用u 2 6 0 2 作为数模 转换芯片，然后通过0 p a 2 2 7 放大输出，其电路图如图2 5 所示，这样在输出端 就可以得到1 0 v 的电压信号 r i 强 图2 - 5 d a 转化电路 在d a 转化电路中，基准电压r e f 的设计占有举足轻重的地位，其设计的好坏 直接影响着d a c 输出的精度和稳定性，因此本文选用u 躬3 6 作为稳压器，在应 用实践中表明其可以满足应用要求 2 4 系统配置实现 在根据特定的控制需求选择好接口卡的种类与个数后，即已完成了基于 r t s b 总线的开放式运动控制平台的搭建，使用该平台的第一步就是首先要对系 统进行配置，这一过程通过系统应用程序配置软件模块实现。该配置过程主要由 以下几步来实现： 1 ) 第一块接口卡功能信息提取。由软件呼叫第一块接口卡，接口卡响应后 反馈本卡信息 2 ) 第一块接口卡配置。根据第一块接口卡信息，由软件配置其数据格式， 控制模式等功能信息 3 ) p c 机在运动规划过程中，配置与第一块接口卡相关联的定义与控制第 一块卡配置完成。 4 ) 第一块卡发送中断信号呼叫第二块接口卡。 5 ) 第二块接口卡响应后反馈本卡信息。 山东大学硕士学位论文 6 ) 重复第2 ) 步过程直到接收不到接口卡的信息。 2 5 本章小结 图2 - 6 系统配置过程 本章主要介绍了基于r t s b 总线的开放式运动控制平台的特点及其体系结 构，讨论说明了运动控制平台的开放性，在此基础上，介绍了如何根据系统的实 际需求搭建配置运动控制平台，本文以电机控制模块、i o 输入输出模块、d a 转 化模块为例介绍了智能控制接口卡的主要功能及实现原理。 1 4 第3 章r t s b 运动控制现场总线 第3 章r t s b 运动控制现场总线 3 1 现场总线研究现状 3 1 1 现场总线的技术特点 现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局 域网。按照国际电工委员会m c 6 1 1 5 8 标准定义，现场总线是应用在制造或过程 区域现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通讯的数据总 线。它也被称为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络啪】。 现场总线的技术特点如下【烈m 】： 系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识 与遵从现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系 统用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的 系统通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 互操作性与互用性互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟 通；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与 控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本 功能，并可随时诊断设备的运行状态。 系统结构的高度分散性。现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系 结构。从根本上改变了现有集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了 系统结构，提高了可靠性 对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线， 是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、 电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满 足本质安全防爆要求等 3 1 2 几种现场总线的分析 目前，国际上影响较大的现场总线有4 0 多种，比较流行的主要有f f 、 p r 0 吼b 1 ，s 、c a n 、d e v i c 龇t 、k m w 破s 、c 们l n c t 、c c “n l 【等现场总线， 山东大学硕士学位论文 下面就几种在国内影响较大的现场总线进行比较分析【2 0 】 1 ) c a n ( c o r l 仃0 1 1 盯a r e an c t 、o r k ) 总线 该总线最早由德国b o s c h 公司推出，最初用于汽车内部测量与执行部 件之间的数据通讯。早在1 9 9 3 年1 1 月就成为了i s o 正式颁布的国际标准，已 经广泛用在离散控制领域。 c a n 总线模型结构只有3 层，物理层、数据链路层和应用层，信号传输 介质为双绞线，通讯速率可达l m b i 似0 m ，直接传输距离最远可达 l o l m 怕k b i 讹，可挂接设备最多可达1 l o 个。采用短帧结构，每帧的有效字节 数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。 c a n 支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其他 节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播式接收发送数据。 2 ) d e 、乱e n e t 总线 是1 9 9 4 年3 月由a b 公司提出的，2 0 0 0 年成为国际标准，d e v i c 龇t 技术 继承了c a n 总线的优点，它优越的性能、低廉的开发价格及a b 公司在可编 程控制器和变频器方面的优势都使d c 、，i c c n e t 技术迅速普及。 d e 、，i c e n e t 基于c a n 总线技术，传输速率为1 2 5 5 0 0 k b 彬s ，每个网络最 大节点数是6 4 个，干线长度1 0 0 5 0 0 啦。 d e 、讹c n e t 使用的通讯模式是：生产者，客户。 3 ) p r i ”m u s 总线 w 啪u s 是作为德国国家标准d 烈1 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场 总线，由p r o f m u s d p ，p r ( ) f m u s p a ，h t o 皿u s f m s 组成了p r 0 脚u s 系列。 p r o f u s d p 采用经过优化得高速、廉价通讯连接，专为自动控制系 统和设备级的分散i ，o 之间通讯设计，能满足设备级分布式控制的实时性、 稳定性和可靠性的要求。 p r o f m u s 队专为过程自动化设备设计，数据传输采用m c l l 5 8 2 标 准，支持本质安全要求和总线供电。 p r o f u s f m s 用来解决车间级通讯任务，完成中等传输速度的循环 和非循环通讯任务。 第3 章r t s b 运动控制现场总线 3 2r t s b 总线 本运动控制平台在比较目前存在的现场总线优缺点的前提下，提出并实现了 一种运动控制现场总线r t s b ( r c a l t i m es c r i a lb m ) 现场总线 3 2 1 网络拓扑结构 r t s b 总线的拓扑结构采用的是总线型拓扑，传输介质是一条总线，工作站 通过相应的硬件接口接至总线上工作站分为主站和从站。图3 1 表明了控制单 元与执行装置之间的网络拓扑结构。 殛：执行器地址 图3 1 总线拓扑结构 执行装置包括驱动器，数字输入腧出，模拟输入，输出。控制单元可以包含l 4 个主站，主站仅处理物理层的一条总线及应用层协议，从站用于将执行装置连 接到总线上，在物理层，一个从站代表一个或多个执行装置与总线的连接，在逻 辑上，一个从站带几个执行装置的作用与几个从站各带一个执行装置的作用是相 同的尽管从站在物理上是通过总线彼此连接，但所有信息的传输直接发生于主 站和执行装置之间。这样，主站和从站之间就形成了广播式的拓扑。因为所有工 作站共享一条传输链路，所以一次只允许一个工作站发送信息，这样，在一个通 讯周期内由主站发送的信息，所有从站都接收，然后根据地址识别，复制其对应 信息；而从站向主站发送信息是根据各从站的时间槽设定的定时时间，分时传送。 r t s b 不处理主站之间的网络关系 1 7 山东大学硕士学位论文 3 2 2r t 踮的分层结构 r t s b 总线的基础是数字通讯，通讯就必须有协议，从这个意义上讲，r t s b 总线就是一个定义了硬件接口和通讯协议的标准。 国际标准化组织( i s o ) 的开放系统互联( 0 s i ) 协议，是为了计算机互联 网而制定的七层参考模型，具有七层结构的o s i 参考模型可以支持的通讯功能是 相当强大的，作为一个通用的参考模型，需要解决各方面可能遇到的问题，需要 丰富的功能。作为工业数据通讯的底层控制网络，要构成开放互联系统，应该如 i s o ，o s i 模型r 髑b 模型 应用层 总线访问层 数据链路层 物理层 图3 - 2 0 s i 与r t s b 模型的对应关系 何制定和选择通讯模型，七层o s i 参考模型是否适应工业现场的通讯环境，简化 型是否更适合于控制网络的需要，这应该根据实际情况重新考虑。 工业生产现场存在大量传感器、控制器等，它们通常相当零散地分布在一个 较大范围内。对由它们组成的工业控制底层网络来说，单个节点面向控制的信息 量不大，信息传输的任务相对比较简单，但实时性、快速性的要求较高。如果按 照七层模式的参考模型，由于层间操作与转换的复杂性，网络接口的造价与时间 开销显得过高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采 用的通信模型大都在0 s l 模型的基础上进行了不同程度的简化。 r t s b 协议模型及其与0 s i 参考模型的对比如图3 - 2 所示田l 。r t s b 采用o s i 模 型中的三个典型层：物理层、数据链路层和应用层，省去中间3 “层后，考虑现 场总线的通信特点，设置一个现场总线访问子层。它具有结构简单、执行协议直 观、价格低廉等优点，也满足工业现场应用的性能要求。它是o s i 模型的简化形 式，其流量和差错控制在数据链路层中进行。 3 3 物理层协议 1 8 物理层协议是网络中最底层协议。物理层规定：为传输数据所需要的物理链 第3 章r t s b 运动控制现场总线 路建立、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性嗍简 单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。 r t s b 物理层符合e i ar s - 4 8 5 标准。导线使用屏蔽双绞线，采用差分方式传输， 总线两端各有一个终端器，如图3 3 所示： vv 1 1 c f2 2 0 q a 1 ，灿 过 。 一 il 3 9 0 q 2 2 0 q 3 q g n d 主站从站从站qqd 图3 - 3 l 峪- 4 8 5 总线结构 3 4 数据链路层协议 3 4 1 数据链路层的功能 数据链路层( d l l ) 协议的目的在于提高数据传输的效率，为其上层提供透 明的无差错的通道服务把传输媒体的不可靠因素尽可能地屏蔽起来，让高层协 议免于考虑物理介质的可靠性问题，而把通道看作无差错的理想通道。 一个报文( m 懿s a g e ) 是由若干个字符组成的完整的信息直接对冗长的报 文进行检错和纠错，不但原理和设备十分复杂，而且效率很低，往往无法实际采 用。为此，通常把报文按一定要求分块，每个代码块加上一定的头部信息，指明 该代码的源和目的地址，属于哪个报文，是该报文的第几块代码，是否属于报文 的最初或最后一块代码等。这样的代码块称为包或分组( p a d k c t ) 在相邻两点 间( 或主机与节点间) 传输这些包时，为了差错控制，还要加上一层“封皮”， 就构成了帧( 曲m e ) 这层封皮分头尾两部分，把包夹在中间。当帧从一个节 点传到另一个节点后，帧的头尾被用过后取消，包的内容原封不动。因此，帧是 数据链路层的传输单位 帧传输中可能出现的错误有：位出错、帧丢失、帧重复、帧顺序错。位出错 的分布规律及出错位的数量很难限制在预定的简单模式之中，一般采用漏检率极 1 9 山东大学硕士学位论文 其微小的c r c 检错码再加上反馈重传的方法解决。帧丢失是通信线路受较长时间 的连续干扰，通信设施的瞬间失效或通信双方失去同步造成的，而帧重复和帧顺 序错则是反馈重传的方法带来的副作用，为了解决这几个错误，通常采用给帧进 行编号来解决。 3 4 2r t s b 报文结构 r t s b 中有两种报文： 主站报文m d m ( m 鲫【e rd a t am e s s a g e ) 每个通讯周期中，主站以广播形式发送一次m d m ，用于同步执行器以及 从控制单元向执行器发送数据。 执行器报文a m ( a c 柚g 盼m e s s a g e ) 在每个通讯周期中，每个执行器通过相应从站发送a m 到主站，用来将执 行器的输入数据发送到控制器。 r t s b 的报文结构参考o s i 标准协议中的高级数据链路控制) l c 协议的帧 结构及国家标准控制与驱动装置间实时串行通信数据链路1 2 m 5 l ，并作了相 应简化与修改。 开始标志字段 图3 - 4r _ r s b 报文结构 由开始标志字段、地址字段、控制字段、信息字段、帧校验字段和结束标志 字段组成。 ( 1 ) 标志字段f 标志字段为一字节，是一个固定比特序列组合0 1 1 1 1 1 l o 。 帧首尾均有一个，由其作用主要有两个：一是帧的起始与终止定界，二是帧同步。 ( 2 ) 地址字段a 。地址字段写入从站地址，采用单字节表示，因此地址范 围是2 5 6 个。其中地址2 5 5 是广播地址。 ( 3 ) 数据字段d 。 ) m 2 0 第3 章r t s b 运动控制现场总线 在周期操作阶段，由主站发送的m d m 作为广播报文处理，以便节省 时间。所有与主站连接的执行器都接收此报文。m d m 的数据字段划 分成许多数据记录，其记录数等于主站服务的执行器的数目m d m 包含了要周期发送到与主站连接的所有执行器的全部数据记录 a m a m 的信息字段只有一个数据记录，它是周期地从执行器发送到控制 器。 ( 4 ) 帧校验字段f c s 。帧校验字段用于传输中的c i 配校验，采用2 字节的 校验码，生成多项式为g ( 力= x 插+ 一2 + 一+ 1 校验范围是地址字段a 、信息字 段d 3 5 总线访问层 r t s b 通信中的数据传输分周期传输和非周期传输。非周期传输是由周期传 输支持的。用户可以访问周期传输和非周期传输。所有数据都是可以非周期传输 的，但是只有一部分数据能够周期传输。用户对数据传输的访问及总线的传输控 制均由总线访问层来实现。同时，它还负责处理网络底层不可恢复的差错。 3 5 1 总线通讯的时序 主站发送m d m 来启动一个与通讯周期时间t s c y c 严格等长的通讯周期 m d m 作为一个广播报文同时到达所有执行器，不必考虑总线上的时间延迟。执 行器报文舢讧。的时间槽描述从一个执行器发送一个a m 允许的时间间隔。第m 个a m 发送时间槽的起点是t 1 。( 从m 阢d 的末尾算起) 时间槽序列决定了a m 的时序。它与总线上执行器的物理次序和定义的执行器的地址无关。主站是a m 的接收者。主站在接收到所有的a m 后就进行n c 访问，就是将a m 值读入n c 控制缓冲区中，进行数据处理，组织下一周期的命令值然后，主站向所有执行 器广播m d m 。r t s b 的通讯时序如图3 5 所示所有的定时时间均在r t s b 初 始化时确定 2 1 山东大学硕士学位论文 从站1 从站mn c 访问 s m| a m -a m 2a m mn c am d m 刖 t 1 2 t l m t 2 一 h 眦 i t r “ i i 1 r c y c 一 3 5 2 同步机制 图3 5 r t s b 通讯时序图 因为r t s b 接收来自控制器的数据并将命令值发送给执行器，而执行器要将 其状态值反馈给控制器，同时执行器内部还有其本身的周期性，所以需要同步机 制来协调它们之间的执行步调，即： 处理命令值 捕捉状态值 。 通讯周期与执行器内部周期同步 通讯周期与控制器同步 r t s b 的同步机制如图3 5 所示。每个通信周期以全局控制数据帧m d m 发送 完成开始。执行器接收到m d m 以后，执行器要向控制器提供状态值，而这些值 应该在所有起作用的执行器内同时捕捉，捕捉点是m d m 末尾，从站按分配的时 间槽向上传送状态信息，数据交换在t 2 时刻以前完成。当r t s b 接收到所有的 a m 后，在t n c a 时刻产生一个n c 同步信号。同步时间必须满足下列条件： z ；僦= z 瓦 z = l ，2 其中，1 k y c 是通讯周期时间，1 r c y c 是执行器周期时间。 第3 章r t s b 运动控制现场总线 3 6 用户层 3 6 1 主控卡电气原理 r t s b 通信协议是由主控卡来完成的主控卡的原理图如图3 6 所示 图3 - 6 主控卡原理图 通讯卡与p c 的总线接口有i s 胛c i 两种形式其功能主要完成通讯中的链 路层协议中的代码检错控制及物理层协议u a r t ，同时为控制器中的驱动力 ( 琢斌b e a l ) 提供时间基准通讯卡的功能单元包括以下几部分： 链路层代码控制单元。除了实现代码检错外，还有输入，输出缓冲f 环o 。 f i f o 实现了p c 与r t s b 之间的数据通信 定时控制部件。实现通讯系统中的同步机制，为控制器以及操作系统提 供时间基准，消除由于操作系统定时抖动引起的时间基准误差。同时， 定时单元中的各时间参数是可编程的。 通用异步收发器。用于串并行数据转换，实现现场总线物理层协议。主 控卡采用r s 4 8 5 总线协议。u a r t 接收发送的单端信号与总线上传送的 差分信号经由一个磁耦合器进行隔离转换 中断综合单元。由于主控卡中有多种中断，如n c 访问中断、f o 访问 中断等，因此，需要将这些中断进行综合，向p c 提供较少的中断引脚， 且提供一个中断源寄存器来处理中断。中断综合单元物理实现于l 姗： c o d e 单元的可编程器件中 3 6 2 用户层接口 山东大学硕士学位论文 本文提供了r t s b 在呲w s 系统平台下的用户层接口。用户层接口原理如 图3 - 7r t s b 系统用户层接口原理 图3 - 7 所示。驱动程序完全封装了对主控卡的操作，用户只关心应用软件的开发， 对主控卡的访问通过主控卡a p i 进行操作，而应用软件中所需的驱动力可以根 据对主控卡产生的定时中断来获得。这样，使得用户对r t s b 通讯协议是透明的， 屏蔽了繁杂的硬件操作。 3 6 3r t s ba p i 函数 1 ) 程序初始化控制函数 r t s b _ - c o i l f i g o ，检测r t s b 主控卡，确定是否安装r t s b 主控卡，并进 行p c 总线配置。 r t s b - - c l o o ，中止r t s b 系统的应用，将r t s b 的实时内核卸载。 r t s 耻c o n 矗g l ，a r t