基于華中8型數控系統的I/O傳輸總線控制方法和應用*

向 華，李 龍

（華中科技大學，湖北武漢 430074）

0 引言

在數控加工中，機床工作的可靠性是數控加工中重要的要求之一，而隨著數控系統精度的提升，機床檢測的內容與控制的點位越來越多，對現場總線控制要求越來越高；在現場總線控制發展中，惡劣的工業加工環境，對傳感器及執行器的安全可靠運行提出了更高的要求。

同時在數控系統的控制中，傳感器與執行器設備大部分使用了開關量信號。輸入信號如直線軸軸的極限位置、刀庫到位等大多采用接近開關，輸出信號如刀庫換刀動作，主軸的松緊刀等也是開關量電磁閥或者換氣閥，而大部分PLC作為控制的方式是控制設備與控制器之間一對一映射的I/O直連通訊，其中存在可靠性不高、接線復雜、拓展性不高等問題。因此本文作者采用EtherCAT和AS-i總線互連互通種新的控制技術，使數控加工I/O傳輸總線控制具有更高的可靠性與穩定性。

1 AS-i總線介紹

AS-i總線是一種基于傳感器和執行器裝備之間數據交換與信息傳輸的現場控制系統，其主要的應用在底層傳感器與執行器的控制。AS-i總線不僅適用于傳輸開關量信號的傳輸，而且適用于模擬量信號的傳輸。整個總線傳輸系統采用兩芯線纜和開路的模式，在傳輸信號的同時還能為從站設備提供電源。

1.1 AS-i總線體系結構

AS-i總線體系組成部分為主站、從站和傳輸線纜等。AS-i總線系統結構如圖1所示。

圖1 AS-i結構

AS-i總線采用主從式的結構，主站作為總線系統的核心，它可以直接裝入PC或者PLC等控制器，直接與控制設備一體構成主站模塊[1-2]。而從站可分為集成的從站和分離式的從站，集成的從站主要包括傳感器與執行器、AS-i總線從站芯片及存儲設備，分離式的從站主要包括AS-i總線接口、一般的傳感器與執行器設備。

1.2 AS-i通訊協議

AS-i通信協議可以看作3層布局：物理層、數據鏈路層、應用層。它們分別與ISO/OSI參考模型中的第1層、第2層、第7層對應[3]。各層的主要功能如表1所示。

表1 AS-i通信結構

AS-i總線物理層主要是AS-i總線主站和通訊線纜的連接性質，主要的功能是維護通訊線纜信號傳輸過程的抗干擾性和實時控制脈沖信號的狀態。在AS-i總線系統中，物理層包括發送器、比較電路、接收器3個部分。在信號傳輸過程中，發送器將傳輸的信號進行調制，但在此總線系統主站發送報文時，整個電路的電壓不能低于14.5 V，最后通過比較電路，從站通過接收器接收到來自主站的信號。

AS-i總線數據鏈路層功能是主站與從站設備進行報文交換的監控，同時也進行最上層應用層的數據的傳輸。主站發送報文時，報文通過數據鏈路層將報文形成幀同時完成來自應用層大量原始數據的傳輸。在向從站發送數據之前，信號按幀的方式組織起來，并加入奇偶校驗位[4]。工作原理如圖2所示。

圖2 數據交換工作圖

AS-i總線應用層在數據鏈路層上層，主要作用是接收到主站的指令與用戶進行數據交換，這一層正是與其他總線接口通訊的關鍵。AS-i總線應用層在通訊過程中分為初始化、啟動、正常操作3個狀態模式，在整個AS-i總線系統通電之后，整個系統會自動進行初始化，更新總線與用戶接口的狀態，初始化之后會正常進行數據的交換。

2 數控系統通訊二次開發

基于華中8型數控系統內部采用NCUC總線[5-6]，在總線EtherCAT接口采用“飛讀飛寫”的方法來進行數據的通訊，在此內部通訊基礎上，在實現AS-i總線與華中系統的信號傳輸時，必須通過EtherCAT接口與AS-i總線的應用層進行通訊。

華中數控系統EtherCAT網絡參考模型主要由兩部分組成：數據鏈路層和應用層，模型結構如圖3所示。數據鏈路層主要負責EtherCAT通訊協議，應用層嵌入對應規則。EtherCAT應用層中的對象字典涵蓋配置參數，應用數據和PDO映射關系。

圖3 EtherCAT通信結構

華中數控系統EhterCAT應用層沒有對具體目標實現控制，它的作用是實現控制的數據傳輸的任務。在使用標準的EtherCAT的應用層協議可以屏蔽設備的差異，使不同廠家的設備實現無縫對接。嵌入對應規則往往應用層是與其他總線通訊的關鍵，在華中數控系統EtherCAT總線中，應用層的對象字典由通信參數、應用數據和PDO映射信息組成[7-8]。PDO映射參數包含指向PDO需要發送或者接收到的PDO對應的過程數據的指針，包括索引、子索引及映射對象長度。PDO可分為RPDO和TPDO，RPDO用于從站獲取主站的消息；TPDO用于主站獲取從站的應答消息。在與其他總線相連通時，PDO映射關系直接決定不同總線的地址架構模式。

因此作為系統通訊的二次開發，必須按照數控系統的通訊模式，同時在點位配置按照系統本身的構架模式進行。即主站和從站采用PDO通信方式時，首先需要配置主站的PDO的通信參數如ID，數據傳輸類型等，再配置從站的通信參數與主站一致，這樣就建立了主站與從站的PDO通信的關系；然后再使用字典設置主站PDO映射參數，設置完成后主從站就能使用PDO通信傳輸數據。

3 AS-i總線與NCUC總線的互聯互通

基于華中8型數控系統備EtherCAT的通訊接口，基于AS-i總線優勢，將兩種不同總線通訊，將機床的傳感器等信號配置到數控系統，通訊連接如圖4所示。

圖4 總線通訊連接圖結構

在華中數控系統中NCUC總線的接口EtherCAT讀取AS-i主站收集到的傳感器信息需要在OB1”調用特殊功能“SFC 59”，調用SFC59需要指出傳感器數據（模擬信號）的來源，并給出數據在PLC中的存放位置。該系統有3個DP/AS-i網關，需要調用3次SFC59。

因此EtherCAT從站信息文件（XML）文件由主站讀取最后構建主站和從站之間的組態，在EtherCAT與Any?bus網關通訊的協議文件中，按照NCUC的通訊模式及點位的配置寫入，XML文件及包含數據傳輸大小也包含點位的配置模式，建立主站與從站的PDO通信的關系，構成數控系統與AS-i總線的通訊。

4 實際應用

該技術是面向汽車動力總成的四軸臥式加工中心機床，通過AS-i總線將傳感器執行器信號傳輸至數控系統，對整個機床進行控制。在通訊上利用網關實現不同總線的通訊，基于AS-i總線控制基礎上，采用IFM的從站設備，將128個輸入輸出信號進行解析，設備接線如圖5所示。

圖5 設備接線圖

機床的控制系統是基于現場總線的控制模式，利用AS-i總線的控制方式替代一對一的I/O連線，減少接線不可靠，在四軸臥式機床上AS-i總線主要對刀庫，液壓站，水冷機等設備的控制，控制部分如圖6所示。

圖6 AS-i總線控制模塊

通過NCUC總線與AS-i總線的互聯互通，在添加其他傳感器設備能直接在數控系統得到信號點位的數據，特別是在刀庫的控制下，相比原來一對一的I/O信號傳輸穩定性更強，在初期測試48 h無故障運行，刀庫的換刀總時間能夠達到2.1 s，相比傳統I/O傳輸最優速度的1/2。

5 結束語

在研究AS-i總線的基礎上，在華中8型數控系統的I/O傳輸總線上應用，借助華中8性系統NCUC總線和AS-i總線的優勢，建立合適的通訊方案，使總線通信獲得較高的實時性、同步性和可靠性。將多總線互連互通應用于四軸臥式加工中心等數控機床中，不僅僅提高四軸臥式加工中心穩定性和可靠性，而且保證機床的擴展性和維護性。