В зависимости различных архитектурных реализаций системы ЧПУ, существуют разные способы организации связей и типы применяемых интерфейсов.

 

Организация связей в ЧПУ-системе является одним из наиболее значимых вопросов, оказывающих влияние на правильную и рациональную  работу  системы.

 

Введение

В настоящее время устройства ЧПУ стоятся по магистрально-модульному принципу. Данные системы оснащаются объектно-зависимыми модулями, связанными между собой посредством системной магистрали и различных каналов связи.

Рис. 1 отображает структурную схему однокомпьютерной ЧПУ-системы,  относящейся к классу PCNC, имеющей  внутренние контроллеры и наглядно представляющей организацию связей такой системы.

 

Рис. 1. ЧПУ-система, оснащенная  внутренними контроллерами

 

В настоящее время популярностью для таких систем пользуются магистрали VMEbus и CompactPC. Многоцелевые станки имеют число каналов электроавтоматики до 1024, а число управляемых осей  — до 32. При этом  разнесенность составляющих системы принуждает осуществлять поиск вариантов с меньшей длиной кабелей соединительного типа. Одним из таких вариантов является система, имеющая внешние контроллеры (рис.2). Контроллеры, рекомендованные к применению: SMART от немецкой компании РEP Modular Computers.

 

SMART предлагает широкую линейку модулей, дающую возможность с легкостью изменять конфигурацию; является отличным сочетанием преимущества онлайновой операционной системы ОS-9 и интуитивно понятного интерфейса сети Profibus.

 

Рис. 2. Система ЧПУ, оснащенная внешними контроллерами

 

Любая архитектурная реализация требует отладки взаимодействия между компонентами системы:

ПК (при формировании локальной сети управления);

компьютером и контроллерами;

контроллерами и механизмами электрической автоматики;

контроллерами и приводами слежения.

Взаимодействие между периферийными устройствами и компьютером

Связь ПК и периферийного оборудования организуется посредством стандартных терминальных интерфейсов.

Стандартная комплектация ПК включает восьмиразрядный параллельный интерфейс Сentrоnics, который служит только для передачи в одностороннем порядке информации от ПК на внешнее устройство на максимальных скоростях до 100 Кбит/с при расстоянии до 2 метров.

 

Компаниями Intel, Хircon, Zenith и прочими в ходе совместных разработок получена спецификация улучшенного параллельного порта ЕРР (EnhancedParallelPort). Он представляет собой двунаправленный порт, т.е.  готов обеспечивать передачу 8 бит информации в двух направлениях. Такой порт оснащен буфером, способным сохранять исходящую и входящую информацию до момента, при котором устройство будет иметь возможность их принять. Определенный режим дает возможность порту ЕРР выполнять передачу блоков данных непосредственно из оперативного запоминающего устройства ПК на внешнее устройство и в обратном направлении, а не через процессор. Для применения данного порта необходимо только специальное ПО, позволяющее выполнять обмен информацией со скоростью до 2 Мбит/с и подключение в цепь до 64 периферийных устройств.

Последующим развитием порта ЕРР стал порт, имеющий расширенные  функции — ЕСР (ExtendedCapabilityPort). Данный порт обеспечивает еще более высокую скорость передачи. Как и в предыдущей версии, в ЕСР имеется аналогичный режим синхронизации  данных посредством канала  прямого доступа к памяти, позволяющий снизить загрузку процессора в ходе  передачи данных через порт. ЕСР-порт дает возможность подключения до 128 периферийных устройств.

Наиболее распространенным из последовательных интерфейсов,  соответствующим стандарту EIA, является интерфейс RS-232С (ССIТТ V.24), который входит в традиционную комплектацию ПК и имеет довольно широкий спектр применения. Интерфейс RS-232С служит для синхронизации  2-х устройств. Передатчик одного из устройств присоединяется к приемнику  другого и наоборот, что позволяет обеспечивать  полнодуплексный режим трансляции данных. Для того, чтобы управлять подключенным устройством, применяют добавочные линии порта RS-232, а также спецсимволы, которые добавляются к передаваемым данным.

Разработка стандарта EIА RS-422А (ССITT V.11) велась в 1975 году. Созданный интерфейс применяет симметричную линию связи и отличается обеспечением  отличного подавления общих помех за счет применения витой пары как линии связи. Каждый из передатчиков может быть синхронизирован с несколькими приемниками, что позволяет осуществлять одновременный обмен данными  с несколькими устройствами.

Одним из наиболее распространенных для промышленной сферы стандартов является EIА RS-485, использующий симметричную двухпроводную линию соединения  для двунаправленной передачи данных. Интерфейс дает возможность реализовывать сети, имеющие число абонентов до 32, а протяженность – 1200 м. Использование ретрансляторов дает возможность увеличить дальность соединения свыше 1200 м или сформировать новый сегмент. Система связи, реализованная с применением интерфейса RS-485, функционирует в режиме полудуплекса, прием-передача данных выполняется посредством одной витой пары проводов (рис.3).

Рис. 3. Реализация интерфейса RS-485

 

Далее приведены наиболее распространенные характеристики последовательных интерфейсов, служащих для передачи данных.

 

Соединение между ПК

Коммуникационные вопросы сегодня стоят более остро, чем некоторое время назад. Это связано с появлением сетевых систем управления DNC (DirectNumericalControl), увеличением круга итоговых пользователей и пр.

Особо распространенным сетевым решением сегодня является Ethernet, при этом повышение скорости функционирования его до 100 Мбит/с максимально увеличивает популярность этого стандарта [2]. При этом использование сети Ethernet ограничивается тем, что в ЧПУ-системах необходимо принятие онлайн-решений. Это обусловлено недетерминированной природой протокола Ethernet. Иначе, при большой сетевой загрузке возникает незначительная, но ненулевая вероятность того, что данные, посланные одним из узлов, не смогут достигнуть адресата. Поэтому в системах, где существует необходимость гарантированной  доставки информации в течение строго определенного интервала времени, оптимальным решением становятся протоколы Tokеn-Ring (4/16 Мбит/с), а также Аrcnet (2,5 Мбит/с). Сегодня разработан стандарт Аrcnet II, который обеспечивает скорость передачи порядка 20 Мбит/с, но его применение ограничивается невысокой поддержкой производителей специальных сетевых микросхем. Те, кто уже применял протокол ATМ (Asynchronous Transfer Mode), с уверенностью заявляют, что ATM со временем вытеснит всех, и Ethernet в том числе, и возможно, что они окажутся правы (в случае, если производители микросхем поддержат ATM). Возможно, существенное значение для широкого внедрения ATM окажет  IBM, которая разработает  дешевый вариант данного протокола со скоростью 25 Мбит/с.

Связь между ПК и интеллектуальными контроллерами

Соединение ПК и интеллектуальных контроллеров осуществляется, как правило, посредством  последовательных полевых шины (Fieldbus). В данную категорию входит ряд  европейских Рofibus(DIN-19245), FIP(UТE-C46-6хх), Вitbus (IЕЕЕ-1118), CAN (ISО/DIS-11898), Interbus_S (DIN-9258) и разработанные в США — Foundation Fieldbus по  конкурирующим стандартам  HART. Разрабатывается общеевропейский стандарт ЕN 50170, который будет объединять Рrofibus и FIР.

 

Рис. 4. Распределение европейского рынка полевых стандартов

 

Из рис. 4 видно (согласно статье В. Коваленко «Современные индустриальные системы»//«Открытые системы», №5, 1997), что максимально интересной является сеть Рrofibus – обязательная составляющая  всех новых средств автоматизации первого уровня. Данный стандарт является открытым, определяющим обмен информацией с различными элементами автоматизации PС, PLC, операционными панелями,  датчиками, силовыми приводами. Есть три варианта Profibus: FМS, DР и ISР.

 

Profibus-FMS является решением для задач совместной работы на цеховом и полевом (field) иерархическом уровне промышленных связей. С помощью данного варианта ведется обмен между контроллерами и интеллектуальными field-устройствами. Здесь время реакции несущественно, гораздо более важным является функционал.

 

Profibus-DP представляет собой оптимизированную по производительности версию, предназначенную для взаимодействий, являющихся критичными по времени.

 

Рrofibus-ISP является проектом взаимодействующих частей, дополненным  возможностями процессного управления; внутренняя защита включается.

 

Сеть Profibus обладает следующими основными  характеристиками:

физический интерфейс ЕIА RS_485;

средство трансляции — экранированная витая пара;

линия длиной до 1,2км без повторителей;

передача со скоростью до 500 Кбит/с;

линия максимальной длины до 4,8км с тремя повторителями;

метод доступа смешанного типа:

IEЕЕ802.4 (передача маркера), соединение активных узлов;

Master-slave (ведущий-ведомый), соединение активных и пассивных узлов.

 

Все большей популярностью пользуется интерфейс САN (ControllerAreaNetwork), выпущенный компанией Bosсh,  который является последовательным интерфейсом, специально созданным для объединения датчиков, устройств исполнения и интеллектуальных контроллеров.  Интерфейс CAN имеет определенные преимущества: обеспечивает онлайновый режим обмена благодаря наличию инициативной передачи данных в условиях изменения состояния сигналов на входе; имеет высокую помехоустойчивость, корректирующий ошибки протокол. Такой интерфейс отличается поддержкой коммуникационных протоколов прикладного уровня Device Nеt от компании Аllen-Bradly и САNopen от СIA.

 

Ряд характеристик интерфейса САN при реализации протокола CАNopen:

линия связи-витая пара;

число узлов 256;

связь — полудуплекс;

передача со скоростью 20 Кбит/с при расстоянии 1 км;

125 Кбит/с при расстоянии 0,5 км;

500 Кбит/с при расстоянии 0,1 км;

1 Мбит/с при расстоянии 40м.

 

Особой привлекательностью интерфейса СAN является его устойчивость к электромагнитным и электропомехам, которые характерны для эксплуатации в условиях цеха.

 

Связь контроллеров и следящих приводов

Связь контроллеров и следящих приводов зависит от типа применяемых приводов. При применении цифровых автономных приводов слежения  подачи компаний INDRАMAT и  BOSCH (Германия) соединения организуются посредством интерфейса SERCОS. Данный проект (SЕrial Real-timeCOmmunicationSystem) реализован для цифровых приводов слежения главного движения, а также подачи ЧПУ систем в 1995 году и представляет собой единственный интерфейс для управления приводами.  Опубликован как международный стандарт IEС 61491.

SERCOS  — это кольцевая оптоволоконная сеть с узлами  — программно-аппаратными модулями. Такой модуль включает специальный  однокристальный контроллер и трансиверную часть, при этом ведущим модулем может быть плата, устанавливаемая в ПК. Помимо ведущего модуля, все остальные  —  ведомые (рис.5). Сессия  коммуникации  проводится циклически, частота при этом постоянная, зависящая от количества ведомых модулей сети. Настройка периодичности циклов идет при инициализации системы. Таким образом, управление пятью следящими приводами возможно осуществлять  с периодом 1мс, а 8-ю приводами (количество по максимуму)  — с периодом 2мс. Ограничения на общее количество одновременно функционирующих  приводов практически не налагаются. Межузловой сегмент для оптоволоконных кабелей, изготовленных из пластика, может иметь длину 60м, а для стеклянных  — 250м.

 

Рис. 5. Организационная структура интерфейса SERCOS

 

Каждый цикл для каждого привода может иметь заданную максимальную скорость подачи, а также максимальное перемещение и предельный показатель крутящего момента. В каждом из циклов от каждого из приводов скапливается информация о реальных показателях скорости подачи, передвижения и крутящего момента. Асинхронно предаваемая информация может накладываться на синхронную (по запросу главного  модуля). В качестве асинхронной могут выступать разные сообщения, которые выводятся на экран дисплея.

 

Работа системы SERCOS ведется следующим образом.

Первая фаза: ведущий модуль оправляет синхронизирующее сообщение; оно  готовит ведомые модули к отправке собственных сообщений. Вторая фаза: кольцевая сеть в каждом из узлов размыкается последовательно, и сообщение определенного привода выдается ведущему модулю. Для этого каждому модулю выделяется свой интервал времени, границы которого определяют при инициализации системы. Третья фаза: сообщение ведущего модуля идет одновременно на все ведомые модули. Все сообщения в совокупности составляют единый кадр, который соответствует протоколу HDLС [3]. Рассмотрим ряд характеристик интерфейса SЕRCОS:

ISА-совместимый компьютерный интерфейс, ведется обмен двоичной информацией со скоростью 1,2Мбит/с;

интерфейс привода IEС 1491, передача со скоростью 10Мбит/с;

поддержка ОС DOS, Windоws 3.x, Windows NТ, Windows 95, Lynx OS, Vx Works, QNХ, VRТХ и OS/9;

компиляторы  Borland, Microsoft, Symantec, Watcom,GNU.

 

Прочие крупные производители электропривода – немецкий SIEMENS и японский MRON — применяют для управления приводами  интеллектуального типа традиционные интерфейсы: цифровой восьми- или шестнадцатиразрядный параллельный двоичный код, аналоговый на 10В, 20мА, универсальный последовательный интерфейс Fiеldbus, при этом компания SIEMENS ориентирована на протокол Profibus, а компания  OMRON  — на  DeviceNet.

Для реализации данных интерфейсов модули производят практически все компании, занимающиеся изготовлением средств вычислительной техники, в т.ч. INOVA и РEP.

 

В заключении хочется отметить, что система ЧПУ может состоять из  комбинации внутренних и внешних контроллеров, имеющих соответствующую организацию связей.

Практически все описанные интерфейсы как физическую среду распространения могут применять коаксиальный или оптоволоконный кабель, витую пару.

Наличие мощных электромагнитных полей станков говорит о выборе в качестве линий связи в пользу оптоволокна.