工業(yè)機(jī)械數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控裝置和伺服傳動(dòng)裝置在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，對相關(guān)的通信接口標(biāo)準(zhǔn)的需求也越來越強(qiáng)烈，本文針對在制定國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的認(rèn)識作相應(yīng)的介紹。 一 項(xiàng)目簡況及背景 本項(xiàng)目是根據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、原機(jī)械工業(yè)部“一九九五年機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃”（機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制、修訂部分）的安排．由北京機(jī)床研究所作為負(fù)責(zé)起草單位 等效采用I E C 1 4 9 I：19 9 5國際標(biāo)準(zhǔn)制定的Ⅸ工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備控制與驅(qū)動(dòng)裝置間實(shí)時(shí)串行通信數(shù)據(jù)鏈接 國家標(biāo)準(zhǔn)（計(jì)劃編號為97440306（109）），這一標(biāo)準(zhǔn)的制定工作目前正在進(jìn)行審查修改過程中，這一標(biāo)準(zhǔn)將由全國工業(yè)機(jī)械電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口。 工業(yè)機(jī)械的數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置和伺服傳動(dòng)裝置．隨著伺服傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展．?dāng)?shù)字伺服傳動(dòng)裝置得到了廣泛的應(yīng)用 不同制造廠家生產(chǎn)出不同的數(shù)控裝置和伺服傳動(dòng)裝置．由于沒有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)伺服系統(tǒng)只能與本廠的CNC系統(tǒng)匹配，不能互相兼容使用，限制了它的更廣泛應(yīng)用。為了解決這一問題，1990年由德國一些著名CNC和伺服系統(tǒng)制造商與德國斯圖加特大學(xué)等共同發(fā)起成立了SERCOS協(xié)會(huì)，開發(fā)和制定了數(shù)控裝置和伺服傳動(dòng)裝置之間的串行實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)SERCOS（Serial real time communicat,ion system），其目的是在德國建立一個(gè)CNC與數(shù)據(jù)伺服系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，并開發(fā)出相關(guān)的產(chǎn)品，保證產(chǎn)品的互換性 參照這一系統(tǒng)，1995年11月，國際電工委員會(huì)頒布了CEI／IEC 1491工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備一控制器和傳動(dòng)裝置間實(shí)時(shí)通信的串行數(shù)據(jù)鏈路（ELectricaL equip—merit of industrial machines—Serial data link for real timecommunication between controls and drives）的國際標(biāo)準(zhǔn)（簡稱SDL系統(tǒng)）。SDL系統(tǒng)規(guī)定數(shù)控裝置和伺服傳動(dòng)裝置間采用光纜為傳輸介質(zhì)的串行接口的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、報(bào)文格式、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)交換協(xié)議等。它使設(shè)計(jì)和制造有了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信接口、使數(shù)控裝置與數(shù)字伺服裝置間的互相兼容成為可能。下面分別對本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容進(jìn)行概括。 二 SDL系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及組成 所謂SDL系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是數(shù)控裝置與數(shù)字伺服裝置間的通信網(wǎng)絡(luò)。圖1就是一個(gè)典型的SDL系統(tǒng)拓?fù)溥壿嫿Y(jié)構(gòu)示意圖?？刂茊卧?jīng)過接口把指令信號、系統(tǒng)狀態(tài)及監(jiān)控信號傳輸給數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置。數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置接受指令后開始工作，并把傳感器反饋信號、數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置的狀態(tài)及監(jiān)控信號送回控制單元。SDL根據(jù)需要可以采用單環(huán)或多環(huán)結(jié)構(gòu) 數(shù)控裝置和數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置之間由光纜作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì) 在環(huán)中，數(shù)控裝置的一端稱主站（Ma ste r）。數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置的一端稱從站（Slave）。主站連接環(huán)中的從站 一個(gè)主站僅控制同一個(gè)環(huán)中的各個(gè)從站。一個(gè)從站根據(jù)需要可以連接一個(gè)數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置或多數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置。如果每個(gè)主站僅連接一個(gè)從站就形成星形拓?fù)?。信息在環(huán)中的變換是在數(shù)控裝置與數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置之間交換，而不是在數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置間交換，其信息流是單向的。 數(shù)控裝置和數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置間的通信是實(shí)時(shí)通信。一個(gè)典型的裝置包括轉(zhuǎn)矩環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。SDL系統(tǒng)應(yīng)能處理所有的三種工作方式。 ☆ 數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置僅有轉(zhuǎn)矩控制； ☆ 數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置有速度和轉(zhuǎn)矩控制： ☆ 數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置有所有的閉環(huán)控制，包括位置控制。 三 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆謱咏Y(jié)構(gòu) 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于1984年提出‘開放系統(tǒng)互連基本參考模型’OSI 規(guī)定開放系統(tǒng)通信體系結(jié)構(gòu)。它具有七層結(jié)構(gòu)，從低到高分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層 但OSI系統(tǒng)及其一系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)只是概念上和功能性的體系結(jié)構(gòu)，并沒有規(guī)定具體實(shí)現(xiàn)的規(guī)范及細(xì)節(jié) SDL系統(tǒng)雖然具有分級功能，但不象OSI那樣具有完整的結(jié)構(gòu) 圖2詳細(xì)地說明了主站和從站傳輸層之間的結(jié)構(gòu)。最高的傳輸層為非周期性傳輸，在非周期性傳輸之上為應(yīng)用層，應(yīng)用層包括程序指令 由非周期性傳輸支持，非周期性傳輸由周期性傳輸支持。 四 數(shù)據(jù)內(nèi)容及分類 數(shù)據(jù)內(nèi)容按傳輸方式分為周期性傳輸及非周期性傳輸數(shù)據(jù)。表l和表2為周期性和非周期性傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容。 周期性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特點(diǎn)是‘快’和‘同步’，以滿足實(shí)時(shí)通信的要求。非周期性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)范圍比較廣泛，但速度比周期數(shù)據(jù)慢得多。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和序列在系統(tǒng)初始化時(shí)確定。 數(shù)據(jù)的類型分為： ☆ 工作數(shù)據(jù) 它指由SDL系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)．這些數(shù)據(jù)由系統(tǒng)賦予識別數(shù)（IDN：identification number） SDL系統(tǒng)不僅是一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) 而且提供許多數(shù)據(jù)格式和指令用來控制數(shù)控裝置 數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置和機(jī)床 所有這些數(shù)據(jù)和指令組成數(shù)據(jù)塊 識別數(shù)IDN使數(shù)據(jù)塊具有名稱、屬性、單位、最小和最大輸入值 及數(shù)據(jù)本身。這些數(shù)據(jù)通過IDN進(jìn)行存儲。系統(tǒng)共有216=65535個(gè)可使用的識別數(shù)。其中0～32767為系統(tǒng)定義的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。而32768到65535保留由數(shù)控裝置和數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置的生產(chǎn)廠家定義。 ☆ 參數(shù) 為了保證系統(tǒng)無差錯(cuò)工作．應(yīng)用參數(shù)對數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置和數(shù)控裝置進(jìn)行調(diào)整。 ☆ 系統(tǒng)程序指令 用來激發(fā)數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置或數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置和數(shù)控裝置之間的功能。 ☆ 指令和反饋值 通常作為周期性數(shù)據(jù)包含在報(bào)文中。 根據(jù)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的作用還可分為： ☆ 服務(wù)通道數(shù)據(jù) 在數(shù)控裝置和數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置之間通行并通過服務(wù)通道的數(shù)據(jù) 服務(wù)通道是由MDT中具體的控制字和狀態(tài)字所指定的周期或非周期數(shù)據(jù)傳輸，如在數(shù)控裝置端某些數(shù)據(jù)的輸入或顯示。 ☆ 周期數(shù)據(jù) 每次通信周期中可配置的報(bào)文數(shù)據(jù)部分。在數(shù)控裝置和數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置之間．設(shè)計(jì)允許以一定的字長組合為2字節(jié)和4字節(jié)的數(shù)據(jù)串交換周期數(shù)據(jù)。 ☆ 初始化數(shù)據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)初始化通信系統(tǒng)，并且定義數(shù)控裝置和數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置的工作參數(shù)。 五．?dāng)?shù)據(jù)交換協(xié)議 數(shù)據(jù)交換協(xié)議的主要作用是用來敘述數(shù)據(jù)格式、時(shí)序和通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換中的差錯(cuò)修正。系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換是在主站和從站間交換。它包含工作數(shù)據(jù)和程序指令的數(shù)據(jù)交換。所有工作數(shù)據(jù)和程序指夸被賦予識別數(shù)IDN，具有IDN的數(shù)據(jù)塊包含幾個(gè)單元，如圖3數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)所示。在服務(wù)通道SDL系統(tǒng)辨別周期性或非周期性數(shù)據(jù)的傳送。當(dāng)進(jìn)行周期性數(shù)據(jù)交換時(shí)，只有數(shù)據(jù)塊中單元7的操作數(shù)據(jù)可以被傳送。所有數(shù)據(jù)塊的單元傳送只能通過服務(wù)通道。非周期性數(shù)據(jù)交換通過周期性數(shù)據(jù)交換的專門數(shù)據(jù)場分幾步進(jìn)行。 數(shù)據(jù)交換的形式和長度取決于SDL系統(tǒng)的條件和數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置的工作方式， 即是位置控制、速度控制還是轉(zhuǎn)矩控制。重要的信息，如從數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置來的狀態(tài)信號或數(shù)控裝置到數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置的控制信號總是周期地傳送。其它工作數(shù)據(jù)的傳送是周期（如指令、反饋值）或非周期（如極限值）要取決于應(yīng)用情況。在主站和從站或數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置之間所有的數(shù)據(jù)交換要通過所定義的報(bào)文。有三種不同的報(bào)文形式，MST，MDT和AT。 ☆ 主站同步報(bào)文MST，作為同步用， 由主站在傳輸周期的開始發(fā)出。 ☆ 指夸報(bào)文MDT，作為指夸值，由數(shù)控系統(tǒng)向伺服傳動(dòng)裝置發(fā)出。 ☆ 伺服傳動(dòng)報(bào)文AT，由數(shù)控系統(tǒng)向伺服傳動(dòng)裝置發(fā)出實(shí)際值。 報(bào)文中管理段的處理由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行。數(shù)據(jù)場包含具體的確定信息、它根據(jù)三種不同的報(bào)文和接口狀態(tài)進(jìn)行處理。 系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化。經(jīng)過通信階段CP0、CP1，CP2、CP3，才達(dá)到正常的工作狀態(tài)CP4。 六 lEC 1491國際標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用情況 具有關(guān)資料顯示，SDL可工作在4Mbit／s；最多每個(gè)環(huán)可連接254個(gè)數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置。可編程的周期為0．062ms、0．125ms、0．25ms或任何0．25ms的整數(shù)倍。圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個(gè)32位的指令值（例如位置或速度）和一個(gè)l6位的極限指令值（例如轉(zhuǎn)矩），數(shù)字伺服傳動(dòng)裝置可 傳輸位置或速度、轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值給數(shù)控裝置。同時(shí)系統(tǒng)也允許傳遞達(dá)到8k bits／s的非周期數(shù)據(jù)，如參數(shù)、診斷和文本。這樣的系統(tǒng)可 用來產(chǎn)生預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，比如一個(gè)具有2ms周期，增量為2ram、加速度為l000mm／s2的梯形運(yùn)動(dòng)、產(chǎn)生電子齒輪控制、形成電子凸輪等。 美國通用汽車公司傳動(dòng)部（GM Drivetrain Div．）把SERCOS系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)的一部分用在它的開放模塊結(jié)構(gòu)的控制器（OMAC）中。 THOMSON公司已經(jīng)取得了SERCOS接口用單片控制器的生產(chǎn)許可，生產(chǎn)出SERCOS Interface Controller SERCOS410A ASIC芯片，可供其他數(shù)控裝置和伺服生產(chǎn)廠家使用。 采用SERCOS410A終端控制器作為主站（一臺），再用若干從站組成連接線路，在各終端使用微型機(jī)，采用NRZI編碼，傳送速度可達(dá)2—4Mbf／s。 從以上的情況可以看出，速度和可靠性對于數(shù)控裝置和數(shù)字伺服裝置之間的開放的通信是非常重要的，隨著技術(shù)的發(fā)展，精度和速度對SDL系統(tǒng)的要求也越來越高。另外，由于SDL系統(tǒng)比較復(fù)雜，因此目前在許多國家的控制系統(tǒng)中還沒得到廣泛的應(yīng)用。但是由于它對于開放系統(tǒng)的重要性，它必將會(huì)得到重視。