SERCOs总线协议的数控系统通讯研究

1万 · 2020-1-14 10:24

SERCOs总线协议的数控系统通讯研究

1万 · 2020-1-14 10:24

采用STM32+SERCON816的硬件方案，设计了接口转换设备的SERCOS通讯
部分，即独立的通讯从站。编写从站SERCOS驱动芯片SERCON816的驱动程序和通讯
控制程序，搭建了基于SERCOS总线协议主站、从站通讯硬件平台，并在此平台上进行
了实验研究。实验结果表明，在2Mbit/s通讯速率下，实现了基于SERCOS总线数控系
统主站、从站通讯平台的正常工作。

1万 · 2020-1-14 10:25

IEEE(电气及电子工程师协会)对开放式数控系统的定义是:“开放式数控系统必
须符合一定的系统规范，具有相似特点的用户使用交互界面，能够与不同的系统应用联
系操作，并在多个不同的销售商平台上都可以运行”。换句话说，开放式数控系统提供
给用户一个可靠的平台，使用户在这个平台上自由地选择不同厂商、不同公司提供的设
备，根据自身需要灵活地选择硬件、软件，构成满足性能的新的应用系统。使用户开发
的新系统具有专用性并且能大大的缩减机床开发的时间周期和开发成本「‘]。

1万 · 2020-1-14 10:26

1万 · 2020-1-14 10:27

20世纪80年代末、90年代初，现场总线技术发展形成，作为现场智能设备互联的
通讯系统，它主要应用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化以及互联通信网络等领
域。它为工厂数字通讯网络提供了保障，奠定了基础，衔接了管理控制层、中间设备控
制层以及生产现场三者，构成了自上而下完整的一套控制通讯管理系统。
根据国际标准定义:现场总线是指生产工厂内的控制器和测量执行单元相互联系通
讯的现场网络。通常情况下可以理解成是传感器、各种操作执行设备和控制器之间的通
讯或者控制器与控制器之间通讯的特殊网络。机器间连接的主要信号是ON/OFF信号和
模拟信号，通讯中的数字化处理使得时间分割、多重化、多点化得以实现，从而使整个
系统的性能、可靠性大大提高，降低了保养过程中的复杂步骤，节省了系统中的信号线
的配置(配线的共享)。图1-1所示是现场总线的结构实现图

1万 · 2020-1-14 10:28

1万 · 2020-1-14 10:29

由于采用高度的结构化设计方法，在计算机IS O参考模型中，通讯系统被划分为7
层。这7层之间既相互独立，又紧密联系。采用自上而下和自下而上的分层，分任务处
理模式，每一层完成自己的特定功能，而不需要考虑其他层，因此这种模式带来了诸多
优势。而现场总线技术也是从IS O参考模型的设计方法中诞生的。工业生产现场中，控
制器和各个测量执行单元可能分布在一个很大范围的空间里，彼此通信的内容比较简单
没有传递大量的数据信息量的要求，而在信息传输的实时性、快速性和同步性上则有高
的要求。于是现场总线在IS O模型的基础上简化而来，现场总线只保存IS 07层模型中
的3层:物理层、数据链路层以及应用层。采用这样的简化模式的优点在于:减少过多
的层结构带来的资源的消耗，使通讯变得简单有效，满足工业现场的的要求，简化通讯
协议，降低开发的成本，提供现场控制系统的实时性。

1万 · 2020-1-14 10:29

MACRO总线是美国Delta Tau公司开发的。其典型特点是环形拓扑结构和串行数
据通讯。每一个环的主控站只有一个数据发送端口和数据接收端口。一个环最多能带起
6个节点，可以同时联动多个伺服驱动。MACRO总线并不是标准化的总线，其接口仅
限于Delta Tau公司使用，可以选择的硬件系统有限，接受这种接口的供应商也是极少。

1万 · 2020-1-14 10:30

Fire Wire总线则是类似于以太网，是完全按照IEEE 1394标准来开发的，通用性更
强。需要注意的是Fire Wire并不是直接的运动控制总线，必须人为地对它进行规定协
议，确定数据报文格式并编程后，Fire Wire才能真正算得上运动控制总线系统，其本身
仅仅只是物理层上的定义。Fire Wire总线传输速率高并且支持热插拔。其缺点在于每个
制造商对于Fire Wire物理层之外的附加模块的标准是不同的。

1万 · 2020-1-14 10:33

1万 · 2020-1-14 10:34

1万 · 2020-1-14 10:37

数控系统正向多功能方向发展，一台数控机床完成多个功能，把产品加工的多个工
序集合在一台设备上，减少了加工的复杂度，提供了工作效率。数控机床的轴数不断增
多轴控制使得机床的功能增加。同时机床集成了更强的通信系统，实现机床控制的
加
网络化，采用更加先进的总线和总线协议，实现了工业联网，机床和机床之间可以通信
机床和上层控制模块也能通信。新的数控技术必然是越来越多功能，集成化。

1万 · 2020-1-14 10:37

随着数控技术的发展，数控设备也应该越来越智能化，采用更加先进的控制方法，
比如说自适应控制、智能控制等等方法，使得设备具有一定的智能，例如系统在加工过
程中，根据加工的具体情况，实时自动的调整控制参数;当故障出现时，设备具有自诊
断、自处理设置自恢复的功能。

1万 · 2020-1-14 10:38

数控系统大都由人机界面、运动控制器和伺服驱动组成。这三者之间的连接通信，
是一个需要慎重考虑的问题。传统的数控系统中，运动控制器与伺服设备之间采用模拟
接口或者脉冲信号的方式通讯，这两种通讯方式暴露出来很多缺点和不足，主要表现在:
采用脉冲计数的方式通讯使用的是通讯电缆，电缆具有一定的工作频率上限，当发送的
脉冲频率高于此频率时，通讯将出现不稳定甚至错误的现象。采用模拟接口的通讯方式
则限制于模拟信号和数字信号转换的精度低的缺点。这两种通讯方式的通讯速率和精度
都受限。同时，数控系统中伺服轴数的不断增加，相应地导致运动控制器的通讯接口也
要不断增加，接口要占用更多的空间，使运动控制器的设计构造变得臃肿，通讯连线也
使系统变得复杂，多轴系统的同步精度难以保证。另外采用模拟接口和脉冲接口都无法
实现远距离通讯，噪声容限低。总之，传统的通讯方式已经不能满足现在的加工需求。

1万 · 2020-1-14 10:38

1万 · 2020-1-14 10:39

SERCOS的数据传输主要依靠三部分:发送器、接收器、光纤。发送器和接收器采
用封装在套中的螺纹接头F-SMA，这组收发器完成光信号和电信号的相互转换。发送
器和接收器采用光纤连接，光纤可以用塑料或者玻璃制成，塑料光纤支持节点间的最大
距离是40米，玻璃光纤支持的节点间最大距离是800m o

1万 · 2020-1-14 10:39

SERCOS的信号编码采用的是NRZI，即不归零反相，其原理是:发送时钟到来时，
信号才会发生改变，若要发送“0"，信号在发送时钟到来时反转，反之发送“1"，信号
保持上个周期值不改变。采用NRZI编码格式的优点在于可以在接受的信号中提取时钟
信号，以此来保证环路上所有从站的同步性。

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