基于CAN總線的DNC遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)
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DNC（DistributedNumericalControl）是把車間內(nèi)的數(shù)控機床與上位控制計算機集成，實現(xiàn)加工設(shè)備集中控制與管理的一種方式。這種方式雖然充分利用了設(shè)備的潛力，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，但是對設(shè)備的維護提出了更高的要求。流水線上關(guān)鍵設(shè)備的長時間停機，將會給生產(chǎn)帶來巨大的損失。為了使損失降到最低，應(yīng)該在提高設(shè)備可靠性的同時，對加工設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)控，以便在設(shè)備出現(xiàn)故障征兆時，能及時進行故障處理，縮短故障診斷和維修時間。但是從我國大部分企業(yè)的人員配備模式來看，企業(yè)內(nèi)部用于設(shè)備維護的專業(yè)技術(shù)人員相對較少，不可能在全國各地設(shè)立售后服務(wù)中心，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，由于地域的原因?qū)＜覠o法及時到達(dá)故障現(xiàn)場，也就無法了解設(shè)備當(dāng)時的實際運行情況和現(xiàn)場的基本參數(shù)，這不僅給診斷帶來了困難也給用戶帶來了巨大的經(jīng)濟損失。為此本文提出了基于CAN總線的DNC遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)，并對其體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)作了介紹。
1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
基于CAN總線（TheControllerAreaNet-workFieldbus）的DNC遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)主要由DSP數(shù)據(jù)采集器、上位監(jiān)控機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、企業(yè)Web服務(wù)器、企業(yè)故障診斷中心及遠(yuǎn)程故障診斷中心6部分組成，如圖1所示。
DSP數(shù)據(jù)采集器從傳感器組中采集來自數(shù)控機床的信號（如來自刀具切削振動信號、機床主軸軸承振動信號、液壓系統(tǒng)的溫度等），并進行一系列的信號處理（如穩(wěn)壓濾波、A/D轉(zhuǎn)換等）后，經(jīng)CAN總線送入上位監(jiān)控機（另有一備份冗余監(jiān)控機）。上位監(jiān)控機上的實時在線監(jiān)控系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、實時數(shù)據(jù)的存儲，而且還能通過WinSocket控件與數(shù)據(jù)庫之間進行通信。此外，上位監(jiān)控機還能根據(jù)設(shè)備的加工能力將加工程序經(jīng)過CAN總線及RS232/CAN轉(zhuǎn)換模塊送入不同的數(shù)控機床完成零件的加工;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上安裝了Microsoft公司的SQLServer2000。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)用程序的主要任務(wù)是接收和處理來自上位監(jiān)控機的數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)寫入原始數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在對數(shù)據(jù)進行分析處理后將其寫入SQLServer數(shù)據(jù)庫。當(dāng)流水線上的某一機床出現(xiàn)故障時，將故障時刻的記錄寫入設(shè)備故障狀況表中;Web服務(wù)器是設(shè)立在Internet上的服務(wù)站點，企業(yè)故障診斷中心及遠(yuǎn)程故障診斷中心與Web服務(wù)器之間采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式，所有監(jiān)控、分析、診斷軟件都放在Web服務(wù)器上，并通過Web主頁進行管理。
2遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)
2.1對實時數(shù)據(jù)的采集
本遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)中的在現(xiàn)場設(shè)備級的通信程序中設(shè)置了一些底層函數(shù)供上位監(jiān)控機調(diào)用，以實現(xiàn)DSP采集器與監(jiān)控機的通訊?，F(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集的工作流程是：傳感器信號經(jīng)過必要的穩(wěn)壓濾波，送入ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），并根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的不同需要，若是參考性、資料性信號，就把數(shù)據(jù)存貯起來適當(dāng)?shù)臅r候傳到上位機;若是比較緊急和實時的控制反饋數(shù)據(jù)，比如說機床報警信號，那就及時的傳送到上位機進行處理或用作控制。系統(tǒng)中，各DSP芯片獨自的完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。并可通過上位機下傳數(shù)據(jù)表格的方式靈活的改變傳感器的定標(biāo)系數(shù)，尤其適合于傳感器線性度不是很理想的系統(tǒng)。各DSP的工作狀態(tài)和工作模式由上位機靈活選擇，提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力。
數(shù)據(jù)采集器以DSP芯片-TMS320LF2407A芯片為核心，TMS320LF2407A的ADC模塊帶有內(nèi)置采樣/保持電路的10位ADC，總共有16個模擬輸入通道，可用來實現(xiàn)采集信號的A/D轉(zhuǎn)換。頻率采集則利用DSP芯片所帶事件管理器的捕獲單元完成由于2407A芯片帶有六個捕獲單元，他們在相應(yīng)的捕獲引腳上出現(xiàn)跳變時被觸發(fā)，產(chǎn)生捕獲中斷。TMS320L2407A芯片所帶的數(shù)據(jù)存儲空間只有64K，不能滿足數(shù)據(jù)存儲的容量，因此需要對2407A芯片進行存儲器擴展?？紤]到數(shù)據(jù)量的大小和防止掉電數(shù)據(jù)丟失問題，因此選用256K×16位的FLASH芯片SST39VF400A作為片外擴展數(shù)據(jù)存儲器。
2.2上位監(jiān)控機與數(shù)控機床之間的通信實現(xiàn)
為了減輕現(xiàn)場設(shè)備管理層的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，本系統(tǒng)在監(jiān)控機與數(shù)控機床之間采用雙層CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一層用于加工過程及機床的狀態(tài)監(jiān)測，主要用于DSP采集器中實時數(shù)據(jù)的傳輸;另一層用于DNC操作，DNC操作子層的主要任務(wù)實現(xiàn)NC程序的上傳和下載、NC程序的編輯及加工工藝信息的讀取等，它通過CAN總線及RS232/CAN轉(zhuǎn)換模塊送入不同的數(shù)控機床完成零件的加工。
（1）采集器中實時數(shù)據(jù)的傳輸
TMS320LF2407A帶有標(biāo)準(zhǔn)的CAN控制器，可以很方便的組成現(xiàn)場級設(shè)備網(wǎng)。TMS320LF2407A上的CAN控制器完全支持CAN2.0B協(xié)議，其數(shù)據(jù)幀格式有：標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀兩種不同的幀格式，前者為11位標(biāo)識符，后者有29位標(biāo)識符。由于在實際控制中DSP控制器的上傳數(shù)據(jù)僅為32位數(shù)據(jù)（包括控制器標(biāo)志符等信息），因此本系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。在實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)下層的控制器向上位機的傳遞數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于上位機下傳的數(shù)據(jù)量，因此在數(shù)據(jù)編碼時將控制信息、采樣數(shù)據(jù)編號信息和控制量、采集量均加載在數(shù)據(jù)字節(jié)里。由此CAN總線通訊協(xié)議的形式為：“ID號+數(shù)據(jù)+校驗”，其中ID號為各DSP采集器編號，采用11位標(biāo)識符的前4位。為了保證通訊的可靠性，在數(shù)據(jù)接受后，都由一個返回幀來表示確認(rèn)，其校驗位（占一個字節(jié)）為發(fā)送端的固定代碼。
CAN通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計中，對于接受采用中斷的方式，要求系統(tǒng)對于接受到的數(shù)據(jù)必須馬上處理，以提高系統(tǒng)的實時響應(yīng)特性，其程序流程圖見圖2。DSP上傳實時采集數(shù)據(jù)的發(fā)送采用定時查詢的方式，查詢ADC采樣是否結(jié)束并且進行了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，立即將數(shù)據(jù)通過CAN控制器裝載并發(fā)送到CAN總線上。
（2）CAN總線及RS232/CAN轉(zhuǎn)換模塊
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