应用技术
优质服务基层行基于开放式体系结构的数控机床可靠性及抗干扰设计
廖德岗1
；姚银燕
2
(1.常德师范学院机械工程系,415003;2.沈阳市第二热力公司)
[收稿日期]1999-12-27
[作者简介]廖德岗(1966-)，男，湖南省常德师范学院机械工程系讲师，学士学位，研究方向：数控理论与数控加工技术、
生产过程自动化等。
[摘要] 针对具有开放体系结构的数控机床，详细分析了结构体系的设计、内部各单元之间的联接以及外部电源系统等方面对数控机床可靠性的影响，并从电源的处理、接地与布线、隔离、滤波、屏蔽等硬
件以及软件设计提出了一系列抗干扰的措施。
[关键词] 开放式体系结构；数控机床；可靠性；抗干扰
[中图分类号]T G 659 [文献标识码]A [文章编号]1009-0134(2000)04-0044-04
[Abstract ] Analyzed the influence in detail fo r reliability o f the ar chitecture designing ,the concatenatio n of ev ery cell inside and elect ric sy st em outside ba d on o pen str uct ur e ver al measur es for handling distur ba nces ar e pr opo d w hich in-cludes pow er supply designing ,g ro unding ,electr onic line desig ning ,isolating ,filter ing ,shielding and so ftw ar e desig ning etc.
[Key words ] o pen ar chitecture;N C ma chine to ol;r eliability ;antidistur bance今天是什么考试
0 引言
可靠性是衡量系统性能好坏的一个重要指标，一个控制系统只有在长期稳定可靠地工作前提下才能发挥其各种功能，系统中各装置、模块之间必须严格控制协调一致地工作。对于高度复杂和高度自动化的开放式数控机床来说，人们对其依赖性越来越大，其不可靠和不安全因素会造成自身严重损坏，甚至伤及操作者。影响数控机床可靠性的主要因素是干扰，对于开放式数控机床其可靠性还与结构体系有关。
1 开放式数控机床结构体系的可靠性
设计
基于工业微机的开放式CNC 系统大致可分为4类，即微机连接型CNC 、微机内藏型CNC 、CNC 内藏型微机和全软件型NC ，其中前两种体系结构的原型CNC 改动较少，甚至不加改动，相应开放性程
度有限，系统可靠性较高，但后两种类型的体系结构都难以利用原型CNC 资源，可靠性较差。图1为开放性体系结构的一种典型模型，由系统硬件平台、数字伺服接口、系统软件、现场总线等几个层次构成。基于PC 平台的总线插槽式结构保证了其基本配置和向上、向下扩展的开放性，数字伺服接口保证了本控制器与同层控制器或上层设计规划或车间乃至工厂级网络连接的开放性。
开放式体系结构的模块化、层次化以及基于PC 机的通用软、硬件资源等都是使系统具有可靠性的基本保证。除此以外还可以通过以下几个方面来提高整个体系结构的可靠性。
(1)开放式数控系统通过数字通讯接口(同轴电缆或光缆)和通讯协议控制伺服轴、主轴和PLC I/O 接口等可显著提高系统可靠性。如SERCOS 协议通讯包采用高级设计链路控制规程国际标准(HDLC)，可靠性高。CNC 与伺服驱动模块间用光
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图1 开放式体系结构模型
缆或同轴电缆连接时可使布线少，安装可靠，系统控制与诊断功能丰富，如控制方式切换和伺服参数设定等，便于系统安装与维护，可靠性高。
(2)现场总线采用CANBU S、FF、PROFIBU S 等，尤其在DN C系统中,CAN总线已经成功地被应用，具有高可靠性。CANBU S是多主结构网络，网络上任一节点可以在任一时刻作为主节点向网络上其它节点发送信息，出错的节点能够自动中断与网络的联系，使异常信息及时上报而得以处理，不像BIT BU S为单主结构网络，效率低，且一旦主节点上出故障，整个系统立即瘫痪。从链路规范上看, CANBU S采用CSMA/CD机制，每帧信息都有CRC校验和其它检错措施，通讯的错误处理能力很强。另外CA NBU S接口卡可选用内存映象方式即双口RAM电路与计算机交换数据。
(3)机床I/O信号采用内置式PC总线DI/DO 卡与软件相结合(即软件PLC)来代替传统的PLC，具有通用性好、开放性强、可靠性较高等特点。
(4)设立系统配置管理模块，可使系统按实际情况配置所需数控系统，即加载或卸载软件模块，提供系统缺省设置并建立模块间的连接，提高系统的可靠性。
2 数控机床系统内部可靠性与抗干扰设计
按系统各单元的逻辑关系主要有串联系统与并联系统。串联系统的可靠度为各单元可靠度乘积，显然系统串接单元越多，联接链越长，可靠性越低。而并联系统中多个单元独立完成同一功能，因此从理论上讲并联系统的单元越多，可靠性越高。在系统硬件结构设计时，为提高系统可靠性，常用的方法还有如下几个方面:
(1)容错与冗余设计 通过添加容错元件如RAID(独立磁片冗余阵列)来提高其可靠性。冷备份系统就是一种冗系统，其中1个单元工作，另1个或几个功能相同的单元不工作，只是作为系统的后备，一旦工作单元失效，后备系统立即投入工作，从而保证系统工作正常，但冷备份单元通常是不工作的，一旦发生故障，难以保证及时切换。介于冷备份系统和并联系统之间的热备份系统中，备份单元平时处于待机状态，可保证切换的及时性，可靠性较高。如不间断电源U PS常作为重要场合电力供应的热备份系统。
茂密的近义词是什么(2)设立程序运行监视系统 设立程序运行监视系统即添加看门狗(WATCH DOG)电路，系统正常工作时，每隔一段时间向看门狗电路发出1个信号(喂1次狗)，一段时间不向看门狗发信号，看门狗便发出信号使系统复位，将其挂起来。
数控系统工作时，其系统或装置内部如设计不当也经常会引起干扰，主要是由于系统工艺、结构、线路设计、电源及地线处理不当或元件性能变化而引起的，它包括过渡干扰和固定干扰，过渡干扰是指
逻辑电路在动态工作时引起的干扰，而固定干扰则包括信号线间的相互串扰、长线传输因阻抗不匹配而引起的反射噪声、负载突变而引起的瞬变噪声以及馈电系统的浪涌噪声等干扰形式。这些现象会迫使数据的传输值、指示值或输出值发生瞬态变化，增大误差，出现假象，甚至使装置的局部或整个系统出现异常情况而引起故障。常用的抗干扰设计主要有如下几个方面:
斯的组词
(1)内部电源应具有良好的调整与保护措施 在CNC系统中的计算机电源大多常用多级滤波并用集成电压调整器进行调整，以较好地适应交流电网电压波动，对过电压、欠电压均有一定的保护作用，而且对各控制轴和功能模块采用单独供电方式，以减少各控制轴和各模块之间电压波动的影响。
(2)采用有效的隔离技术 在CNC系统与I/O 通道回路中除滤波环节外，还应有隔离措施，以阻隔
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输入/输出间电气联系，避免或减小干扰信号。常用的有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离等。和CNC 控制系统相联的I /O 端用光电隔离，使I /O 两部分电路地线分开，各自使用自己的电源，单向传递信息，有效防止干扰信号从输出端馈入输入端。和电磁铁及电磁阀相联处用继电器隔离，将电气冲击转变为机械接触。有时在驱动电路中还需要有变压器耦合隔离。竹文化
(3)直流滤波 在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声，如在数字电路中，当电路从一个状态转变为另一个状态时，便会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。利用电容、电感等储能元件可以抑制因负载变化而产生的噪声。一般在各电路板电源的入口跨接内电感小的电解电容和陶瓷电容，对直流电源作高低频滤波。对每一个大规模集成电路芯片电源引角设置滤波电容，对中小规模集成电路可数片共设一个滤波电容。如PLC 的输出负载(如电磁线圈)会产生干扰信号，对直流负载可并接泄放二极管，对于交流负载可用阻容吸收(图2)
。
(a)直流负载 (b)交流负载
图2 PL C 干扰抑制
3 外部干扰与抗干扰设计
(1)电源系统的抗干扰 外部动力电网电压波动对数控机床会产生干扰，一般系统输入的允许变化范围:380V ±15%、220V ±15%，动力电网负载电感引起的干扰对数控机床也会产生影响。实践证明，一般高于100M Hz 的干扰对数控机床的影响较小，而且采用压敏和低通滤波可使频率范围在20kHz ～100M Hz 间的干扰大大衰减，采用隔离变压器可消除20kHz 以下的干扰。交流稳压电源可消除交流电网电压的缓慢变化。图3为两种典型的交流供电系统。
(2)屏蔽 辐射式干扰主要靠屏蔽克服。一是将构成干扰源的器件如驱动电源、变压器、
机柜等屏蔽图3 两种典型的交流供电系统
治疗性病起来，实现静电和磁的屏蔽；另一形式是将控制系统用双层金属作成屏蔽柜屏蔽起来，一层是电导性能好的铝板，另一层是导磁性好的铁板，以防其它设备、高压线、雷电的空中干扰。
(3)合理接地与布线 数控机床的地线形式有多种。系统中小信号回路、逻辑电路以及它们的直流电源所构成的工作地，还有系统中继电器、电磁阀及其驱动电源所构成的功率地，这两者不可混接，另外系统中所有机架、箱体等金属构件组成的安全地应接到大地上，接地电缆应足够粗(A>10mm 2为宜)，一般要求地电阻小于1 。布线时，应使强电和弱电分开，输入线和输出线分开，脉冲线和电平线分开。
输入信号利用金属屏蔽线(如同步信号线)将它们分开后各自用金属蛇形管走线等。外置PLC 除尽量单独供电外，最好也安装专用地线，绝不可与其它设备串联接地。
4 软件可靠性与抗干扰设计
软件的失效曲线可分为两个阶段(图4所示),
前
图4 软件失效率曲线
(下转第58页)
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件编程等整个过程。
采取必要的抗干扰电路，数据脉冲传输电路，加上包括采用软件设计格式化、硬件设计模块化等措施，不仅具有较好的通用性，更重要的是极大地提高了系统工作的可靠性。
我们除选用抗干扰能力强的器件外，在硬件配置与安装上，输入信号光电隔离，提高信号噪声比，模
拟量信号和脉冲信号采用屏蔽线传送，采用接地等措施，有效地消除或减弱了各种干扰。
2 上位机系统软件
上位机控制系统软件包括实时监测、数据查询打印、系统参数设置等子系统，用高级语言编程。
上位机软件由下列模块组成:
2.1 控制与检测
(1)监控中心显示当前的各监控指标 操作人员可从微机上看到远距离现场，库房的实时数据以图形方式显示，显示库内温度、库内湿度、库外温度、库外湿度等数据，空调、除湿器的运行状态等信息。
(2)把下位机已检测的数据接到微机上。
(3)当有危险情况时可紧急切断所有电源，一般情况下会自动切断电源。
(4)介绍系统的使用方法、系统功能及注意事项。
2.2 数据查询及打印
(1)查看或打印每月、每季、每年的温度、湿度走势曲线。
(2)查看或打印每月、每季、每年的温湿度数据报表。
(3)查看任何时间段内的温湿度数据最高值、最低值、平均值及超标天数。2.3 系统设置
(1)为加强系统的适应性，用户可根据已确定的标准，设置(或修改)温湿度的上限与下限。系统中的下位机会自动根据已设定的上、下限开启或关闭空调器与除湿器。
(2)对档案库房的温湿度采样时间进行调整，调整后在新的时间内采样。
(3)修改进入本系统的口令。
(4)对微机的当前日期与时间校准，使监控数据与监控时间建立对应关系。
(5)数据全部初始化清零，当系统开始应用时，数据初始化功能使原来测试的各项原始数据清零。
(6)数据存入软盘，以便长期保存查询。
3 结论
由微机、PLC及传感器为主组成的温湿度测控系统投入运行后，工作稳定、可靠性好、实时性强、数据精度高、抗干扰性能强、使用方便灵活。当微机不进行监控时，下位机可独立工作，提高了微机的
使用效率，对同类系统有一定的参考价值。
[参 考 文 献]
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(上接第46页)
阶段由于设计中残留的逻辑错误，会随软件大量的被使用而逐渐发现和改正，这一阶段持续时间较长。由此可见，要提高软件本身的可靠性，应在进入现场实用之前反复大量调试，使其进入成熟阶段。更重要的是，在软件设计过程中应充分考虑如何利用软件来抵抗干扰。常用的软件抗干扰方法有许多，如重复处理法、软件陷井法、数字滤波法等。在程序中增加软件积分或延时程序还可消除因抖动造成的干扰。
[参 考 文 献]
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闻官军收河南河北诗意
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