一、引言
开放式数控系统已经成为国际先进的工业机器人和数控机床控制系统的主流体系结构。其软硬件平台具有互换性、互操作性、可移植性、可扩充性和可配置性等重要特性，具体表现如下：
(1)硬件平台，用户可以在较大范围内根据需要选择和配置硬件，如：主轴轴数、伺服轴数和PLCIO点数等；
(2)系统软件平台，用户可以在开放式环境下扩充系统的功能，例如开发最适合自己用途的人机界面、或者利用标准NC控制功能开发自己的专有控制功能；
(3)应用软件，系统能够直接运行其他标准的应用软件，如CAD、数据库等，利用现有软件开发出最佳满足自己产品要求的控制系统。
如何评价一个控制系统的开放性，很难给出一个具体的参数指标。北京航空航天大学数控伺服技术实验室根据多年在开放式数控系统领域的研究成果和经验，总结归纳出这样几点：
(1)能否在现有平台上开发出特殊控制功能或新的控制系统；
(2)由谁来实施开发工作（数控系统生产厂或机床厂）；
(3)需要耗费多少时间和人力。
综合考虑上述3点，即可对一个控制系统的开放性水平做出一个总体评价。
二、基于现场总线的开放式数控系统
随着智能化数字伺服装置的出现，将现场总线技术引入伺服系统，使每个外部设备都成为现场总线通讯网络中的一个节点，控制单元通过现场总线与数字伺服、PLC-IO和传感器进行实时的数据交换，从而构成了基于现场总线的数控系统。基于现场总线的数控系统硬件体系结构进一步加强了数控系统的开放性，具体优点如下：
(1)系统硬件扩展方便，当控制轴数和IO点数增加时，对数控系统硬件结构没有影响，便于控制系统的扩充和裁减；
(2)控制功能分散化，减轻了控制单元的控制任务，降低了软件的开发难度和对硬件的依赖程度，便于实现全面开放的数控系统；
(3)实现了分布式的电机控制，可以大大减少电缆连线，便于安装维护；
(4)用数字信号取代模拟信号，提高了系统的可靠性和控制精度。
目前，常用于数控系统的现场总线协议有SERCOS、PROFIBUS-DP等。数控系统对现场总线的性能要求如下：
(1)总线传输的实时性。控制计算机能够以固定的控制周期向伺服系统发送控制指令(通常为1ms～10ms)。
(2)命令执行和状态反馈的同步性。为了达到各坐标轴的同步运动精度，需要各轴在收到命令值之后必须在同一时刻同时执行位置控制指令和同时采样当前位置，发送给控制计算机。
本文详细介绍了国际上流行的用于数控系统通信的现场总线协议SERCOS、PROFIBUS-DP、CClink以及MACRO，并分析了其应用状况。
三、SERCOS协议
SERCOS(SErialRealtimeCOmmunicationSpecification)是一种专门用于数字伺服和传动系统的现场总线接口和数据交换协议，能够实现工业控制计算机与数字伺服系统、传感器和可编程控制器IO口之间的实时数据通信。1995年SERCOS接口协议被确立为国际标准IEC61491，成为目前专门用于数字伺服和传动数据通信的唯一国际标准。
SERCOS接口由一个主站（Master）和若干个从站（Slave，1～254个伺服、主轴或PLC-IO）组成，各站之间采用光缆联接，构成环形网，见图1。站间的最大距离为80m（塑料光纤）或240m（玻璃光纤），最大从站数为254，数据传输率为2Mbit/s到16Mbit/s。SERCOS协议通信数据包采用高级数据链路控制规程国际标准（HDLC），其格式如图2。协议共定义了3种数据类型：
(1)主站同步电报MST
由主站以固定周期发向所有从站，表示一次通信周期开始，所有从站都将接收到本数据，主站通过MST数据控制SERCOS接口的同步运行，实现命令执行和状态反馈的同步性；
(2)伺服电报AT
由各个伺服从站发往主站，可将多种伺服信息实时反馈给主站，如：伺服轴实际位置、转速、扭矩，报警信号，诊断信号，状态应答信号，伺服参数和PLC输入状态等。
(3)主站数据电报MDT
由主站广播发给各从站，向从站发出控制指令，如：伺服轴指令位置、转速、扭矩，工作方式选择，行程极限，速度极限，扭矩极限，电机参数，伺服参数和PLC输出等。各个从站均能接收到此电报，并在预先约定好的位置找到各自的数据。
图3为SERCOS系统的工作时序，周期时间Tscyc为0.062，0.125，0.25，0.5，1，2，3，…，65ms可选，主要取决于控制方式和从站数量。 SERCOS协议采用时分多址TDMA工作方式，在周期性运行阶段，主站以固定的周期广播发送主站同步电报MST，表示一个通讯周期的开始。所有从站将同时接收到MST，并以此为基准，在预定的时刻T1.x发送伺服电报ATx给主站。在T2时刻，主站广播发送主站数据电报MDT给各从站。MDT中包含了给所有从站的指令数据，由从站到指定位置读取各自的数据。
SERCOS协议是专门为CNC与数字伺服通信定义的接口标准，性能优越，大量地应用于高档数控机床、机器人控制和大型的工业设备中。但是其通信基于专用芯片，使用费用较高，而且控制系统和伺服系统的软件开发工作量很大，制约了它在中低端控制系统中的应用。
四、PROFIBUS-DP协议
PROFIBUS是由SIEMENS公司推出的一种开放式的现场总线协议，广泛地应用于工业自动化控制领域，并于1999年成为现场总线国际标准IEC61158中的8种类型之一。PROFIBUS-DP是PROFIBUS协议的一个子集，用于工业现场的中央控制器（如可编程序控制器PLC/PC）同分散的现场设备（如I/O、驱动器、阀门等）进行通信。
PROFIBUS-DP的传输介质有RS485双绞线、双线电缆和光缆，波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。它使用总线型的拓扑结构，支持单主或多主系统，图4为一个单主站系统示意图。总线上最多可以有126个站点，总线存取控制方式为主站之间的令牌传递和主从之间的轮询（点对点）或广播（全局控制）。每个DP从站的输入和输出数据最大为246个字节，数据帧结构如图5所示。
PROFIBUS-DP协议在应用于传动技术设备时遵循PROFIDRIVE行规。PROFIDRIVE行规中的运动控制扩展特性包括以下3点：
(1)定义了可配置的等距的DP通信周期TDP；
(2)DP主站通过发送全局控制数据帧来周期性地同步各从站，实现命令执行和状态反馈的同步性；
(3)当主从通信出现短暂的失败之后，从站可以自动维持内部时钟。
PROFIDRIVE所定义的DP通信周期如图6所示。每个通信周期以全局控制数据帧GC的发送完成开始，首先进行周期性数据交换，主站通过轮询各从站来发送命令数据，并读取反馈数据，如图中的Dx。周期性数据交换在TDX时刻结束，之后如果主站的令牌持有时间还没有超出，则可以进行非周期数据交换DPV1，在RES时段，主站将令牌发送给自己，为下个通信周期做准备。控制单元在TDX之后的TM时刻计算下个周期的命令值。各从站在TDX之后的TO时刻同时执行本周期收到的指令，并在TDP之前的TI时刻同时读取驱动器的实际值，准备在下个周期反馈给主站。TMAPC是控制单元数控软件的位置控制周期，一般等于TDP。
PROFIBUS-DP主要用于SIEMENS公司的PLC、变频器以及数控系统中，如840Di数控系统。
由于SIEMENS公司的强力推广而使PROFIBUS得到了广泛的应用，很多公司都推出了支持PROFIBUS-DP的产品。
五、CC-link协议
CC-link是Control&Communicationlink（控制与通信链路系统）的简称。1996年11月，以三菱电机为主导的多家公司第一次正式向市场推出了CC-link这一全新的多厂商、高性能、省配线的现场网络。
CC-link物理层使用RS485接口协议，波特率从156kbps到10Mbps可选。CC-link网络由1个主站和最多64个子站组成，如图7所示，它们采用总线方式通过屏蔽双绞线进行连接。网络中的主站由三菱电机FX系列以上的PLC或计算机担当，子站可以是远程I/O模块、特殊功能模块、带有CPU的PLC本地站、人机界面、变频器、伺服系统、机器人以及各种测量仪表、阀门、数控系统等现场仪表设备。总线长度随波特率的增加而缩短，不使用中继器时最大传输距离从100m到1200m。
CC-link数据帧符合高级数据链路控制协议（HDLC），格式如图8所示。远程I/O、远程寄存器数据用于远程设备的循环传输，而瞬时信息用于主站和本地站、智能设备站之间的瞬时传输。
CC-link采用广播－轮询的方式控制总线存取，通信周期如图9所示，主站将刷新数据（远程输出RY、远程寄存器输出RWw以及瞬时信息）发送到所有从站，各从站都可以在此数据包中找到自己的数据，此广播数据包同时轮询从站1；从站1对主站的轮询做出响应（返回远程输入RX和远程寄存器输入RWr），同时将该响应告知其它从站；然后主站轮询从站2（此时并不发送刷新数据），从站2给出响应，并将该响应告知其它从站；依此类推，循环往复。链路的最小扫描周期为1.1毫秒，随着站点的增加，扫描周期加长。在10M波特率时，扫描2048个IO点需要4毫秒的扫描周期。
CC-link主要应用于三菱电机的PLC、变频器产品，如Fr-A500系列变频器，以及三菱的MELDASC6和C64数控系统，也得到了一些汽车制造商的支持，但是它并不是一种国际标准，而且协议不公开，必须加入CC-link协会才能得到详细的协议规范，这大大地限制了CC-link的推广使用。
六、MACRO
MACRO（MotionAndControlRingOptical）是美国DeltaTau公司为运动控制系统开发的以光纤或双绞线为介质的高速通讯协议，波特率高达125Mbps。MACRO为多主环状拓扑结构，如图10所示。其中主节点可以是CNC装置、运动控制器等，从节点可以是数字伺服、I/O装置、PLC或其它装置。每个环路最多可以有16个活动的主节点和224个活动的从节点，但每个环的多个主节点中只能有一个同步主节点，协调整个网络的运行。各节点在环路中可以任意排列。
MACRO协议的数据包格式如图11所示，每个数据包由12个字节组成，其中有9个字节的有效数据，可以传输位置、速度、扭矩、相电流和PWM命令值等。
MACRO网络的通信由预定义的同步主节点周期性地发起，周期通常为100微秒，如图12所示。在每个通信周期，每个主节点轮流给自己的从节点发送数据，并接收从节点的反馈数据。主节点之间通过传递权标来获得总线的控制权。主节点和从节点的数据交换是通过传递数据寄存器的形式进行的，从节点接收到主节点数据包之后，如果目的地址匹配，则将数据接收到从节点的接收寄存器，同时用反馈数据替换数据包中的命令数据，并继续传递数据包。数据包返回到发送主节点之后，就完成了一次数据交换。地址不匹配的主节点和从节点只是转发所接受到的数据包。所有主节点的数据交换都结束后，总线权标又传递给同步主节点以发起下一个通信周期。MACRO通信周期非常短，没有同步数据包同步各从站的运行。
MACRO总线具有连线简单、支持多主机、高速等优点，但是它不是国际标准，支持该协议的产品和厂家较少。
