以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字接口技術(shù)分析
2018-4-3 來源：通遼市高級技工學(xué)校 作者： 黃傳梅
摘要:以太網(wǎng)具有低成本、穩(wěn)定性高且應(yīng)用廣泛等特點、作為通信領(lǐng)域的事實標準、以太網(wǎng)技術(shù)成熟且穩(wěn)定性高、適用于數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字接口標準數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化發(fā)展對數(shù)字接口網(wǎng)絡(luò)有了更高的要求、本文主要針對以太網(wǎng)在數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字接口中的應(yīng)用、提出了以太網(wǎng)對解決數(shù)控系統(tǒng)問題的相關(guān)方法。
關(guān)鍵詞:以太網(wǎng) 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)字接口 實時通信 同步
1、基于以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)存在的問題
基于以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)主要面對同步性、實時性和可靠性問題，以太網(wǎng)在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，但很多的應(yīng)用主要采用以太網(wǎng)硬件實現(xiàn)工廠級和現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)連接，以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用在運動控制中仍然以現(xiàn)場總線應(yīng)用為主，并未實現(xiàn)真正的以太網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)中一般將傳輸信息劃分為確定性信息和非確定性信息兩種，其中確定性信息主要指插補命令、機床狀態(tài)和周期性位控等周期性實時信息傳輸，非確定性信息指故障報警、文件下載等突發(fā)事件和非實時性信息。數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸要求根據(jù)周期信息時間確定性通信問題、突發(fā)信息的實時傳輸問題、信息共存問題和各單元之間的周期同步問題等，提高系統(tǒng)的同步性、實時性和可靠性。
數(shù)控系統(tǒng)中各通道間的協(xié)同、插補軸之間的聯(lián)動對信息傳輸時間的同步性要求較高，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)采用集中控制模式，各個進程可以通過系統(tǒng)的全局時鐘獲得時間，以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)通過系統(tǒng)內(nèi)的多個節(jié)點獲取時間，但節(jié)點存在物理上的分散性，因此以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)不能采用全局時鐘，系統(tǒng)內(nèi)的各節(jié)點依靠本地時鐘運行，但本地時鐘的運行環(huán)境和速率不一致，再加上以太網(wǎng)固有網(wǎng)絡(luò)的延遲和傳輸不穩(wěn)定性，導(dǎo)致各節(jié)點的傳輸時間差異較大，對數(shù)控系統(tǒng)的性能也有較大影響。
實時性問題是指控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度滿足系統(tǒng)要求，控制指令沒有延遲且能在規(guī)定時間內(nèi)完成系統(tǒng)任務(wù)等，數(shù)控系統(tǒng)在進行位置控制時實時性要求較高，且針對不同場合和不同層次有不同的實時性要求。以太網(wǎng)作為一個非實時網(wǎng)絡(luò)，其固有網(wǎng)絡(luò)傳輸不確定性對系統(tǒng)有較大影響，需要針對以太網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字接口技術(shù)研究實時性問題。
數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)故障會造成很大的損失，應(yīng)根據(jù)以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)字接口研究系統(tǒng)的可靠性問題，最初研究的以太網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)可靠性問題的關(guān)注不高，且網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力較弱，應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)時，要求以太網(wǎng)具有更高的可靠性、網(wǎng)絡(luò)診斷和恢復(fù)能力，以保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生故障時系統(tǒng)仍然可以正常運行，保證系統(tǒng)的同步性和實時性，因此基于以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)的性能應(yīng)以可靠性研究為前提，提高數(shù)控系統(tǒng)的自動修復(fù)能力和抗干擾能力。
2、基于以太網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)的全數(shù)字接口分析
將以太網(wǎng)引人數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控系統(tǒng)各個層次統(tǒng)一的數(shù)字接口可以解決數(shù)控系統(tǒng)開放性。數(shù)字化、高速化和網(wǎng)絡(luò)化等問題，接口協(xié)議層通過標準以太網(wǎng)基礎(chǔ)上改造的以太網(wǎng)數(shù)字接口，可實現(xiàn)運動控制和執(zhí)行協(xié)議層之間的實時通信，同時支持邏輯控制協(xié)議層和執(zhí)行協(xié)議層之間的同步實時通信，以太網(wǎng)本身作為高速率的全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，通過提高其同步性、實時性和可靠性，可以實現(xiàn)高速高精運動控制數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)是目前最為開放的網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)成熟且應(yīng)用廣泛，通過以太網(wǎng)連接數(shù)控系統(tǒng)中的各項模塊可實現(xiàn)模塊重構(gòu)、互換和裁剪等工作，利用以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字接口技術(shù)可以更好的提高系統(tǒng)的開放性和穩(wěn)定性，且以太網(wǎng)的硬件和軟件間隔便宜、具有較高的穩(wěn)定性，采用以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)全數(shù)字接口技術(shù)不僅能提高系統(tǒng)的開放性，還可以有效降低系統(tǒng)的控制成本和生產(chǎn)成本。以太網(wǎng)的全數(shù)字接口主要采用的是以太網(wǎng)硬件和 MAC層協(xié)議，在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的通信協(xié)議和通信軟件，具有更好的同步性、實時性和可靠性。
隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，單一的操作系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)任務(wù)要求，根據(jù)特征尺度的層次化思想，在以太網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上的體系結(jié)構(gòu)具有多處理器的特點，根據(jù)時間尺度、空間尺度和邏輯尺度的問題，可在數(shù)控系統(tǒng)軟件體系中實現(xiàn)多種操作系統(tǒng)運行，構(gòu)建層次化的多操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，例如WINDOWS操作系統(tǒng)在用戶界面協(xié)議層基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)人機界面、任務(wù)管理等功能;運動控制協(xié)議層根據(jù)RT-Linu}可實現(xiàn)高實時性要求的運動控制功能。以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字接口技術(shù)可基于特征尺度的層次化體系結(jié)構(gòu)，在硬件上實現(xiàn)多處理器融合重構(gòu)，軟件上實現(xiàn)多操作系統(tǒng)，以滿足數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的需求。
以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可將W INDO WS操作系統(tǒng)作為人機交互界面，采用RTLinux系統(tǒng)作為內(nèi)核操作系統(tǒng)，以提高數(shù)控系統(tǒng)的實時性，實現(xiàn)多操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。以太網(wǎng)開發(fā)的全數(shù)字接口協(xié)議可以利用廉價的以太網(wǎng)芯片期間，構(gòu)建高速化、高響應(yīng)的全數(shù)字接口，在數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用中可以大大提高系統(tǒng)的開放性和可靠性。
3、結(jié)語
以太網(wǎng)的迅速發(fā)展使其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逐漸完善，得到了廣泛的應(yīng)用支持，雖然以太網(wǎng)在商業(yè)用途上取得了較大的成功，但在工業(yè)應(yīng)用中仍然存在較多缺陷，對以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字接口技術(shù)的研究應(yīng)從多個方面展開，提高系統(tǒng)的可靠性、實時性和同步性。以太網(wǎng)作為高速率的全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，將其作為數(shù)控系統(tǒng)各個層次的數(shù)字接口展開研究，對解決數(shù)控系統(tǒng)實際應(yīng)用中的相關(guān)問題、提升系統(tǒng)的整體性和開放性有積極意義。
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