毕设外文翻译

基于工业以太网透明模型的分层实时网络化数控系统

摘要：鉴于工业以太网在市场中日益增加的重要性，基于工业以太网透明模型的网络化数控系统也变得迫切需要。出于这样的考虑，本文设计了一种基于以太网或因特网的分层实时化网络，称之为RNH-CNC。为了评估其的工作表现，对其进行了一些试验并分析了试验结果。从结果中表明基于实时以太网的水平交流领域符合硬件的实时任务要求，并且在转换后的以太网上，数控服务器电脑和数控子电脑间的通讯也符合软件的实时任务要求。试验结果证实了基于工业以太网透明模型的数控系统的可靠性。

关键词：数控 网络 实时 工业以太网

1.内容介绍

随着信息科学的发展，网络化数控系统需要有以下两个特征：

（a）远程的过程。基于因特网和局域网（LAN）的数控系统能够实施远程操作，如远程设计，远程管理，远程监测和远程错误诊断。

（b）基于现场总线技术的现场设备控制。通常应具备高速现场总线技术的设备实时控制。

为了支持网络化数控系统，很多种办法都进行了试验。具体而言，许多文献都专注于现场总线技术，提出了一系列的可行方法[1, 2, 4, 5,9–11, 15]，这些方法都是基于一些特别的总线技术，如CAN,Profibus,SERCOS。而且，随着以太网的发展，一些文献提出了以太网和RS232交织的方法来解决数控系统的方案[3, 8]。

近年来，以太网技术迅速发展，由起初的10Mbps提速到现在的10Gbps，因此，相比较于现有的特殊总线技术，以太网在速度方面有很大的优势。举例来说，10Gbps的以太网的速度是12Mbps的PROFIBUS_DP的830倍，对于1Mbps的CAN则是其的10000倍。根据ARC（美国官方调查组织）的报告可知，工业以太网将会带动总线技术的发展，而且其可能会改变工业控制的网络标准，由此看来，把工业以太网引入到网络化的数控系统中将会成为数控系统发展的新方向。

现在，有少数研究部门正在致力于工业以太网关键技术的研究，以太网在工业方面的应用主要有两种应用模型[7]。一种是交叉模型，通常用于上层和商业以太局域网间的通讯，然而低层仍然使用低速的特殊总线。有一些运用这种模型的研究如Profinet, Modbus TCP/ IP,Ethernet/ IP, 和ILon。这种交叉模型的动机主要在于使每个总线制造系统和商业以太网的特殊总线联接起来，是一种折中的方案。这些联接都基于IEEE802接口技术和TCP/IP通讯协议，然而应用层间的协议各种各样，用于联接特殊总线和以太网的关键技术也不是很普遍。因而这些特殊的技术和纷杂的应用层协议制约了特殊总线技术的普遍使用。

另一种就是透明模型了，它在各层次（从上层到下层）采用了以太网及英特网的技术。这是一种对于工业以太网的彻底解决办法，然而这种办法还存留一些困难的问题。主要问题在于工业控制以太网实时性能的改进。为了解决此问题，关于透明模型的主要研究作重于以下两个方面。一是对于转换以太网的研究，另一种是实时控制协议的研究。尽管对以太网的一些问题已经取得了一些成果，但是在实际应用方面还有很长的路要走。

本文中，通过对数控系统特征的虚拟评估，我们提出了一种基于工业以太网透明模型的分层实时化、网络化数控系统（RNH-CNC)。余下全文是这样编排的：第二部分介绍了RNH-CNC系统的格局；第三部分描述了RNH-CNC系统的安装启动；第四部分是关于实验和评估的；最后，第五部分我们给出了结论。

2.RNH-CNC系统的格局

2.1网络和硬件格局

RNH-CNC系统的格局分为四层（如图1所示）：最底层（第一层）是现场设备（像SWERO,I/O)，第二层是数控子计算机，第三层包含数控服务器计算机和其他的一些系统（像CAD和

CAPP），最高层是基于英特网的网页浏览计算机[1]。从高层次到低层次的网络分别为非实时英特网、软件实时以太网、硬件实时以太网。

图1

2.2软件格局

RNH-CNC系统的软件格局如图2所示。它也分为四层：基于英特网的远程过程、数控服务器、数控子系统和现场设备控制。

远程过程包含远程设计、远程管理、远程错误诊断、远程测试和控制等。

数控服务器包含以下功能：

(a)CNC人机交互（HMI）：为了能够执行测试、控制、参数管理、过程信息显示、刀具轨迹 显示和更新的人机交互。

(b)网页服务器：为了提供英特网的网上服务，包含了网络服务的设计、管理、错误诊断、测试和控制。

(c)以太网的软件实时（SRE)交互：为了提供以太网上数控服务器和数控子系统的软件实时数据交换。

子数控系统包含计算机数控子系统的功能、软件实时数据交互（SRE交互）和硬件数据实时交互。

(a)计算机数控子系统功能：为了能够执行计算机数控系统的子功能。大多数的功能是实时过程，因此要求系统能够反映迅速。数控子系统功能包括中断响应、位臵控制、PLC、子系统中断、刀具补偿、运动控制、等等。

(b)以太网软件实时交互：为了提供数控服务器和数控子系统间的以太网软件实时通讯功能。 (c)以太网硬件实时交互：为了提供数控子系统和现场设备间的以太网硬件实时交互功能（如servo、I/O）。

图2

现场设备控制包括以太网硬件实时交互（数控子系统和现场设备之间）和其他设备过程

3.分层实时网络的执行

3.1基于英特网的远程诊断、监测和控制

通过英特网上的远程诊断、监测和控制功能，工程人员能够远距离的诊断机器问题，或通过英特网来控制机器的测试和运行。工程分析和决策所需的数据有机器状况、运行日志、系统参数、和一些其他的信息，都必须由数控服务器来提供，因此，数控服务器和因特网用户间的信息传递就必须执行。执行步骤如下：

(a)选择合适的系统开发网页，如,来发展网络服务器的应用。随着系统的开发，应用方面就能够从数据库中获取机器的状况信息、运行日志、系统参数、专业知识、理性的规律。

(b)确定OS参数，启动网站服务器。

(c)公开服务器的地址，这样，工程人员就能够通过网页浏览器实现远程错误诊断，远程测试和控制，如IE浏览器。

这些远程过程是经过英特网来实现的，因此这是非实时通讯。

3.2数控服务器和子系统间的软件实时通讯

3.2.1网络连接

数控服务器和子系统间的通信是基于以太网的。然而，众所周知，传统的以太网并不适合实时通讯，因为它的最大传送潜伏期是不能被限定的，这是由以太网的CSMS/CD的机构决定的。传统共享式以太网的路由器是一个中心，中心的结构为物理层的反映，它发送从各端口之间采集的数据，路由器可能会造成抵触问题或产生不可判断的延迟。为减少抵触，我们设计了一种转换型的以太网，它采用转换器来连接各网络节点。转换器的设计思想是控制许多端口的一个模子转换器和隔离每个端口的信息。进入转换器的数据仅被送往相应地址的端口处。数据的输入输出也不再遵循CSMA/CD规则了。转换器的优点在于使抵触区域分隔成一个由端口组成的隔离区，这样网络就变小了（每个端口就如一个节点），可以完全独占共享的通路。第二个优点是所有的端口同时可以形成一个复合通道，这样连续传输变成了平行传输。而且同时网络带宽和抵触问题被有效的解决了，并符合软件实时通讯的要求[7.12]。因此可以选择转换型以太网来设计RNH-CNC的软件实时通讯。网络连接如图3所示。

图3

3.2.2通讯流程设计

当需要在不同的平台进行数据交换时，可以选择符合所有平台的标准通讯协议API。举例说明，Socket API是一种很多平台都支持标准应用程序界面，如Windows和Linux操作系统都支持[14]，因此API可以运用于数控服务器和数控子系统间的信息交流应用开发，其通讯流程图见图4。

数控服务器的流程循环如下：

(a)设计一个接口。

(b)建立一个连接。

(c)发送数据块（无效、文件块、命令或数控代码单元储存格）到数控子系统。

(d)接收从数控子系统发出的数控状况数据。

(e)同步休眠。

(f)循环至(c)。

图4

数控子系统流程循环如下

(a)设计一个接口。

(b)捆绑上局部地址和端口。

(c)监听通讯线路。

(d)获取。

(e)接收并处理数控服务器发来的数据块。

(f)向数控服务器发送数控状况数据。

(g)同步休眠。

(h)循环至(d)。

3.3数控子系统和现场设备间的硬件实时通讯

虽然网络带宽和抵触问题都已经在转换型以太网中得到有效的解决，但是其存储空间和传输过程可能会造成数据丢失或很大的延迟（大于30μs）。因此它并不能满足实时决策应用的严格运行期限要求。然而，用实时控制协议改进后的传统以太网是很适合这些应用的，所有这里就选择它来设计RNH-CNC的现场网络。网络拓扑图如图5所示（主机是数控子系统，附属的是其他的现场设备）。

图5

有一些技术可以用来解决通讯即时决策问题，像时间时段抵触避免和测试抵触避免，这些技术可以使以太网数据抵触的可能性将至零来避免非决策性的因素。这里采用了时间时段抵触避免法，传送过的循环数据分为3类：Syn（主机同步性），SD（分机数据）和MD（主机数据）。通讯循环见图6。

图6

一个循环的通讯步骤如下所示：

(a)主机发送同步数据到所有分机来确认一个循环的开始。

(b)分机1在一个时间时段内发送SD1数据(像实际位臵、速度、转矩或力、警告信号、诊断信号、状态告知收到信号、PLC的输入、伺服机构参数和电机参数）到主机（从t1 开始）。 (c)分机2在它的时间时段内向主机发送SD2数据（从t2开始）。

(d)……

(e)分机n在它的时间时段内向主机发送SDn数据（从tn开始）。

(f)主机在它的时间时段（从tmd开始)里向所有分机发送MD数据（像位移、速度、力矩和力、样式、PLC输出、伺服参数和电机参数），每个分机都能在其规定的位臵得到它自己的数据）

4.实时性能的实验和评估

4.1数控服务器和数控子系统间的软件实时通讯

为了评估数控服务器和其子系统间的软件实时通讯性能，我们进行了一些测试。试验机包括一个100Mbps的转换器和16个节点，转换器位于中间位臵，它连有16个网络节点，其中包含一个数控服务器和15个数控子系统。主要配臵见表1.

表

1

实验中从数控服务器到数控子系统的数据结构如下：

struct nc_net_data

//Data structure for file block, command,and NC code

cell transported from NC server to NC core

{

Bit32 Flag;//transfer content type

Bit32 dword0; //control flag, file new or old, or first data

Bit32 dword1; //file flag, command type, or second data

Bit32 dword2; //file name size, cell number, or third data

Bit32 dword3; //file data size, size of a cell, or fourth

data

union DataBuffer{

struct CharData

{

char dataBuf1[40]; //file name, or first buffer unit

char dataBuf2[1024]; //file content, or second buffer

unit

}String;

struct LongData

{

Bit32 databuf[300];

}Data;

}buf;

};//1220Bytes

从数控子系统发送到数控服务器的状态数据结构如下：

#define AxisNumMax 9

struct nc_status_data{

Bit32 command_pos[AxisNumMax];

Bit32 actual_pos[AxisNumMax];

double command_vel[AxisNumMax]; // Velocity

double actual_vel[AxisNumMax];

float feed_speed;

char message_buf[1024];

struct NC_EVENT event_buf;

struct ERROR_MSG err_buf;

int mode,status;

int free_buf;

int current_feature;//thread,line,dot line,color

Bit32 current_gcode_row,current_o_num;

};//1303 bytes

struct NC_EVENT{

long msgtype;

unsigned char sentry;

int used;

};

struct ERROR_MSG

{

Bit32 err_no;

Bit32 err_next;

Bit32 err_last;

Bit8 err_msg[ERROR_STRING_LEN];

};

为评估其性能，重复运行3.2.2中流程，在数控服务器和数控子系统间传递数据

（1220bytes数控网络数据和1303bytes数控状态数据）。记录在一个时段交换内（在数控服务器上要求发送函数和接收函数的时间差）所花费的时间，并采集了1 ,000,000的样本。这些样本的平均值为41ms，并且最大值小于78ms，这满足数控服务器和数控子系统间软件实时要求。

4.2数控子系统和现场设备间的硬件实时通讯

为评估数控子系统和现场设备间硬件实时通讯的性能，在一个试验机上也进行了一些实验。试验机包含一个100Mbps直通转发的中心和16个节点。中心位于中间位臵，它连接了16个网络节点，其中模拟了一个数控子系统计算机和15个现场设备。主要数据见表2.

表

2

从数控子系统到现场设备的数据结构如下：

struct nc_commad

{

Bit8 command_ type;

Bit64 parameters;

};//9Bytes

struct nc_status {

Bit32 actual_pos;//4bytes

double actual_vel;//8bytes

//expansion part

};

typedef struct nc_command MD[AxisNumMax];

typedef struct nc_status SD;

这段流程的程序代码见3.3，它由Socket API写成。九个情况包括了为表3第一列的不同循环数据的大小和表3中第二列的轴线数。在不同的情况下数据重复交换，记录其时间间隔和完成一个循环通讯的时间。统计结果见表3。为便于分析结果，表3中也同时列出了统计的时间间隔和循环次数及其计算结果。为计算时间间隔和循环时间，我们定义了以下条目： tc 一个循环通讯的时间（μs）

Nases 轴线的数目

c 带宽（Mbps）

lmd MD的长度（bytes）

Lsd SD的长度（bytes）

tm MD结构发送延迟（μs）

ts SD结构发送延迟（μs）

wm MD结构传送延迟（μs）

Ws SD结构传播延迟（μs）

lhead TCP/IP/Tthernet长度（bytes）

lpre 以太网结构长度（bytes）

lmin 以太网结构的最小长度（bytes）

Ssyn 同步时间间隔（μs）

Ssd SD的时间间隔（μs）

Smd MD的时间间隔（μs）

表3 实验结果

一个循环通讯的循环时间可以用以下公式计算：

从表3可知，记录的时间间隔和循环次数都比理论的计算值大多了。通过分析TCP/IP协议和在实验中用的Linux/PTAL操作系统的运行机理，我们发现实验中所使用的TCP/IP协议是一种笨重的协议，因为它的过程和缓冲数据导致了很大的延迟。然而，在实践中，我们能够采用简化TCP/IP协议或使用以太网交互卡（NIC）略过TCP/IP层来直接传输数据，这样可以减少有数据缓冲和过程的延迟。

5.结论

为满足网络CNC系统的要求，本文提出了一种基于工业以太网透明模型的分层实时网络化数控系统，这也许会对下一代网络CNC系统的研究提供一定的参考价值。

说明 在此真心感谢华中科技大学，感谢华中大学数控研究院对本文的支持。同时，也要感谢桂林电子科技大学的D200328工程和中国广西省教育委员会对本项工作的支持。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kw5j.html