外文翻譯--基于工業(yè)以太網透明模型的層次實時網絡cnc系統(tǒng)

1、<p>　　畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　系　　部： 機械工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 機械工程及自動化 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號：

2、 </p><p>　　外文出處： Int J Adv Manuf Technol(2007) </p><p>　　DOI 10.1007/s00170-006-0676-2 </p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　注：請將該封

3、面與附件裝訂成冊。</p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　基于工業(yè)以太網透明模型的層次實時網絡CNC系統(tǒng)</p><p>　　摘要 隨著市場上工業(yè)以太網的重要性日益增加，人們急切的需要基于工業(yè)以太網透明模型的網絡化CNC（計算機數字控制）系統(tǒng)。為了實現這一目標，本文設計了一種基于以太網/因特網的層次實時網絡，叫做RNH-CNC。為評估其

4、性能，進行了一些實驗，并對結果作了分析。結果表明基于實時以太網的現場層通訊能滿足硬件實時任務的要求?；诳砷_關的以太網的NC服務器計算機和NC核心計算機之間的通訊也達到了軟件實時任務的要求。結果證明基于工業(yè)以太網透明模型的CNC系統(tǒng)是可行的。 </p><p>　　關鍵字 CNC 網絡 實時 工業(yè)以太網</p><p>&

5、lt;b>　　1. 引言</b></p><p>　　隨著信息技術的發(fā)展，網絡化CNC系統(tǒng)有兩個特點[6]:</p><p>　　(a) 遠程作業(yè)處理?；谝蛱鼐W和局域網（LAN），CNC系統(tǒng)能執(zhí)行遠程操作遙控，例如遠程設計、遠程管理、遠程監(jiān)控和遠程故障診斷。</p><p>　　(b) 基于現場總線的現場設備控制。需要基于高速現場總線的實時現場設

6、備控制。</p><p>　　現在已經提出了多種方法來支持網絡CNC系統(tǒng)。特別是許多論文重點在現場總線，它們提出了可行的解決方法，而這些都是建立在專用現場總線上的，例如CAN, Profibus, SERCOS。 此外，隨著以太網的發(fā)展，一些文章提出了將以太網和RS232相結合的CNC系統(tǒng)解決方法[3，8]。</p><p>　　近幾年來，以太網技術得到迅速完善，它的速度已經從一開始的每秒

7、10M提高到每秒10G。理論上，以太網的速度比現存的專用現場總線的速度快得多。例如，每秒10G的以太網速度是每秒12M的PROFIBUS速度的830倍，是每秒1M的CAN速度的10000倍。根據美國權威研究機構（ARC）的報告，工業(yè)以太網將促進未來現場總線的發(fā)展，并且可能工業(yè)控制網絡標準統(tǒng)一起來。據此，在網絡CNC系統(tǒng)中引入工業(yè)以太網也將是CNC系統(tǒng)發(fā)展的新方向。</p><p>　　目前，一些機構在集中研究工業(yè)

8、以太網的關鍵技術上。工業(yè)以太網有兩種應用模式[7]. 一種是混合模式，一般可用于上層來連接企業(yè)以太網LAN，而下層仍然用低速專用現場總線。有幾種研究結果，例如Profinet、ModbusTCP/IP、Ethernet/IP和iLON?；旌夏Ｐ褪且环N折中的方案，其主要動機來自于各個現場總線制造商要，要將專用現場總線和企業(yè)以太網相連。它們全都建立在IEEE802.3和TCP/IP的基礎上，但是應用層協(xié)議是多種多樣的，且連接專用現場總線到以

9、太網的關鍵技術也是專門的。這些專用技術和多種多樣的應用層協(xié)議影響直接到專用現場總線的廣泛應用。</p><p>　　另一個是透明模式，即在所有層都采用了以太網/因特網（從上層到下層）技術。對工業(yè)以太網來說這是一個完全的解決案，但仍存在一些難題。主要問題是工業(yè)控制以太網的實時性能的改進。為解決這問題，在兩方面加快了透明模型的主要研究。其中一個是可開關的以太網的研究，另一個是實時控制協(xié)議的研究。盡管已經有了解決這些以

10、太網問題的研究成果，但是離實際應用還有一段距離。</p><p>　　本文通過綜合考慮CNC系統(tǒng)的特點，提出了一個基于工業(yè)以太網透明模式的層次實時網絡CNC系統(tǒng)（RNH-CNC）。論文其他部分結構如下：第二節(jié)中，介紹了RNH-CNC系統(tǒng)體系結構；第三節(jié)中描寫了RNH-CNC的實現；第四節(jié)涉及實驗和評估；最后，第五節(jié)給出了結論。</p><p>　　2. RNH-CNC系統(tǒng)體系結構</

11、p><p>　　2.1 網絡和硬件體系結構</p><p>　　RNH-CNC系統(tǒng)體系結構分成4個層次（如圖1）：最底層（第1層）包括現場設備（例如伺服系統(tǒng)、輸入/輸出設備）；第二層包括NC核心計算機；第三層包括NC服務器計算機和其他系統(tǒng)（如：CAD，CAPP）；最高的層是基于因特網的網絡瀏覽器計算機[1]。從最高層到最底層分別是非實時因特網、軟實時以太網和硬實時以太網。</p>

12、<p><b>　　2.2 軟件結構</b></p><p>　　RNH-CNC系統(tǒng)的軟件體系結構如圖2所示。 它也被劃分為四個層次：基于因特網、NC服務器、NC核心、現場設備控制的遠程操作。</p><p>　　遠程操作包括遠程設計、遠程管理、遠程故障診斷、遠程監(jiān)控等。</p><p>　　NC服務器起的作用如下：</p&g

13、t;<p>　　(a) CNC 人機界面（HMI）：用于實現監(jiān)測，控制，參數管理，過程信息顯示，刀具軌跡顯示，以及更新。</p><p>　　(b) 網絡服務器：提供基于因特網的網絡服務器功能，包括基于網絡的設計、管理、故障診斷和監(jiān)控等服務。</p><p>　　(c) 軟實時以太網（SRE）接口：基于以太網，在NC服務器計算機和NC核心計算機之間提供軟實時數據交換功能

14、。</p><p>　　NC核心包括CNC核心功能，軟實時以太網接口（SRE界面），硬實時以太網接口（HRE界面）。</p><p>　　(a) CNC核心功能：用于實現CNC系統(tǒng)的核心功能。大部分功能都是實時過程，所以需要系統(tǒng)對它們做出快速的響應。NC核心功能包括插補，位置控制，PLC，NC代碼譯碼，刀具補償，運動控制等。</p><p>　　(b) 軟件實時

15、以太網（SRE）接口：用于提供NC服務器計算機和NC主計算機之間的以太網軟實時通信接口。</p><p>　　(c) 硬件實時以太網（HRE）接口：用于提供NC主計算機和現場設備（如伺服，輸入/輸出）之間的硬實時以太網接口。</p><p>　　現場設備控制包括了硬實時以太網接口（在NC主計算機和現場設備之間）和其他裝置控制。</p><p>　　3. 執(zhí)行等級實

16、時網絡</p><p>　　3.1 在因特網的基礎上執(zhí)行遠程診斷、監(jiān)控</p><p>　　通過基于因特網的遠程診斷，監(jiān)測和控制這些功能，不在現場的工程師們能通過因特網診斷出機器故障，監(jiān)測和控制機床運轉。NC服務器應提供必要的信息給工程師分析和做出決策，這些信息包括機床狀況，運行日志，系統(tǒng)參數和其他相關信息，因此，必須能實現NC服務器與因特網Web使用者之間的信息傳遞。實現方法如下所示：&

17、lt;/p><p>　?。╝）選擇合適的網頁開發(fā)工具，比如ASP.NET(動態(tài)服務器主頁)，用來開發(fā)網絡服務器應用程序。使用這些開發(fā)工具，應用程序能夠從NC服務器數據庫中存取機床狀態(tài)，運行日志，系統(tǒng)參數，專家知識，推理規(guī)則等信息。</p><p>　?。╞）設置操作系統(tǒng)參數并啟動網絡服務器。</p><p>　?。╟）發(fā)布網絡服務器的URL（統(tǒng)一資源定位器），從而，工程

18、師能通過諸如IE等網絡瀏覽器作遠程故障診斷，遠程監(jiān)測和控制。</p><p>　　遠程過程通過使用因特網來運行，因此，它是非實時通信。</p><p>　　3.2 在NC服務器和NC核心計算機之間的軟實時通訊</p><p>　　3.2.1 網絡連接</p><p>　　NC服務器和NC主機之間的通信是基于以太網的。然而，眾所周知，傳統(tǒng)的以

19、太網是不適合進行實時通信的。這是因為以太網中的CSMS/CD機制，它的最大傳遞等待時間不能被限定。普通共享以太網的連接器是一個集線器，它的結構相當于一種物理層的轉發(fā)器，它將以一個端口接收到的信息發(fā)送到所有其他端口。而這則會引起沖突和不確定的延時問題。為了減少沖突，有人提議用一種轉化以太網，它使用轉換開關來連接網絡節(jié)點。這個轉換開關可以設計成控制有許多端口的矩陣開關，并且每個端口之間信息是隔離的。送入轉換器的數據僅被發(fā)送到與目的地址連接的

20、端口。輸入輸出的數據也不再服從CSMA/CD的規(guī)定。轉換器的優(yōu)點就是將沖突域劃分為與端口相關的分區(qū)，所以網絡段變的細?。總€端口只和一個節(jié)點連接），從而完全獨占了共享信道。第二個優(yōu)點就是在同一時間可以在所有的端口之間形成多通道，所以串行傳輸變成并行傳輸。同時，網絡帶寬和沖突問題也得到有效解決，從而滿足了軟實時通信的要求。所以選擇轉換以太網來設計RNH-CNC的軟實時通信。網絡連接如圖3所示。</p><p>　　

21、3.2.2 通訊程序設計</p><p>　　當要求在不同平臺之間進行數據交換時，就需要選擇一種支持所有平臺的標準的通信的API函數。例如，由于Socket API是一種許多平臺（例如Windows和Linux操作系統(tǒng)）都支持的標準應用程序編程接口，所以它能用作NC服務器和NC主計算機的通信應用程序的開發(fā)?；赟ocket API的NC服務器和NC主計算機之間的通信過程如圖4所示。</p><

22、p>　　NC服務器的處理流程如下所示：</p><p><b>　?。╝）產生一個插口</b></p><p><b>　?。╞）產生一個連接</b></p><p>　?。╟）發(fā)送數據塊（空，文件塊，命令和NC代碼單元）到NC主計算機</p><p>　?。╠）從NC主計算機接收NC狀態(tài)數據

23、</p><p><b>　?。╡）同步休眠</b></p><p><b>　　（f）轉向（c）</b></p><p>　　NC主計算機的處理流程如下所示：</p><p><b>　?。╝）產生一個插口</b></p><p>　　（b）綁定局部地

24、址和端口</p><p><b>　　（c）監(jiān)聽通信線路</b></p><p><b>　?。╠）接收</b></p><p>　　（e）從NC服務器接收并處理數據塊</p><p>　?。╢）將NC狀態(tài)數據發(fā)送到NC服務器</p><p><b>　　（g）同步

25、休眠</b></p><p><b>　?。╤）轉向（d）</b></p><p>　　3.3 在NC核心計算機和現場設備之間的硬實時通訊</p><p>　　盡管通過轉換以太網網絡帶寬和沖突問題已經得到有效解決，但是轉換器的存儲和傳輸過程可能會導致數據丟失或者更長的延時（超過30微秒）。所以它還不能滿足時間確定的應用要求，這時對

26、時間有嚴格的限制。然而，帶有實時控制協(xié)議的經改進后的傳統(tǒng)以太網更加適合這些應用，所以在這里用來設計RNH-CNC的現場網絡。圖5顯示了其網絡拓撲關系（主機是NC主計算機，從設備是其他現場設備）。</p><p>　　為解決確定時間通信問題，還可以用一些方法來避免沖突，如時間分隔法、查詢法，對于一些不確定的因素，這些方法可以將以太網數據沖突的幾率降至零。這里采用了時間分隔法避免沖突，并且傳輸的循環(huán)數據劃分為三種：S

27、yn（主機同步），SD（從設備數據），MD（主機數據）。通信循環(huán)如圖6所示。</p><p>　　一個周期的通信步驟如下所示：</p><p>　　（a）主機發(fā)送同步數據到所有的從設備，告知一個周期的開始</p><p>　?。╞）從設備1在一個時間分隔中（開始于t1）發(fā)送SD1數據（如實際位置，速度，扭矩/力，警報信號，診斷信號，狀態(tài)確認信號，PLC輸入，伺服系統(tǒng)

28、參數和電動機參數）到主機</p><p>　?。╟）從設備2在時間分隔內（開始于t2）發(fā)送SD2數據到主機</p><p><b>　?。╠）......</b></p><p>　　（e）從設備n在它的時間分隔內（開始于tn）發(fā)送SDn到主機</p><p>　?。╢）主機在它的時間分隔內（開始于tmd）發(fā)布MD數據（