基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)實時性問題研究.pdf

1、數(shù)控系統(tǒng)作為集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體的制造業(yè)核心技術(shù)，一直都是工業(yè)控制和先進制造領(lǐng)域的研究熱點，隨著計算機科學(xué)、自動化、網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展同樣日新月異，龐大的系統(tǒng)規(guī)模也朝著功能化、小型化的方向發(fā)展，集成化、智能化的程度也越來越高，并逐漸發(fā)展成為具有強實時要求的多任務(wù)控制系統(tǒng)。而實時性作為數(shù)控系統(tǒng)的一項重要性能指標，主要體現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行快速而準確的處理并及時作出響應(yīng)，這對

2、設(shè)備間實時通信同步精度以及系統(tǒng)中的任務(wù)執(zhí)行效率提出了新的要求。
　　由此可知，數(shù)控系統(tǒng)的實時性問題主要體現(xiàn)在以下兩個方面:首先是數(shù)控系統(tǒng)中控制裝置與現(xiàn)場設(shè)備之間實時通信的同步性。數(shù)控系統(tǒng)作為強實時控制系統(tǒng)，對時間的滯后性相當敏感，并且在系統(tǒng)運行過程中，控制裝置持續(xù)不斷地向現(xiàn)場設(shè)備傳輸控制指令與數(shù)據(jù)，主機與伺服驅(qū)動執(zhí)行命令和狀態(tài)反饋必須在同一個時刻進行，因此為了使得數(shù)據(jù)傳輸及時有效，必須保證各單元時間上的同步性，以滿足系統(tǒng)對實時通信

3、的精度要求。另一方面，為了實現(xiàn)高速高精的發(fā)展目標，數(shù)控系統(tǒng)需要快速而有效地對復(fù)雜而又龐大的操作任務(wù)進行實時處理。數(shù)控系統(tǒng)中的任務(wù)從功能性上劃分，可以分為數(shù)據(jù)管理和運動控制兩大部分。數(shù)據(jù)管理部分的任務(wù)包括數(shù)據(jù)顯示、故障診斷、參數(shù)設(shè)置以及程序代碼的輸入與編輯等，這類任務(wù)不要求系統(tǒng)立即執(zhí)行，對實時性要求不高，而運動控制類任務(wù)則主要包括:程序譯碼、刀具補償、軌跡插補、位置控制等強實時性任務(wù)。針對系統(tǒng)中各類任務(wù)的不同實時性需求，目前已有大量的研究

4、與調(diào)度方案，但是隨著數(shù)控系統(tǒng)的進一步發(fā)展，如何解決多種實時類型的任務(wù)共存的問題已成為數(shù)控系統(tǒng)調(diào)度機制的關(guān)鍵所在，這也為數(shù)控系統(tǒng)實時性問題的研究帶來了新的挑戰(zhàn)。
　　根據(jù)上述對數(shù)控系統(tǒng)實時性需求的分析，本文對數(shù)控系統(tǒng)中存在的實時性問題展開了深入的研究，研究內(nèi)容主要包括時間同步和實時調(diào)度兩個方面，其所涉及的核心技術(shù)主要包括數(shù)控系統(tǒng)實時通信與精確時間同步技術(shù)、混合任務(wù)系統(tǒng)的實時調(diào)度策略等。
　　本文主要工作及研究成果包括:

5、　　1.設(shè)計了一種基于雙環(huán)總線的實時時間同步方法，該方法整合了基于雙環(huán)結(jié)構(gòu)的同步消息傳輸方案和主從站間的同步算法，充分發(fā)揮雙向傳輸?shù)膬?yōu)勢，避免通信線路不必要的空載，同時對主從站中的時鐘模型及相關(guān)模塊進行優(yōu)化并設(shè)計了雙環(huán)結(jié)構(gòu)下的同步消息報文結(jié)構(gòu)，并對時間戳的傳輸延遲進行實時處理，以更好地支持數(shù)控系統(tǒng)中主從站之間的同步控制，在保證同步精確度的同時有效地提升了系統(tǒng)的實時性。
　　2.提出了一種適用于數(shù)控系統(tǒng)的分布式同步機制，建立了一個基

6、于工業(yè)以太網(wǎng)的同步功能模型，該模型針對同步過程中不同的功能需求，進行了特定的功能模塊劃分，以即時響應(yīng)多種情況下的實時同步任務(wù)。同時，通過該同步模型針對同步任務(wù)在不同時段的功能需求進行了線程規(guī)劃，提升了不同的時鐘周期內(nèi)的同步效率，保證了實時任務(wù)的即時執(zhí)行，避免了搶占線程的情況發(fā)生，提高工業(yè)控制現(xiàn)場中分布式節(jié)點之間的同步效率。
　　3.提出了一種適用于數(shù)控系統(tǒng)的實時統(tǒng)一調(diào)度框架，以滿足數(shù)控系統(tǒng)對于加工任務(wù)及控制信號處理的實時性要求。該

7、框架中整合了多種不同類型的服務(wù)器，通過將處理器時間劃分為時間片，并設(shè)計了由時間片組成的輪轉(zhuǎn)周期，將非硬實時任務(wù)插入到每一個輪轉(zhuǎn)周期中強制執(zhí)行，以同時滿足系統(tǒng)對實時任務(wù)和非實時任務(wù)的執(zhí)行需求，避免了系統(tǒng)高速運行時實時任務(wù)無法及時得到響應(yīng)的情形，并設(shè)計了相應(yīng)的服務(wù)保護機制，給出了防過載處理方法。同時根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中的任務(wù)特點及不同類型的服務(wù)器所面向的任務(wù)類型，對輪轉(zhuǎn)周期的可行性和框架的可調(diào)度性進行了理論上的分析，給出了必要的定理及相關(guān)證明。為

8、了驗證其調(diào)度效果及運行效率，在多任務(wù)并發(fā)運行的實驗環(huán)境下對框架中主要函數(shù)的時間開銷進行了測量，測試結(jié)果表明在滿足數(shù)控系統(tǒng)實時任務(wù)調(diào)度需求的前提下，該框架能夠很好通過多種服務(wù)器對不同類型的任務(wù)進行有針對性的調(diào)度，并將系統(tǒng)開銷控制在可接受的范圍內(nèi)，有效地實現(xiàn)了基于多種服務(wù)器類型的實時任務(wù)調(diào)度，在提升數(shù)控系統(tǒng)調(diào)度能力的同時，保證了數(shù)控系統(tǒng)的實時性與可靠性。
　　4.提出了一種適用于數(shù)控系統(tǒng)中混合任務(wù)集的優(yōu)化調(diào)度方法。該方法通過研究數(shù)控系

9、統(tǒng)中多種不同任務(wù)的特點及相關(guān)時序約束，對實際加工過程中的任務(wù)建模，建立了混合任務(wù)集的描述模型，同時基于最短路徑算法，將任務(wù)執(zhí)行序列的選擇問題轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間樹中狀態(tài)節(jié)點之間的最短路徑問題，在滿足任務(wù)各種約束條件的前提下，經(jīng)優(yōu)化調(diào)度算法調(diào)度得到數(shù)控系統(tǒng)中混合任務(wù)集的優(yōu)化執(zhí)行序列。為了驗證該算法的實時性與調(diào)度效果，在多個實驗環(huán)境下對該優(yōu)化調(diào)度算法進行了系統(tǒng)而全面的測試與評估，結(jié)果表明該方法在有限的條件下能夠有效提升混合任務(wù)集的調(diào)度成功率，保證