基于工業(yè)以太網的數(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于一體的制造業(yè)核心技術，一直都是工業(yè)控制和先進制造領域的研究熱點，隨著計算機科學、自動化、網絡、通信技術的飛速發(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，這對

2、設備間實時通信同步精度以及系統(tǒng)中的任務執(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)場設備傳輸控制指令與數(shù)據(jù)，主機與伺服驅動執(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雜而又龐大的操作任務進行實時處理。數(shù)控系統(tǒng)中的任務從功能性上劃分，可以分為數(shù)據(jù)管理和運動控制兩大部分。數(shù)據(jù)管理部分的任務包括數(shù)據(jù)顯示、故障診斷、參數(shù)設置以及程序代碼的輸入與編輯等，這類任務不要求系統(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。針對系統(tǒng)中各類任務的不同實時性需求，目前已有大量的研究

4、與調度方案，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共存的問題已成為數(shù)控系統(tǒng)調度機制的關鍵所在，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，研究內容主要包括時間同步和實時調度兩個方面，其所涉及的核心技術主要包括數(shù)控系統(tǒng)實時通信與精確時間同步技術、混合任務系統(tǒng)的實時調度策略等。
　　本文主要工作及研究成果包括:

5、　　1.設計了一種基于雙環(huán)總線的實時時間同步方法，該方法整合了基于雙環(huán)結構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模塊進行優(yōu)化并設計了雙環(huán)結構下的同步消息報文結構，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，以即時響應多種情況下的實時同步任務。同時，通過該同步模型針對同步任務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的同步效率，保證了實時任務的即時執(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)一調度框架，以滿足數(shù)控系統(tǒng)對于加工任務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器，通過將處理器時間劃分為時間片，并設計了由時間片組成的輪轉周期，將非硬實時任務插入到每一個輪轉周期中強制執(zhí)行，以同時滿足系統(tǒng)對實時任務和非實時任務的執(zhí)行需求，避免了系統(tǒng)高速運行時實時任務無法及時得到響應的情形，并設計了相應的服務保護機制，給出了防過載處理方法。同時根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中的任務特點及不同類型的服務器所面向的任務類型，對輪轉周期的可行性和框架的可調度性進行了理論上的分析，給出了必要的定理及相關證明。為

8、了驗證其調度效果及運行效率，在多任務并發(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，測試結果表明在滿足數(shù)控系統(tǒng)實時任務調度需求的前提下，該框架能夠很好通過多種服務器對不同類型的任務進行有針對性的調度，并將系統(tǒng)開銷控制在可接受的范圍內，有效地實現(xiàn)了基于多種服務器類型的實時任務調度，在提升數(shù)控系統(tǒng)調度能力的同時，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)中混合任務集的優(yōu)化調度方法。該方法通過研究數(shù)控系

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