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以太網的數控（kòng）係統數字接口技術分析

2018-4-3 來源：通遼市高級技工學校作者：黃傳梅

摘要:以（yǐ）太網具有低成本、穩定性（xìng）高且應用廣泛等特點、作為通（tōng）信領域的事實標準、以太（tài）網技術成熟且（qiě）穩定性（xìng）高、適用於數控係統數字（zì）接口標準數控係統的網絡化和數字化發展對數（shù）字接口網絡有了更高的要求、本文主要針對以太網在數控係統數字接口中的應用、提出了以太網對解決數控係統問題的相關方法。

關鍵詞:以太網數控係統數字接口（kǒu）實時通信同步

1、基於以太網的數控係統存在的問題（tí）

基於以太（tài）網的數控係統主要麵對同步性、實時性和可靠性問題，以太網在數控係統中的應用技術發展迅速，但（dàn）很多的應（yīng）用主要采用以太網硬件（jiàn）實現工廠級和現場級網絡連接，以太網的數控係統（tǒng）應用在運動控製中仍（réng）然以現場總線應用為主，並未實現真正（zhèng）的以太網數控係（xì）統應用。數控係（xì）統中一般將傳輸（shū）信息劃分為確定性信息和（hé）非確定性信息兩種，其中確定性信息（xī）主要指插（chā）補命令、機（jī）床狀態和周期性位控等周期性（xìng）實時信息傳輸，非確定性信息指故障報警、文件下（xià）載等（děng）突發事件和非實時性信息。數控係統數據傳輸要求根據周期信息時間確（què）定性通信問題、突發（fā）信息的實時傳輸（shū）問題（tí）、信息共存問題（tí）和各單元之間的周期同步問題等，提高係（xì）統的同（tóng）步性、實時性和（hé）可靠性。

數（shù）控係統中各通道間的協同（tóng）、插補軸之間的聯動對信息傳輸時間的同步性要（yào）求較（jiào）高，傳統的數（shù）控係（xì）統采用集（jí）中控製模式（shì），各個進程可以通過係統的全局時鍾獲得（dé）時間，以太網的數控係統通過係統內的多個節點獲取時間，但節點存在物理（lǐ）上的分散性，因此（cǐ）以太網（wǎng）的數控係統（tǒng）不能（néng）采用全局時鍾，係統內（nèi）的各節點（diǎn）依靠本地時鍾運行，但本地時鍾的運行環境和速率不一致，再加上以太（tài）網固有網絡的延遲和傳輸（shū）不穩定性，導致各節點的傳輸時間差異較（jiào）大（dà），對數（shù）控係統的性能也有較大影響。

實時性問題是指控製係（xì）統的數據處理速度滿足係統要求，控製指令沒有延遲且能在規定時間內完成係統任（rèn）務等，數控係統在進行位置控製時實（shí）時性要求較高，且針對（duì）不同場（chǎng）合和不同層次有不同的實時性要求。以太網作（zuò）為一個非實時網絡，其固有網絡（luò）傳輸不確定性對係（xì）統有較大影響，需要針對以太（tài）網數控係統的數字接口技術研究實時性問題。

數控係統發生突發故障會造成很（hěn）大的損失，應（yīng）根據以太網的數控係統的數字接口研究係統的可（kě）靠性問（wèn）題，最初研究的以（yǐ）太網對網絡可（kě）靠性問題的關注不高，且網絡抗幹擾能力較（jiào）弱，應用於數控係統時，要求以太網具有更高的可靠（kào）性（xìng）、網絡診斷和（hé）恢複能力，以保證網絡係統發生故障時係統仍然可以正常運行（háng），保證係統的同步性和實時性，因此基於以太網的數（shù）控係統的性能應以（yǐ）可靠性研究（jiū）為前提，提（tí）高數控係統的自（zì）動修複（fù）能力和抗幹擾能（néng）力。

2、基於以太網（wǎng）數控係統的全數（shù）字接口分析

將（jiāng）以太網引人數控（kòng）係統作為數控（kòng）係統各個層次統一的數字接口（kǒu）可以解決數控係統開放性（xìng）。數字化、高速化和網絡化等（děng）問題，接口協議層通過標準以太網基礎上改造的以太（tài）網（wǎng）數字接口，可實現運動控製和執行協議層之間（jiān）的實（shí）時通信，同時支持邏輯控製協議層和執行（háng）協議層之間的同步實時通信，以太網本（běn）身作為高速率的全數字化網絡，通過（guò）提高其同步性、實時（shí）性和（hé）可靠性，可以實（shí）現高速高精運動控製數據傳輸。以（yǐ）太（tài）網是（shì）目前最為開放的網絡，技術成熟且應用廣泛（fàn），通過（guò）以太（tài）網（wǎng）連接數控係（xì）統中的各項模塊可實現模塊（kuài）重構、互換和裁剪等工作，利用以太網的數控係統數字接口技術可以更好的提高係統的開放（fàng）性和穩定性，且以太網的硬（yìng）件和軟件間隔便（biàn）宜、具有較高的穩定性，采用以太網的數控係統全數字接口技術不僅能提高係統的開放性，還可以（yǐ）有效（xiào）降低係統的控製成本和生產成（chéng）本。以太網（wǎng）的全數字接口主（zhǔ）要采用（yòng）的是以太網硬件（jiàn）和 MAC層協議，在以太網的基礎上實現的通信（xìn）協議和（hé）通信軟件，具有更（gèng）好的同步性、實（shí）時性和可靠性（xìng）。

隨著數控係統的發展，單一的操作係統已（yǐ）經難以滿足數控係（xì）統的相關（guān）任務要求，根據特征尺度的層次化思想，在以太網數控係統基礎上的體係結構具有多處理器的特點，根據時間尺度、空間尺度和邏輯（jí）尺度的問題，可在數控係統（tǒng）軟件體係中（zhōng）實現多（duō）種操作係統運行，構建層次化的多操作係統軟件結構，例如WINDOWS操（cāo）作係統在用戶界麵協議層基礎上，可實現人機界麵、任務管理等功能;運動控製協議層根據（jù）RT-Linu}可（kě）實現（xiàn）高（gāo）實時性要求的運（yùn）動控製功（gōng）能。以太網的數控係（xì）統數字接口技術可基於特征尺度的層次化體係結（jié）構，在硬件（jiàn）上實現多處理器融合重構，軟件上實現多操（cāo）作係統，以滿足數（shù）控（kòng）係統體係結構的需求。

以（yǐ）太（tài）網的數控係統體係結構可將W INDO WS操作係統作為人機（jī）交互界麵，采用RTLinux係統作為內核操作係統，以提高數控係統的實時性，實現多操作係統的軟件（jiàn）結構（gòu）。以太網開發的全數字接口協議可以利用廉價的以太網芯片期間，構建高速化、高響應的（de）全數字接口，在數控係統應用中可以大大提高係統的開放性和（hé）可靠性。

3、結語

以（yǐ）太網的迅速發展使其網絡係統逐漸完善，得到了廣泛的應用支持，雖然以（yǐ）太網在商業用途上取得了較大的成功，但在工（gōng）業應用中仍然（rán）存（cún）在較多缺陷，對以（yǐ）太網的數控係統數字接口技術的研（yán）究應從多個方麵展開，提高係統的可靠性、實時性和同步性。以太網作為高速率的全數（shù）字化網絡，將（jiāng）其作為數控係統各個層（céng）次的數字接口（kǒu）展開研究，對解決數控係統實際應用中的相關問題、提升係統的（de）整體性和開（kāi）放性有積（jī）極意義。

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