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

1、數(shù)控系統(tǒng)作為集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測、自動(dòng)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(jìn)制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)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(qiáng)實(shí)時(shí)要求的多任務(wù)控制系統(tǒng)。而實(shí)時(shí)性作為數(shù)控系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，主要體現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的處理并及時(shí)作出響應(yīng)，這對

2、設(shè)備間實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性問題主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)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(shí)時(shí)通信的同步性。數(shù)控系統(tǒng)作為強(qiáng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，對時(shí)間的滯后性相當(dāng)敏感，并且在系統(tǒng)運(yùn)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(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)執(zhí)行命令和狀態(tài)反饋必須在同一個(gè)時(shí)刻進(jìn)行，因此為了使得數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)有效，必須保證各單元時(shí)間上的同步性，以滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)通信

3、的精度要求。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)高速高精的發(fā)展目標(biāo)，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(jìn)行實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)性要求不高，而運(yùn)動(dòng)控制類任務(wù)則主要包括:程序譯碼、刀具補(bǔ)償、軌跡插補(bǔ)、位置控制等強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)。針對系統(tǒng)中各類任務(wù)的不同實(shí)時(shí)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(jìn)一步發(fā)展，如何解決多種實(shí)時(shí)類型的任務(wù)共存的問題已成為數(shù)控系統(tǒng)調(diào)度機(jī)制的關(guān)鍵所在，這也為數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性需求的分析，本文對數(shù)控系統(tǒng)中存在的實(shí)時(shí)性問題展開了深入的研究，研究內(nèi)容主要包括時(shí)間同步和實(shí)時(shí)調(diào)度兩個(gè)方面，其所涉及的核心技術(shù)主要包括數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信與精確時(shí)間同步技術(shù)、混合任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度策略等。
　　本文主要工作及研究成果包括:

5、　　1.設(shè)計(jì)了一種基于雙環(huán)總線的實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)對主從站中的時(shí)鐘模型及相關(guān)模塊進(jìn)行優(yōu)化并設(shè)計(jì)了雙環(huán)結(jié)構(gòu)下的同步消息報(bào)文結(jié)構(gòu)，并對時(shí)間戳的傳輸延遲進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以更好地支持?jǐn)?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(shí)有效地提升了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
　　2.提出了一種適用于數(shù)控系統(tǒng)的分布式同步機(jī)制，建立了一個(gè)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(jìn)行了特定的功能模塊劃分，以即時(shí)響應(yīng)多種情況下的實(shí)時(shí)同步任務(wù)。同時(shí)，通過該同步模型針對同步任務(wù)在不同時(shí)段的功能需求進(jìn)行了線程規(guī)劃，提升了不同的時(shí)鐘周期內(nèi)的同步效率，保證了實(shí)時(shí)任務(wù)的即時(shí)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(diǎn)之間的同步效率。
　　3.提出了一種適用于數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(hào)處理的實(shí)時(shí)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(shí)間劃分為時(shí)間片，并設(shè)計(jì)了由時(shí)間片組成的輪轉(zhuǎn)周期，將非硬實(shí)時(shí)任務(wù)插入到每一個(gè)輪轉(zhuǎn)周期中強(qiáng)制執(zhí)行，以同時(shí)滿足系統(tǒng)對實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的執(zhí)行需求，避免了系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)任務(wù)無法及時(shí)得到響應(yīng)的情形，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的服務(wù)保護(hù)機(jī)制，給出了防過載處理方法。同時(shí)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中的任務(wù)特點(diǎn)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(jìn)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(yàn)證其調(diào)度效果及運(yùn)行效率，在多任務(wù)并發(fā)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對框架中主要函數(shù)的時(shí)間開銷進(jìn)行了測量，測試結(jié)果表明在滿足數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了基于多種服務(wù)器類型的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，在提升數(shù)控系統(tǒng)調(diào)度能力的同時(shí)，保證了數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(diǎn)及相關(guān)時(shí)序約束，對實(shí)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(shí)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(diǎn)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(yàn)證該算法的實(shí)時(shí)性與調(diào)度效果，在多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對該優(yōu)化調(diào)度算法進(jìn)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