一种数控系统网络化体系结构的实现方法技术方案

本发明专利技术公开一种数控系统网络化体系结构的实现方法，包括以下步骤：将人机界面控制器从数控机中分离出来，运行于工业PC机中，任务控制器、运动控制器以及PLC运行于数控机中；在工业PC机上通过软实时机制实现人机界面控制器的实时数据处理；在数控机上通过软实时机制实现服务器以及任务控制器的实时数据处理，并且任务控制器与运动控制器之间采用混合交互模型进行通信；通过实时以太网连接工业PC机和数控机。应用本发明专利技术方法能够缓解处理器压力，提高数控系统控制性能，确保跨平台模块之间数据传输的实时性，提高用户任务数据处理的速度、本地模块之间数据交互的性能以及系统稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及控制与通信领域，具体的说是。
技术介绍
随着装备制造业市场需求的不断提升，高档数控系统成为实现高水平数字化装备的保证。但是，高档数控系统中，纳米级高精度插补、超前预处理、多通道控制、多轴控制等核心算法的计算量庞大，对传统数控系统软硬件体系结构及通信平台提出很大的挑战。传统数控系统采用单处理器体系结构，核心算法集中于单处理器上执行，软硬件设计密集，系统计算与通信负载高。此外，控制器之间通常采用共享缓冲区进行通信，其自身不能同步多任务的读/写，需要借助信号量解决同步/互斥问题。传统数控系统体系结构及通信平台存在的问题具体表现在1.对实时性要求苛刻的控制器和对资源需求大的控制器相互制约。除操作系统的支持外，处理器等资源对各控制器没有针对性的分配策略，系统持续高负载，难以保证实时任务的及时响应，引发核心算法数据饥饿，资源需求大但优先级低的非实时任务长时间等待等问题，影响了数控系统的控制性能；2.处理器计算负载与通信负载相互制约。虽然共享缓冲区可以直接读写内存，但是频繁的数据交互及互斥访问的特性，导致访存时间抖动剧烈，加之，大量的轮询信号量的操作占用了部分处理器时间，间接加重了计算负载，导致周期任务不能按时完成，控制命令无法及时下达，状态信息无法及时反馈，影响了系统的稳定性及通信效率。解决问题的一种有效方法是借鉴开放式、网络化数控技术。目前，开放式、网络化数控系统成为发展趋势，其模块化、分布式体系结构使得数控系统具备更好的通用性、柔性、适应性、扩展性。近年来，国内外对开放式、网络化数控系统展开了广泛的研究，包括欧洲的 OSACA (Open SystemArchitecture for Control within Automation Systems)计划，美国的 NGC (NextGeneration Controller)计划禾口 OMAC (Open Modular Architecture Controller)计划，日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)计划、 OCEAN (Open Controller Enabled by Advanced Real-time Network)计划，以及 THINC (The Intelligent Numerical Control)计划。“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项对高档数控机床提出高效、复合、高速、高精重要指标，国内的系统研究机构相继制定并颁布开放式数控系统技术规范国家标准，满足高速、精密以及多通道加工的需求。满足上述指标及国家标准的数控系统网络化体系结构的实现方法尚未见报道。
技术实现思路
针对现有技术中存在的数控系统控制性能低、稳定性差及通信效率低等不足之处，本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于高档数控机床技术指标和开放式数控技术国家标准的具有高控制性、高稳定性以及高通信效率的数控系统网络化体系结构的实现方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是本专利技术包括以下步骤将人机界面控制器从数控机中分离出来，运行于工业PC机中，任务控制器、运动控制器以及PLC运行于数控机中；在工业PC机上通过软实时机制实现人机界面控制器的实时数据处理；在数控机上通过软实时机制实现服务器以及任务控制器的实时数据处理，并且任务控制器与运动控制器之间采用混合交互模型进行通信；通过实时以太网连接工业PC机和数控机。所述人机界面控制器作为非实时任务运行于工业PC机中，充当用户与数控系统交互的平台；任务控制器作为非实时任务运行于数控机中，负责协调用户指令与系统控制层的动作；运动控制器以及PLC作为实时任务运行于数控机中，完成运动控制和逻辑控制。通过软实时机制实现人机界面控制器、服务器以及任务控制器的实时数据处理包括以下步骤非实时任务初始化；实时周期任务初始化；软/硬实时切换，任务进入内核态；进入主循环周期，执行任务核心功能，实时处理数据；周期任务结束，返回用户态；任务释放资源。所述通过实时以太网连接工业PC机和数控机，是在以太网硬件之上，借助实时以太网硬实时网络协议栈以及时分多址技术，传输工业PC机和数控机之间的实时数据，其包括以下过程发送端将消息封装入UDP报文中，调用实时以太网的实时套接字接口，在发送端的发送时隙中，根据实时控制系统配置文件，将报文实时发送至数控机；服务器监听端口，调用实时以太网的实时套接字接口实时接收UDP报文，根据实时控制系统配置文件，将消息提取出来放入本地缓冲区，继续监听端口 ；接收端根据实时控制系统配置文件，从本地缓冲区中读取消息并处理。所述数控系统网络化体系结构采用总线拓扑结构，通过修改实时控制系统配置文件，重置网络结构，更改节点之间的对应通信关系，实现工业PC机与数控机之间一对一或一对多通信。所述数控机上运行的任务控制器与运动控制器之间采用混合交互模型进行通信， 即使用共享缓冲区存储交互的消息，使用管道传递共享缓冲区的状态信号，并且任务控制器和运动控制器只有在收到管道的信号后才能获得对共享缓冲区的访问。混合交互模型的通信过程包括发送端将消息写入共享缓冲区后，通过硬实时多任务操作系统提供的管道向接收端发送信号，告知其共享缓冲区的消息更新完毕；接收端收到管道的信号后，从共享缓冲区中读取消息，消息读取完毕后通过管道向发送端回复信号，告知其共享缓冲区中的消息已经读取完毕。本专利技术具有以下有益效果及优点1.缓解处理器压力，提高数控系统控制性能。本专利技术方法中，人机界面控制器与其他控制器耦合度低且资源消耗大，将其单独运行于工业PC机中，不仅可以充分利用PC机资源，独自占用处理器，还可以通过标准TCP/IP协议访问因特网，通过WLAN协议无线连接移动终端，便于实现远程监控、故障检测、远程维护等功能，同时避免了与数控机中对实时性要求苛刻的控制器竞争资源，保证了实时任务的及时响应，因而有效缓解了处理器压力，提高了数控系统控制性能。2.确保跨平台模块之间数据传输的实时性。本专利技术方法在数控系统中引入网络， 带来传输时延的问题，采用实时以太网RTnet连接人机界面控制器与任务控制器，在以太网硬件之上，借助硬实时网络协议栈和时分多址技术以确定性方式传输实时数据，有效缓解了数据包冲突与网络拥塞，降低了网络传输时延，从而确保了跨平台模块之间数据交互的实时性。3.提高用户任务数据处理的速度。本专利技术方法采用软实时机制(LXRT，Linux Real Time)，通过简单的软件中断在用户空间实时执行任务，提高用户任务的优先级，并对其提供内存保护，从而避免了用户任务长时间等待，提高了用户任务数据处理的速度。4.提高本地模块之间数据交互的性能以及系统稳定性。本专利技术方法采用混合交互模型，借助管道实现对共享缓冲区存取的同步，既能充分发挥共享缓冲区直接读写内存的优势，又能利用管道事件驱动的特性减少通信双方握手过程中的轮询操作，降低了访存时间抖动，从而提高了本地模块之间的数据交互性能以及系统稳定性。附图说明图1为本专利技术方法应用的数控系统软件逻辑结构图；图2为本专利技术方法应用的数控系统通信平台示意图；图3为本专利技术方法中数控系统网络化体系结构示意图；图4为本专利技术方法中数控系统通信原理图；图5为本专利技术方法中非实时任本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种数控系统网络化体系结构的实现方法，其特征在于包括以下步骤：将人机界面控制器从数控机中分离出来，运行于工业ＰＣ机中，任务控制器、运动控制器以及ＰＬＣ运行于数控机中；在工业ＰＣ机上通过软实时机制实现人机界面控制器的实时数据处理；在数控机上通过软实时机制实现服务器以及任务控制器的实时数据处理，并且任务控制器与运动控制器之间采用混合交互模型进行通信；通过实时以太网连接工业ＰＣ机和数控机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于东，高甜容，岳东峰，
申请(专利权)人：沈阳高精数控技术有限公司，中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：89