基于交换式以太网的网络化数控系统研究

【摘要】

 交换式以太网推动了以太网在网络控制系统中的应用和发展,成为网络控制系统

新的发展方向

,对于数控系统这种特殊的控制系统来说也不例外。本文提出了一种面向多对

象和多用户的网络数控服务系统体系结构

,论述了系统各组成部分,重点讨论了网络数控服务

系统中各通信任务的协调设计

,并通过实验证明了设计方案的有效性和稳定性。 

　　【关键词】

 交换式以太网数控服务 

　　

 引言 

　　数控系统必须满足网络化的要求

,数控设备的形态已逐步发展为整个企业网络中的一个

能进行感知、处理、传输并自动执行的节点

,本文的研究就起源于交换式以太网技术应用于数

控系统中所面临的实际问题。当交换式以太网的拓扑结构和交换机的情况已经确定时

,除了

各端节点的通信带宽分配策略

,在实际的网络系统设计中,另一个影响系统性能的因素就是主

节点

(如主控单元、核心服务器)上各通信任务的协调[1]。在应用层面,数据的产生和通信的发

起是随机的

,所以在这一层面也需要考虑多个通信任务对信道的共享问题,另外各类任务之间

也存在对主节点计算资源的共享问题。本文以工业控制中的一个典型应用

——网络数控服务

系统为对象

,有针对地对实时系统设计与实现过程中各通信任务之间以及通信任务与其他任

务之间的协调设计问题进行分析。

 

　　

2 系统结构 

　　网络数控服务系统体系结构如图

1 所示。每个机床配备有少量的、必须的、功能简单且单

一的控制器

,如运动控制、伺服驱动、PLC 等,它们通过现场总线、网络构成了机床的基本数控

单元

(但非完整系统),这些基本数控单元通过交换式以太网与功能丰富、提供更强处理能力的

数控服务系统相连

,从而获得机床加工所需的完整数控功能[2-3]。对机床的操作,由远程数控

客户端

(专用客户端或通用浏览器)通过交换式以太网连接到数控服务系统进行。 

　　整个系统主要包括如下几个控制模块

: 

　　

(1)面向多控制对象的数控服务系统(NC service system, NCSS),负责多台机床的数控操

作管理和业务处理。该模块与显示与输入设备相连

,负责人机交互;实现加工代码的编辑、编译

以及文件管理

;通过以太网与运动控制单元交互,传达加工信息及用户指令;对被控对象动作

状态进行跟踪显示

;与远程控制终端及企业、全球数字制造系统相连,实现整个数控系统的网

络化开发、调试、运行、管理、监控和诊断等。

 

　　

(2)显示及键盘输入装置,实现现场人机交互显示,数据与操作命令的输入,加工状态的显

示等功能。

 

　　

(3)运动控制单元(motion controller, MC),实现插补、刀补及间隙补偿等运算;将位置/速度

控制命令发送到位置

/速度伺服控制器;与嵌入式 PLC 相连。 

　　

(4)嵌入式 PLC,完成数控系统的各种逻辑控制,实现通用 PLC 功能。 

　　

(5)位置/速度伺服控制器,对加工轴进行位置和速度控制。 

　　

(6)数控客户端(NC client),用于远程控制与监测的专用控制终端软件。 

　　

(7)嵌入式 Web 服务器(Embedded web server, EWS),其集成在数控服务系统内。除了数控

客户端外

,用户可通过 Web 浏览器实现远程控制与监测,即 Web 浏览器作为远程控制的通用

终端软件。

 

　　

3 通信任务的协调 

　　如

(图 2)所示,在一个数控网络中,网络数控服务系统起着控制和管理核心的作用,它是网

络环境下多用户和多控制对象的桥梁

,但同时,作为通信枢纽,它与网络中其他节点交互频繁,

容易成为通信的瓶颈。因此

,网络数控服务系统上通信任务的协调设计是十分重要的。