基于工业以太网透明模型的层次实时网络CNC系统

附件 1：外文资料翻译译文 基于工业以太网透明模型的 层次 实时网络 统 摘要 随着 市场上工业以太网的重要性日益 增加 ，人们急切的需要基于工业以太网透明模型的网络 化 算机数字控制）系统。 为了实现这一目标， 本文设计了一种基于以太网 /因特网的层次 实时网络，叫做 评估 其 性能，进行了一些 实 验，并 对 结果 作 了分析。结果 表明 基于实时以太网的 现场 层通讯 能满足硬件实时任务的要求。 基于可开关的以太网的 务器计算机和 心计算机之间的通讯也达到了软件实时任务的要求。结果证明基于工业以太网 透明模型的 统是可行的 。 关键字 络 实时 工业以太网 1. 引言 随着信息技 术 的发展，网络 化 统有两个特点 6: (a) 远 程 作业 处理。基于因特网和局域网（ 统能执行 远程操作 遥控，例如远程设计、远程管理、远 程 监控和远 程故障 诊断。 (b) 基于 现场总线的现场设备控制。需要基于高速现场总线的实时现场设备控制。 现在已经提出了多种方法来支持网络 统。特别是许多论文重点在现场总线，它们提出了可行的解 决方法，而这些都是建立在 专用 现场总线上的，例如 此外，随着以太网的发展， 一些文章提出了将 以太网和 统解决方法 3， 8。 近几年 来 ，以太网技术 得到 迅速 完善 ，它的速度已经从 一开始的 每 秒 10M 提高到每 秒 10G。理论上，以太网的速度比现存的 专用 现场总线的速度快 得 多。例如，每 秒 10G 的以太网速度是每 秒 12M 的 度的 830 倍，是每 秒 1M 的 度的 10000 倍。根据美国 权威 研究机 构 （ 报告，工业以太网将促进 未来 现场总线的发展 ，并且可能工业控制网络标准统一 起来 。 据此 ，在网络 统 中引入 工业以太网 也将 是 统发展的新方向。 目前 ，一 些机构 在集中研究工业以太网的 关键 技术上。工业以太网有两种应用模式 7. 一 种 是混合模式， 一般可用于 上层 来 连接 企业 以太网 而 下层仍然用低速 专用 现场总线。 有 几种研究 结果 ，例如 P、 P和 合模型是一种 折中的方案 ， 其 主要动 机来自于各 个现场总线 制造商要 ，要将专用 现场总线 和企业 以太网 相连 。它们全都建立在 P 的基础上，但是应用层 协议 是 多种 多样的，且连接 专用 现场总线到以太网的 关键 技术 也是 专门 的。 这些专用 技术和多种 多样的 应用层 协议 影响 直接到专用 现场总线的广泛应用。 另一个是透明模 式，即 在所有层 都 采用了以太网 /因特网（从上层到下层） 技术 。对工业以太网来说这是 一个完全 的解决 案 ，但 仍存在一些 难题。主要问题是工业控制以太网 的 实时性能的改进。为解决这问题，在两方面加快了透明模型的主要研究。其中一个是可开关的以太网 的研究 ，另一个是实时控制 协议 的研究。尽管已经有了解决这些以太网问题 的 研究成果，但是离实际应用还有一段距离。 本文 通过综合考虑 统的特 点， 提出了一个基于工业以太网透明模 式 的 层次 实时网络 统（ 论文 其他部分 结构如下 ：第二节中，介绍了 系 结构；第三节中描写了 实现 ；第四节 涉及实 验和评估；最后，第五节 给出了结论 。 2. 统体系结构 络和硬件体系结构 统 体系 结构分成 4 个层次（ 如 图 1）：最 底 层（第 1 层）包括现场设备（例如伺服系统、输入 /输出设备）；第二层包括 心计算机；第三层包括 其他系统（如： ；最高的层 是 基于因特网的网络浏览器计算机 1。从 最 高层到 最底 层 分别是 非实时因特网、软实时以太网和硬实时以太网。 T I P /E th em 太网软实时以太网硬实时以太网伺 服 电 机 接 口硬实时以太网伺 服 电 机 伺 服 电 机接 口伺 服 电 机网 络 浏 览 器 网 络 浏 览 器图 1 网 络 和 硬 件 体 系 结 构N C 服 务 器 计 算 件结构 统的软件 体系 结构 如 图 2 所示。 它也被划分为四个层次：基于因特网、 务器、 心、现场设备控制的远程 操作 。 远程 操作 包括远程设计、远程管理、远 程故障 诊断、远 程 监控等。 务器起的作用如下： (a) 机界面（ 用于实现监测，控制，参数管理，过程信息显示，刀具轨迹显示，以及 更新 。 (b) 网络服务器：提供基于因特网的网络服务器 功能 ，包括 基于 网络 的 设计、管理、 故障 诊断和监 控等服务 。 (c) 软实时以太网（ 接口 ：基于以太网，在 务器计算机和 心计算机之间提供软实时数据交换 功能 。 心 包括 心功能，软实时以太网 接口 （ 面），硬实时以太网 接口 （ 面）。 (a) 心功能： 用于实现 统的核心功能。大部分功能都是实时过程，所以需要系统对它们做出快速的响应。 心功能包括插补，位置控制， 具补偿，运动控制等 。 (b) 软件实时以太网（ 接口：用于提供 务器计算机和 计算机之间的以太网软实时通信接口 。 (c) 硬件实时以太网（ 接口：用于提供 计算机和现场设备（如伺服，输入 /输出）之间的硬实时以太网接口 。 现场设备控制包括了硬实时以太网接口（在 计算机和现场设备之间）和其他装置 控制 。 3. 执行等级实时网络 因特网的基础上执行远程诊断、监控 通过基于因特网的远程诊断，监测和控制这些功能，不在现场的工程师们能通过因特网诊断出机器故障，监测和控制机床运转。 务器应提供必要的信息给工程师分析和做出决策，这些信息包括机床状况，运行日志，系统参数和其他相关信息，因此，必须能实现 务器与因特网 用者之间的信息传递。实现方法如下所示： （ a）选择合适的网页开发工具，比如 态服务器主页 )，用来开发网络服务器应用程序。使用这些开发工具，应用程序能够从 务器数据库中存取机床状态，运行日志，系统参数，专家知识，推理规则等信息。 （ b）设置操作系统参数并启动网络服务器。 （ c）发布网络服务器的 一资源定位器），从而，工程师能通过诸如 程监测和控制。 远程过程通过使用因特网来运行，因此，它是非实时通信。 在 务器和 心计算机之间的软实时通讯 络连接 务器和 机之间的通信是基于以太网的。然而，众所周知，传统的以太网是不适合进行实时通信的。这是因为以太网中的 D 机制，它的最大传递等待时间不能被限定。普通共享以太网的连接器是一个集线器，它的结构相当于一种物理层的转发器，它将以一个端口接收到的信息发送到所有其他端口。而这则会引起冲突和不确定的延时问题。为了减少冲突，有人提议用一种转化以太网，它使用转换开关来连接网络节点。这个转换开关可以设计成控制有许多端口的矩阵开关，并且每个端口之间信息是隔离的。送入转换器的数据仅被发送到与目的地址连接的端口。输入输出的数据也不再服从 D 的规定。转换器的优点就是将冲突域划分为与端口相关的分区，所以网络段变的细小（每个端口只和一个节点连接），从而完全独占了共享信道。第二个优点就是在同一时间可以在所有的端口之间形成多 通道，所以串行传输变成并行传输。同时，网络带宽和冲突问题也得到有效解决，从而满足了软实时通信的要求。所以选择转换以太网来设计 络连接如图 3 所示。 讯程序设计 当要求在不同平台之间进行数据交换时，就需要选择一种支持所有平台的标准的通信的 数。例如，由于 一种许多平台（例如 支持的标准应用程序编程接口，所以它能用作 务器和 计算机的通信应用程序的开发。基于 务器和 计算机 之间的通信过程如图 4 所示。 务器的处理流程如下所示： （ a）产生一个插口 （ b）产生一个连接 （ c）发送数据块（空，文件块，命令和 码单元）到 计算机 （ d）从 计算机接收 态数据 （ e）同步休眠 （ f）转向（ c） 计算机的处理流程如下所示： （ a）产生一个插口 （ b）绑定局部地址和端口 （ c）监听通信线路 （ d）接收 （ e）从 务器接收并处理数据块 （ f）将 态数据发送到 务器 （ g）同步休眠 （ h）转向（ d） 在 心计算机和现场设备之间的硬实时通 讯 尽管通过转换以太网网络带宽和冲突问题已经得到有效解决，但是转换器的存储和传输过程可能会导致数据丢失或者更长的延时（超过 30 微秒）。所以它还不能满足时间确定的应用要求，这时对时间有严格的限制。然而，带有实时控制协议的经改进后的传统以太网更加适合这些应用，所以在这里用来设计 现场网络。图 5 显示了其网络拓扑关系（主机是 计算机，从设备是其他现场设备）。 为解决确定时间通信问题，还可以用一些方法来避免冲突，如时间分隔法、查询法，对于一些不确定的因素，这些方法可以将以太网数据冲突的几率降至零。这里采用了时间分隔法避免冲突，并且传输的循环数据划分为三种： 机同步），设备数据）， 机数据）。通信循环如图 6 所示。 从 动 装 置 2从 动 装 置 1 从 动 装 置 核 心 计 算 机图 5 在 N C 核 心 和 N C 现 场 设 备 之 间 的 网 络 拓 扑 一个周期的通信步骤如下所示： （ a）主机发送同步数据到所有的从设备，告知一个周期的开始 （ b）从设备 1 在一个时间分隔中（开始于 送 据（如实际位