以太网的数控系统数字接口技术分析
2018-4-3 来源：通辽市高级技工学校 作者： 黄传梅
摘要:以太网具有低成本、稳定性高且应用广泛等特点、作为通信领域的事实标准、以太网技术成熟且稳定性高、适用于数控系统数字接口标准数控系统的网络化和数字化发展对数字接口网络有了更高的要求、本文主要针对以太网在数控系统数字接口中的应用、提出了以太网对解决数控系统问题的相关方法。
关键词:以太网 数控系统 数字接口 实时通信 同步
1、基于以太网的数控系统存在的问题
基于以太网的数控系统主要面对同步性、实时性和可靠性问题，以太网在数控系统中的应用技术发展迅速，但很多的应用主要采用以太网硬件实现工厂级和现场级网络连接，以太网的数控系统应用在运动控制中仍然以现场总线应用为主，并未实现真正的以太网数控系统应用。数控系统中一般将传输信息划分为确定性信息和非确定性信息两种，其中确定性信息主要指插补命令、机床状态和周期性位控等周期性实时信息传输，非确定性信息指故障报警、文件下载等突发事件和非实时性信息。数控系统数据传输要求根据周期信息时间确定性通信问题、突发信息的实时传输问题、信息共存问题和各单元之间的周期同步问题等，提高系统的同步性、实时性和可靠性。
数控系统中各通道间的协同、插补轴之间的联动对信息传输时间的同步性要求较高，传统的数控系统采用集中控制模式，各个进程可以通过系统的全局时钟获得时间，以太网的数控系统通过系统内的多个节点获取时间，但节点存在物理上的分散性，因此以太网的数控系统不能采用全局时钟，系统内的各节点依靠本地时钟运行，但本地时钟的运行环境和速率不一致，再加上以太网固有网络的延迟和传输不稳定性，导致各节点的传输时间差异较大，对数控系统的性能也有较大影响。
实时性问题是指控制系统的数据处理速度满足系统要求，控制指令没有延迟且能在规定时间内完成系统任务等，数控系统在进行位置控制时实时性要求较高，且针对不同场合和不同层次有不同的实时性要求。以太网作为一个非实时网络，其固有网络传输不确定性对系统有较大影响，需要针对以太网数控系统的数字接口技术研究实时性问题。
数控系统发生突发故障会造成很大的损失，应根据以太网的数控系统的数字接口研究系统的可靠性问题，最初研究的以太网对网络可靠性问题的关注不高，且网络抗干扰能力较弱，应用于数控系统时，要求以太网具有更高的可靠性、网络诊断和恢复能力，以保证网络系统发生故障时系统仍然可以正常运行，保证系统的同步性和实时性，因此基于以太网的数控系统的性能应以可靠性研究为前提，提高数控系统的自动修复能力和抗干扰能力。
2、基于以太网数控系统的全数字接口分析
将以太网引人数控系统作为数控系统各个层次统一的数字接口可以解决数控系统开放性。数字化、高速化和网络化等问题，接口协议层通过标准以太网基础上改造的以太网数字接口，可实现运动控制和执行协议层之间的实时通信，同时支持逻辑控制协议层和执行协议层之间的同步实时通信，以太网本身作为高速率的全数字化网络，通过提高其同步性、实时性和可靠性，可以实现高速高精运动控制数据传输。以太网是目前最为开放的网络，技术成熟且应用广泛，通过以太网连接数控系统中的各项模块可实现模块重构、互换和裁剪等工作，利用以太网的数控系统数字接口技术可以更好的提高系统的开放性和稳定性，且以太网的硬件和软件间隔便宜、具有较高的稳定性，采用以太网的数控系统全数字接口技术不仅能提高系统的开放性，还可以有效降低系统的控制成本和生产成本。以太网的全数字接口主要采用的是以太网硬件和 MAC层协议，在以太网的基础上实现的通信协议和通信软件，具有更好的同步性、实时性和可靠性。
随着数控系统的发展，单一的操作系统已经难以满足数控系统的相关任务要求，根据特征尺度的层次化思想，在以太网数控系统基础上的体系结构具有多处理器的特点，根据时间尺度、空间尺度和逻辑尺度的问题，可在数控系统软件体系中实现多种操作系统运行，构建层次化的多操作系统软件结构，例如WINDOWS操作系统在用户界面协议层基础上，可实现人机界面、任务管理等功能;运动控制协议层根据RT-Linu}可实现高实时性要求的运动控制功能。以太网的数控系统数字接口技术可基于特征尺度的层次化体系结构，在硬件上实现多处理器融合重构，软件上实现多操作系统，以满足数控系统体系结构的需求。
以太网的数控系统体系结构可将W INDO WS操作系统作为人机交互界面，采用RTLinux系统作为内核操作系统，以提高数控系统的实时性，实现多操作系统的软件结构。以太网开发的全数字接口协议可以利用廉价的以太网芯片期间，构建高速化、高响应的全数字接口，在数控系统应用中可以大大提高系统的开放性和可靠性。
3、结语
以太网的迅速发展使其网络系统逐渐完善，得到了广泛的应用支持，虽然以太网在商业用途上取得了较大的成功，但在工业应用中仍然存在较多缺陷，对以太网的数控系统数字接口技术的研究应从多个方面展开，提高系统的可靠性、实时性和同步性。以太网作为高速率的全数字化网络，将其作为数控系统各个层次的数字接口展开研究，对解决数控系统实际应用中的相关问题、提升系统的整体性和开放性有积极意义。
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