专利名称：一种数控系统网络化体系结构的实现方法
技术领域：
本发明涉及控制与通信领域，具体的说是一种数控系统网络化体系结构的实现方法。
背景技术：
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。
发明内容
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，本发明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，本发明采用的技术方案是本发明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。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。
本发明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。本发明方法中，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。本发明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。本发明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。本发明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。
图1为本发明方法应用的数控系统软件逻辑结构图；图2为本发明方法应用的数控系统通信平台示意图；图3为本发明方法中数控系统网络化体系结构示意图；图4为本发明方法中数控系统通信原理图；图5为本发明方法中非实时任务软实时化流程图；图6A为本发明方法中人机界面控制器报文发送过程示意图；图6B为本发明方法中服务器报文接收过程示意图；图6C为本发明方法中任务控制器报文读取过程示意图；图7为本发明方法中网络化数控系统跨平台交互示意图；图8为本发明方法中混合交互模型示意图；图9为本发明方法中网络化数控系统远程通信时延分析图；图IOA为本发明方法中Khernet数据包的时间间隔图；图IOB为本发明方法中RTnet数据包的时间间隔图；图IlA为本发明方法中采用共享缓冲区模型的访存时延图；图IlB为本发明方法中采用混合交互模型的访存时延图。
具体实施例方式如图1所示，为本发明方法应用的数控系统软件逻辑结构图。
该图中的软件运行于硬实时多任务操作系统(RTAI，Real TimeApplication Interface for Linux)平台上，采用实时控制系统(RCS,Real-timeControl System)的层次化参考模型设计并基于RCS库实现，可划分为三个层次，四个功能模块。三个层次分别为图形用户接口层、任务调度层、系统控制层。四个功能模块为人机界面控制器、任务控制器、运动控制器、可编程逻辑控制器(PLC，Programmable Logic Controller)，分别完成以下功能1.人机界面控制器作为非实时任务运行于用户空间，是用户与数控系统交互的平台。操作人员可在用户界面上实现对数控系统的所有操作，包括数控加工程序和PLC程序的输入、编辑、显示和管理；将所述程序或开机上电、自动/手动模式切换等操作对应成界面控制命令发送给数控机；显示系统运行状态。2.任务控制器作为非实时任务运行于用户空间，是整个系统的枢纽，主要负责协调用户指令与系统控制层的动作。首先，接收人机界面控制器发送的操作并立即执行，然后，解释“G代码和M代码”编制的零件加工程序为RCS控制命令，调用相应命令的执行函数将其发送到运动控制器或者PLC，协调运动控制器和PLC的动作。最后从运动控制器和PLC取得当前的加工状态，封装成RCS状态消息，处理后发送到人机界面控制器进行显示。此外，任务控制器还完成对系统和机床的初始化工作，对自动、手动等操作模式的转换控制等功能。3.运动控制器运动控制器是数控系统的核心，主要完成对轴的运动控制，包括轴位置采样、计算轨迹值、插补以及伺服控制等功能，进而驱动伺服设备运行。另外，运动控制器中还包含一些补偿模块，对非线性特性进行线性近似并做出补偿，例如反向间隙补偿和双向轴向补偿。 由于运动控制控制器对运行速度和时序要求严格，所以运动控制器作为实时任务运行于 RTAI实时空间。4. PLC运行于RTAI实时空间，主要负责主轴控制、冷却控制和辅助控制(例如急停、润滑)三个子系统的1/0控制。将数控机床的数字量信息和开关量信息很好协调起来，驱动 1/0设备运行。上述四个功能模块之间根据RCS配置文件的规则，通过RCS提供的中间消息语言 (NML,Neutral Message Language)通道机制以及共享缓冲区实现信息交互。这种模块化、 层次化的软件结构使得开放式数控系统易于扩展，能够满足各类机床硬件的不同控制要求。标准化的用户接口，统一的用户界面，既方便系统的维护，又方便用户实现对系统软、硬件互换的要求。如图2所示，为本发明方法应用的数控系统通信平台示意图。数控系统通信平台为功能模块间和现场设备间信息互操作提供基础，直接关系到数控系统的整体性能。功能模块间信息互操作是指数控系统自身功能部件间的数据交互， 可分为本地模块间交互和跨平台模块间交互。现场设备间信息互操作是指通过现场总线技术实现控制现场中控制系统与伺服、1/0、网络分析仪等相关职能设备之间的通信。本发明方法主要是针对数控系统功能模块间的信息互操作。
本发明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(RTnet)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。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。如图3所示，为本发明方法中数控系统网络化体系结构示意图。该图中RTnet网络采用总线拓扑结构，包含有限多个节点，其中存在多个工业PC 机和多个数控机。低耦合高消耗的人机界面控制器独立运行于其中一台工业PC机中，其他控制器，即任务控制器、运动控制器以及PLC运行于其中一台数控机中。工业PC机可以通过标准TCP/IP协议访问因特网，通过WLAN协议无线连接手机、个人掌上电脑、便携电脑等移动终端，便于实现远程监控、故障检测、远程维护等功能。基于标准以太网硬件，工业PC机与数控机之间使用RTnet提供的Real-time UDP/IP协议传输实时数据包(如命令消息、 状态消息、错误消息等)，使用Tunneled TCP/IP协议传输非实时数据包。上述过程也就是将人机界面控制器与其他控制器分别设于工业PC机和数控机上，该分离后的数控系统可以采取一对一、一对多的工作模式，即一个人机界面控制器可以连接RTnet中任意一台或多台数控机，只需修改RCS配置文件中的通信规则，即可重置网络结构，更改节点之间的对应通信关系，实现网络的灵活配置。如图4所示，为本发明方法中数控系统通信原理图。本发明方法中的网络化体系结构是基于RCS通信平台的网络通信功能实现的，其核心技术为NML通道机制。其中，NML服务器用于远程通道通信，RCS配置文件用于记录各模块与各缓冲区之间的消息通信规则。由于实时性要求最高的运动控制器运行在数控机上，因此在数控机上启用服务器并创建通道，如命令通道、状态通道、错误通道等，同时开辟缓冲区。任务控制器可以直接读写本地缓冲区。远程人机界面控制器根据配置文件的规则，连接RTnet网络中对应数控机节点的服务器，间接访问缓冲区，以此来与任务控制器交互命令、状态、错误等信息。服务器代替人机界面控制器对缓冲区中的消息进行编码与解码，实现对缓冲区的远程访问，可以避免远程通信对本地模块间通信的影响。运行于用户空间的人机界面控制器、NML服务器以及任务控制器(即非实时任务，也可称为用户任务)借助软实时机制的改造，作为软实时任务实时处理数据。改造后的任务控制器与运动控制器之间采用混合交互模型通信。基于图4原理，所述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，如图5所示，为本发明方法中非实时任务软实时化流程图，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。非实时任务包括人机界面控制器、NML服务器以及任务控制器。第一步，非实时任务初始化，设置基本配置参数及运行参数；第二步，使用LXRT提供的函数将非实时任务初始化为实时周期任务，锁定任务内存空间，防止被置换出内存，在内核空间创建实时代理任务，设置定时器模式为周期模式， 启动定时器；第三步，通过软中断实现软/硬实时切换，任务进入内核态，设置实时任务的启动时间及周期长度；第四步，进入主循环周期，执行任务核心功能，实时处理数据，本次任务完成后，主动放弃CPU，等待下次调度，周期循环执行；第五步，周期任务完成后，返回用户态；第六步，删除实时代理任务，关闭定时器，解除锁定并清理任务空间，释放资源。基于图4原理，所述实时以太网RTnet连接工业PC机和数控机，是在以太网硬件之上，借助RTnet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RTnet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RTnet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。如图6A、6B和6C所示，分别为本发明方法中人机界面控制器报文发送过程示意图、服务器报文接收过程示意图以及任务控制器报文读取过程示意图。各模块使用NML通道通信的过程中，根据配置文件，如果要访问的缓冲区标志为远程(RTMOTE)或者本身为服务器，则需要调用网络套接字接口。本发明方法使用RTnet提供的实时套接字接口替换RCS 标准套接字接口，完成远程通信。图中以命令消息为例，对各模块进行详细描述。如图6A所示，为本发明方法中人机界面控制器报文发送过程示意图。第一步，初始化与命令通道的连接，创建通道对象和UDPMEM对象，用于UDP包的存储与传输；第二步，调用实时以太网RTnet接口，创建数据报套接字，设置套接字属性，注册端口号，远程确认缓冲区，呼叫服务器应答；第三步，将命令消息封装入UDP报文中，调用实时以太网RTnet接口，在工业PC机的发送时隙中，根据RCS配置文件，将命令报文实时发送至数控机；第四步，注销端口。
如图6B所示，为本发明方法中服务器报文接收过程示意图。第一步，初始化与命令通道的连接，创建通道对象，连接命令缓冲区，并查询RCS 配置文件中各模块和命令缓冲区的匹配情况；第二步，调用实时以太网RTnet接口，创建数据报套接字，设置套接字属性，注册端口号；第三步，监听端口，调用实时以太网RTnet接口，实时接收远程命令报文，并根据 RCS配置文件，从报文中提取命令消息，放入本地命令缓冲区；第四步，注销端口。如图6C所示，为本发明方法中任务控制器报文读取过程示意图。第一步，创建通道，开辟命令缓冲区；第二步，等待服务器将远程接收到的命令消息放入命令缓冲区后，根据RCS配置文件，直接从命令缓冲区读取命令消息。如图7所示，为本发明方法中网络化数控系统跨平台交互示意图。该图中以命令消息为例，详细描述了网络化数控系统跨平台工作流程。其中，人机界面控制器作为发送端运行于工业PC机上，执行写命令消息。服务器、任务控制器作为接收端运行于数控机上，执行远程代理写命令消息和读命令消息。图中①至⑨为执行步骤序号。各模块描述分别如下1.人机界面控制器步骤①声明与命令通道的连接；步骤②锁定任务内存空间，初始化实时周期任务并设置调度策略，开启周期模式定时器，单位为纳秒；步骤③通过软中断切换到内核空间，进入硬实时状态，设置任务启动时间及周期长度；步骤④进入主循环周期，执行人机界面控制器核心任务，实时处理数据，创建实时套接字并注册端口，根据RCS配置文件远程写数据，将命令消息实时发送到远程端口 ；步骤⑤判断任务是否结束，如果结束，则转步骤⑨；否则转步骤④，继续周期循环处理，直至任务结束；步骤⑨返回用户空间，进入软实时状态，关闭定时器和套接字，清理任务。2.服务器步骤①声明与命令通道的连接；步骤②锁定任务内存空间，初始化实时任务并设置调度策略；步骤③通过软中断切换到内核空间，进入硬实时状态，设置任务启动时间，转步骤步骤⑥启动NML服务器，创建实时套接字，注册并监听端口，等待实时接收远程数据，根据RCS配置文件，将收到的命令消息实时写入相应的命令缓冲区后，继续监听端口， 直至服务器任务完成，转步骤⑨；步骤⑨返回用户空间，进入软实时状态，终止NML服务器。3.任务控制器步骤①创建命令通道，开辟命令缓冲区；
步骤②锁定任务内存空间，初始化实时周期任务并设置调度策略，开启周期模式定时器，单位为纳秒；步骤③通过软中断切换到内核空间，进入硬实时状态，设置任务启动时间及周期长度，转步骤⑦。步骤⑦进入主循环周期，执行任务控制器核心任务，根据RCS配置文件，从命令缓冲区中实时读取命令消息并处理；步骤⑧判断任务是否结束，如果结束，则转步骤⑨；否则，转步骤⑦，继续周期循环处理，直至任务结束；步骤⑨返回用户空间，进入软实时状态，关闭定时器和套接字，清理任务。基于图4原理，本发明方法中，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RTAI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。如图8所示，为本发明方法中混合交互模型示意图。图中任务控制器与运动控制器之间采用共享缓冲区交互命令、状态、错误消息，使用管道传递共享缓冲区的状态信号。以命令消息为例，任务控制器与运动控制器之间的通信过程如下1.数据发送任务控制器将命令消息写入命令缓冲区，通过管道向运动控制器发送一个信号，告知其命令缓冲区中消息已被更新，同时移交对命令缓冲区的访问权。2.数据接收运动控制器收到管道的信号，获得对命令缓冲区的访问权，从命令缓冲区读取命令消息，读取完毕后通过管道向任务控制器回复一个信号，告知其命令缓冲区中的数据已被读取，任务控制器接收该信号后重新获得访问权。RTAI为管道创建回调函数句柄，当该管道被读/写时，回调函数被系统自动调用。 因此，通信双方只在收到信号后才去读/写共享缓冲区，其他时刻执行自己的核心代码，不需要轮询检查共享缓冲区的使用状态，具备事件驱动的特性。实时性和稳定性是决定数控系统整体性能的关键因素，也是本发明方法重点关注的性能。本发明方法的测试环境工业PC机硬件平台为2. 2GHz x86CPU, IGb内存；数控机硬件平台为800MHz x86CPU，512Mb内存；操作系统为RedHat Linux 9.0，内核版本2. 6. 19， RTAI 版本 3. 7 ；RTnet 版本 0. 9. 11 ；网卡为 Realtek RTL 8139。如图9所示，为本发明方法中网络化数控系统远程通信时延分析图。以1Kb命令消息的传送为例，测试本发明方法的实时性。图中将通信时延分为Thmi，Ttask和Ttean，分别代表人机界面控制器数据处理时延、任务控制器数据处理时延和RTnet传输时延。将数据处理时延定义为数据在任务缓冲区与本地网卡静态存储器之间的传输时间。测试本发明方法中人机界面控制器与任务控制器的数据处理时延，与未使用LXRT机制的数控系统作对比。实验结果，本发明方法的Thmi平均为27. 4 μ s，Ttask平均为28. 1 μ s,小于未使用 LXRT机制的数控系统。结果表明，本发明方法使用LXRT机制，提高了用户任务数据处理速度，有效降低了数据处理时延。实验使用网络分析工具Wireshark嗅探器，针对特定IP主机，记录网络中每个截获的数据包距离上次截获的数据包之间的时间间隔，通过计算网络数据包传输频率间接测试网络传输时延Ttran。如图IOA和IOB所示，分别为本发明方法中Khernet和RTnet数据包的时间间隔图。图中显示100组测试数据，其中，为了清晰的标识测量值，Ethernet测量的数据采用对数坐标图。由于RTnet数据包发送频繁，Wireshark每200个包记录一次时间间隔。实验结果，Ethernet数据包传输时间间隔抖动很大，嗅探器平均每隔2. 44秒才能捕获一个数据包。而RTnet的数据包传送平稳，不会出现大幅度的间隔抖动，且数据包间隔更小，每隔490纳秒即可传输一个数据包。结果表明，与以太网相比，RTnet有效缓解了数据包冲突，降低了跨平台模块间的传输时延Tt·。本发明方法虽然引入了网络因素，但其将人机界面控制器分离出来，并采用LXRT 软实时机制和RTnet实时以太网技术，有效缓解了单处理器的压力，较好地确保了数据处理的实时性和数据传输的实时性，进而提高了系统整体的控制性能，相对于传统数控系统有很大的优越性。如图IlA和IlB所示，分别为本发明方法中采用共享缓冲区模型与混合交互模型的访存时延图。实验以命令消息为例，记录任务控制器与运动控制器之间消息写入命令缓冲区的时间。实验结果，混合交互模型平均写入时间为20. 742 μ s，低于共享缓冲区模型的 24. 209 μ s，而且混合交互模型的时间抖动更小。结果表明，与共享缓冲区模型相比，在任务控制器与运动控制器之间采用混合交互模型，本地模块间通信时延更小，系统的稳定性更好。
权利要求
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。
2.按权利要求1所述的数控系统网络化体系结构的实现方法，其特征在于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。
3.按权利要求1所述的数控系统网络化体系结构的实现方法，其特征在于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。
4.按权利要求1所述的数控系统网络化体系结构的实现方法，其特征在于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。
5.按权利要求1所述的数控系统网络化体系结构的实现方法，其特征在于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。
6.按权利要求1所述的数控系统网络化体系结构的实现方法，其特征在于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。
7.按权利要求6所述的数控系统网络化体系结构的实现方法，其特征在于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。
全文摘要
本发明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。
文档编号G05B19/418GK102253657SQ20101017655
公开日2011年11月23日 申请日期2010年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者于东, 岳东峰, 高甜容 申请人:中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司, 沈阳高精数控技术有限公司