1 引言

　　數(shù)控系統(tǒng)必須滿足網(wǎng)絡(luò)化的要求,數(shù)控設(shè)備的形態(tài)已逐步發(fā)展為整個(gè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)能進(jìn)行感知、處理、傳輸并自動(dòng)執(zhí)行的節(jié)點(diǎn),本文的研究就起源于交換式以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中所面臨的實(shí)際問題。當(dāng)交換式以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和交換機(jī)的情況已經(jīng)確定時(shí),除了各端節(jié)點(diǎn)的通信帶寬分配策略,在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,另一個(gè)影響系統(tǒng)性能的因素就是主節(jié)點(diǎn)(如主控單元、核心服務(wù)器)上各通信任務(wù)的協(xié)調(diào)。在應(yīng)用層面,數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和通信的發(fā)起是隨機(jī)的,所以在這一層面也需要考慮多個(gè)通信任務(wù)對(duì)信道的共享問題,另外各類任務(wù)之間也存在對(duì)主節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源的共享問題。本文以工業(yè)控制中的一個(gè)典型應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)控服務(wù)系統(tǒng)為對(duì)象,有針對(duì)地對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中各通信任務(wù)之間以及通信任務(wù)與其他任務(wù)之間的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分析。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)絡(luò)數(shù)控服務(wù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)機(jī)床配備有少量的、必須的、功能簡(jiǎn)單且單一的控制器,如運(yùn)動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、PLC等,它們通過現(xiàn)場(chǎng)總線、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了機(jī)床的基本數(shù)控單元(但非完整系統(tǒng)),這些基本數(shù)控單元通過交換式以太網(wǎng)與功能豐富、提供更強(qiáng)處理能力的數(shù)控服務(wù)系統(tǒng)相連,從而獲得機(jī)床加工所需的完整數(shù)控功能。對(duì)機(jī)床的操作,由遠(yuǎn)程數(shù)控客戶端(專用客戶端或通用瀏覽器)通過交換式以太網(wǎng)連接到數(shù)控服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行。

　　整個(gè)系統(tǒng)主要包括如下幾個(gè)控制模塊:

　　(1)面向多控制對(duì)象的數(shù)控服務(wù)系統(tǒng)(NC service system, NCSS),負(fù)責(zé)多臺(tái)機(jī)床的數(shù)控操作管理和業(yè)務(wù)處理。該模塊與顯示與輸入設(shè)備相連,負(fù)責(zé)人機(jī)交互;實(shí)現(xiàn)加工代碼的編輯、編譯以及文件管理;通過以太網(wǎng)與運(yùn)動(dòng)控制單元交互,傳達(dá)加工信息及用戶指令;對(duì)被控對(duì)象動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行跟蹤顯示;與遠(yuǎn)程控制終端及企業(yè)、全球數(shù)字制造系統(tǒng)相連,實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行、管理、監(jiān)控和診斷等。

　　(2)顯示及鍵盤輸入裝置,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互顯示,數(shù)據(jù)與操作命令的輸入,加工狀態(tài)的顯示等功能。

　　(3)運(yùn)動(dòng)控制單元(motion controller, MC),實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)、刀補(bǔ)及間隙補(bǔ)償?shù)冗\(yùn)算;將位置/速度控制命令發(fā)送到位置/速度伺服控制器;與嵌入式PLC相連。

　　(4)嵌入式PLC,完成數(shù)控系統(tǒng)的各種邏輯控制,實(shí)現(xiàn)通用PLC功能。

　　(5)位置/速度伺服控制器,對(duì)加工軸進(jìn)行位置和速度控制。

　　(6)數(shù)控客戶端(NC client),用于遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)的專用控制終端軟件。

　　(7)嵌入式Web服務(wù)器(Embedded web server, EWS),其集成在數(shù)控服務(wù)系統(tǒng)內(nèi)。除了數(shù)控客戶端外,用戶可通過Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè),即Web瀏覽器作為遠(yuǎn)程控制的通用終端軟件。

3 通信任務(wù)的協(xié)調(diào)

　　在一個(gè)數(shù)控網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)數(shù)控服務(wù)系統(tǒng)起著控制和管理核心的作用,它是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多用戶和多控制對(duì)象的橋梁,但同時(shí),作為通信樞紐,它與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)交互頻繁,容易成為通信的瓶頸。因此,網(wǎng)絡(luò)數(shù)控服務(wù)系統(tǒng)上通信任務(wù)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)是十分重要的。

　　網(wǎng)絡(luò)數(shù)控服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中,軟件部分主要包括嵌入式軟件運(yùn)行環(huán)境和NC操作與管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng),而μC/OS-II本身不提供文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧以及圖形用戶界面等,因此本文移植了lwIP協(xié)議棧,開發(fā)了簡(jiǎn)單的文件系統(tǒng)和圖形用戶界面以提供更好的服務(wù)。

　　NC操作與管理系統(tǒng)的主要工作原理如下:用戶-NCSS通信模塊用于實(shí)現(xiàn)所有與外部的、基于網(wǎng)絡(luò)的交互,為了提供基于瀏覽器的數(shù)據(jù)交互,用戶-NCSS通信任務(wù)內(nèi)可添加EWS。用戶-NCSS通信模塊接收來自遠(yuǎn)程客戶端的指令或數(shù)據(jù)信息,從接收到的信息中讀取設(shè)備標(biāo)識(shí)字段,根據(jù)該信息向相應(yīng)設(shè)備的處理任務(wù)發(fā)送操作允許信號(hào)量,進(jìn)而轉(zhuǎn)入對(duì)相應(yīng)數(shù)控設(shè)備的處理操作。用戶-NCSS通信模塊還負(fù)責(zé)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分,以區(qū)分是數(shù)據(jù)還是命令,并區(qū)分是哪種類型的命令,分別發(fā)送至不同的消息隊(duì)列,并由這些消息隊(duì)列傳輸?shù)较鄳?yīng)的任務(wù)或者中斷進(jìn)行后續(xù)處理。如果收到的是NC代碼,則交由文件管理模塊進(jìn)行處理,它將NC代碼以文本的形式保存到存儲(chǔ)設(shè)備中以備調(diào)用。若從遠(yuǎn)程客戶端上收到相應(yīng)的文件處理命令,用戶-NCSS通信任務(wù)把該命令發(fā)送至文件處理命令消息隊(duì)列,相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊被喚醒,它讀取命令并提取相應(yīng)NC代碼文件進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)了NC代碼文件的管理,NC代碼的編輯、編譯,把NC代碼的功能參數(shù)傳送給運(yùn)動(dòng)控制單元,并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互。NC代碼解釋器已經(jīng)作為一個(gè)單獨(dú)的模塊實(shí)現(xiàn),在數(shù)據(jù)處理任務(wù)中,只需調(diào)用解釋模塊提供的相應(yīng)功能函數(shù)(如格式檢查函數(shù)、解釋函數(shù)等)即可。對(duì)于剛剛從文件系統(tǒng)中提取出來的NC代碼文本,需要調(diào)用解釋模塊提供的代碼分割函數(shù),將代碼文本以程序段為單位分割成若干字符串,并將這些字符串存入預(yù)先定義好的字符串處理結(jié)構(gòu)體中,再根據(jù)程序段號(hào)形成鏈表。而后,數(shù)據(jù)處理任務(wù)將查詢數(shù)據(jù)處理消息隊(duì)列,等待接下來的用戶指令?？刂浦噶钐幚砟K主要是傳達(dá)加工過程中用戶介入的控制指令,比如緊停、暫停、繼續(xù)、點(diǎn)動(dòng)、回零、狀態(tài)跟蹤和監(jiān)控等,相應(yīng)的,該任務(wù)通過查詢控制命令消息隊(duì)列來執(zhí)行對(duì)應(yīng)的各種操作。消息隊(duì)列可以接收來自多方的指令,既可以通過NCSS進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指令輸入,也可以通過網(wǎng)絡(luò)(瀏覽器、專用客戶端)來發(fā)送指令。NCSS-MC監(jiān)聽模塊用于接收來自運(yùn)動(dòng)控制單元的回饋信息。對(duì)于NC代碼執(zhí)行命令,相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊將配合NCSS-MC監(jiān)聽模塊,采用應(yīng)答式的傳送方式,將NC代碼以程序段為單位傳送給相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制單元。設(shè)備動(dòng)作期間,狀態(tài)跟蹤與反饋模塊將數(shù)控設(shè)備的動(dòng)作情況、狀態(tài)信息實(shí)時(shí)反饋給遠(yuǎn)端用戶。

　　展示了單個(gè)客戶端數(shù)控服務(wù)系統(tǒng)單個(gè)基本數(shù)控單元之間業(yè)務(wù)流的基本情況,其中業(yè)務(wù)流1和2分別指用戶在客戶端或現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出的數(shù)據(jù)和指令;業(yè)務(wù)流3和4分別為NCSS向基本數(shù)控單元轉(zhuǎn)發(fā)的處理后的數(shù)據(jù)和指令;業(yè)務(wù)流5為NCSS在收到監(jiān)控指令后,向基本數(shù)控單元發(fā)出的定時(shí)索要被控對(duì)象狀態(tài)信息的指令;業(yè)務(wù)流6為基本數(shù)控單元向NCSS定時(shí)回饋的狀態(tài)信息和請(qǐng)求信息;業(yè)務(wù)流7為NCSS向現(xiàn)場(chǎng)用戶實(shí)時(shí)反饋的被控對(duì)象狀態(tài)信息;業(yè)務(wù)流8為NCSS為現(xiàn)場(chǎng)用戶提供的其他操作與管理信息;業(yè)務(wù)流9為NCSS向遠(yuǎn)程客戶端用戶實(shí)時(shí)反饋的被控對(duì)象狀態(tài)信息;業(yè)務(wù)流10為NCSS向遠(yuǎn)程客戶端用戶提供的其他操作與管理信息。根據(jù)業(yè)務(wù)流的基本情況,下面將介紹（圖2、3）中所示各通信任務(wù)的協(xié)調(diào)。

　　用戶-NCSS通信任務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)接收用戶數(shù)據(jù)和指令并將其分類存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端程序。用戶和NCSS的交互主要有三種類型的信息:NC代碼,操作指令,以及向用戶回顯的機(jī)床狀態(tài)信息。由于這三類信息結(jié)構(gòu)比較類似,故采用同一消息結(jié)構(gòu)體對(duì)其進(jìn)行封裝,并通過適當(dāng)?shù)奈粊砑右詤^(qū)別。該任務(wù)在接收循環(huán)內(nèi)的recv系統(tǒng)之前調(diào)用了select系統(tǒng),此時(shí)任務(wù)阻塞在該系統(tǒng)上直到超時(shí)或者預(yù)設(shè)定的某個(gè)I/O條件(如套接口上有數(shù)據(jù)可讀)得到滿足,此時(shí)可以進(jìn)行相應(yīng)的I/O操作(如讀數(shù)據(jù))并能立即得到結(jié)果,select系統(tǒng)能同時(shí)判斷多個(gè)套接口的多種狀態(tài),而recv系統(tǒng)也是基于阻塞模式工作的,所以兩個(gè)系統(tǒng)之間就有機(jī)會(huì)設(shè)置全局標(biāo)志位來協(xié)調(diào)各通信任務(wù)。