1 引言

　　數(shù)控系統(tǒng)必須滿足網(wǎng)絡化的要求,數(shù)控設備的形態(tài)已逐步發(fā)展為整個企業(yè)網(wǎng)絡中的一個能進行感知、處理、傳輸并自動執(zhí)行的節(jié)點,本文的研究就起源于交換式以太網(wǎng)技術(shù)應用于數(shù)控系統(tǒng)中所面臨的實際問題。當交換式以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和交換機的情況已經(jīng)確定時,除了各端節(jié)點的通信帶寬分配策略,在實際的網(wǎng)絡系統(tǒng)設計中,另一個影響系統(tǒng)性能的因素就是主節(jié)點(如主控單元、核心服務器)上各通信任務的協(xié)調(diào)。在應用層面,數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和通信的發(fā)起是隨機的,所以在這一層面也需要考慮多個通信任務對信道的共享問題,另外各類任務之間也存在對主節(jié)點計算資源的共享問題。本文以工業(yè)控制中的一個典型應用網(wǎng)絡數(shù)控服務系統(tǒng)為對象,有針對地對實時系統(tǒng)設計與實現(xiàn)過程中各通信任務之間以及通信任務與其他任務之間的協(xié)調(diào)設計問題進行分析。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)絡數(shù)控服務系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個機床配備有少量的、必須的、功能簡單且單一的控制器,如運動控制、伺服驅(qū)動、PLC等,它們通過現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡構(gòu)成了機床的基本數(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、提供更強處理能力的數(shù)控服務系統(tǒng)相連,從而獲得機床加工所需的完整數(shù)控功能。對機床的操作,由遠程數(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)控服務系統(tǒng)進行。

　　整個系統(tǒng)主要包括如下幾個控制模塊:

　　(1)面向多控制對象的數(shù)控服務系統(tǒng)(NC service system, NCSS),負責多臺機床的數(shù)控操作管理和業(yè)務處理。該模塊與顯示與輸入設備相連,負責人機交互;實現(xiàn)加工代碼的編輯、編譯以及文件管理;通過以太網(wǎng)與運動控制單元交互,傳達加工信息及用戶指令;對被控對象動作狀態(tài)進行跟蹤顯示;與遠程控制終端及企業(yè)、全球數(shù)字制造系統(tǒng)相連,實現(xiàn)整個數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化開發(fā)、調(diào)試、運行、管理、監(jiān)控和診斷等。

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

　　(3)運動控制單元(motion controller, MC),實現(xiàn)插補、刀補及間隙補償?shù)冗\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,實現(xiàn)通用PLC功能。

　　(5)位置/速度伺服控制器,對加工軸進行位置和速度控制。

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

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

3 通信任務的協(xié)調(diào)

　　在一個數(shù)控網(wǎng)絡中,網(wǎng)絡數(shù)控服務系統(tǒng)起著控制和管理核心的作用,它是網(wǎng)絡環(huán)境下多用戶和多控制對象的橋梁,但同時,作為通信樞紐,它與網(wǎng)絡中其他節(jié)點交互頻繁,容易成為通信的瓶頸。因此,網(wǎng)絡數(shù)控服務系統(tǒng)上通信任務的協(xié)調(diào)設計是十分重要的。

　　網(wǎng)絡數(shù)控服務系統(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)了簡單的文件系統(tǒng)和圖形用戶界面以提供更好的服務。

　　NC操作與管理系統(tǒng)的主要工作原理如下:用戶-NCSS通信模塊用于實現(xiàn)所有與外部的、基于網(wǎng)絡的交互,為了提供基于瀏覽器的數(shù)據(jù)交互,用戶-NCSS通信任務內(nèi)可添加EWS。用戶-NCSS通信模塊接收來自遠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備標識字段,根據(jù)該信息向相應設備的處理任務發(fā)送操作允許信號量,進而轉(zhuǎn)入對相應數(shù)控設備的處理操作。用戶-NCSS通信模塊還負責對收到的數(shù)據(jù)進行區(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)送至不同的消息隊列,并由這些消息隊列傳輸?shù)较鄳娜蝿栈蛘咧袛噙M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行處理,它將NC代碼以文本的形式保存到存儲設備中以備調(diào)用。若從遠程客戶端上收到相應的文件處理命令,用戶-NCSS通信任務把該命令發(fā)送至文件處理命令消息隊列,相應的數(shù)據(jù)處理模塊被喚醒,它讀取命令并提取相應NC代碼文件進行處理。數(shù)據(jù)處理模塊主要實現(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)傳送給運動控制單元,并實現(xiàn)現(xiàn)場人機交互。NC代碼解釋器已經(jīng)作為一個單獨的模塊實現(xiàn),在數(shù)據(jù)處理任務中,只需調(diào)用解釋模塊提供的相應功能函數(shù)(如格式檢查函數(shù)、解釋函數(shù)等)即可。對于剛剛從文件系統(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先定義好的字符串處理結(jié)構(gòu)體中,再根據(jù)程序段號形成鏈表。而后,數(shù)據(jù)處理任務將查詢數(shù)據(jù)處理消息隊列,等待接下來的用戶指令?？刂浦噶钐幚砟K主要是傳達加工過程中用戶介入的控制指令,比如緊停、暫停、繼續(xù)、點動、回零、狀態(tài)跟蹤和監(jiān)控等,相應的,該任務通過查詢控制命令消息隊列來執(zhí)行對應的各種操作。消息隊列可以接收來自多方的指令,既可以通過NCSS進行現(xiàn)場指令輸入,也可以通過網(wǎng)絡(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動控制單元的回饋信息。對于NC代碼執(zhí)行命令,相應的數(shù)據(jù)處理模塊將配合NCSS-MC監(jiān)聽模塊,采用應答式的傳送方式,將NC代碼以程序段為單位傳送給相應的運動控制單元。設備動作期間,狀態(tài)跟蹤與反饋模塊將數(shù)控設備的動作情況、狀態(tài)信息實時反饋給遠端用戶。

　　展示了單個客戶端數(shù)控服務系統(tǒng)單個基本數(shù)控單元之間業(yè)務流的基本情況,其中業(yè)務流1和2分別指用戶在客戶端或現(xiàn)場發(fā)出的數(shù)據(jù)和指令;業(yè)務流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)出的定時索要被控對象狀態(tài)信息的指令;業(yè)務流6為基本數(shù)控單元向NCSS定時回饋的狀態(tài)信息和請求信息;業(yè)務流7為NCSS向現(xiàn)場用戶實時反饋的被控對象狀態(tài)信息;業(yè)務流8為NCSS為現(xiàn)場用戶提供的其他操作與管理信息;業(yè)務流9為NCSS向遠程客戶端用戶實時反饋的被控對象狀態(tài)信息;業(yè)務流10為NCSS向遠程客戶端用戶提供的其他操作與管理信息。根據(jù)業(yè)務流的基本情況,下面將介紹（圖2、3）中所示各通信任務的協(xié)調(diào)。

　　用戶-NCSS通信任務主要是實現(xiàn)接收用戶數(shù)據(jù)和指令并將其分類存儲的網(wǎng)絡服務器端程序。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)體對其進行封裝,并通過適當?shù)奈粊砑右詤^(qū)別。該任務在接收循環(huán)內(nèi)的recv系統(tǒng)之前調(diào)用了select系統(tǒng),此時任務阻塞在該系統(tǒng)上直到超時或者預設定的某個I/O條件(如套接口上有數(shù)據(jù)可讀)得到滿足,此時可以進行相應的I/O操作(如讀數(shù)據(jù))并能立即得到結(jié)果,select系統(tǒng)能同時判斷多個套接口的多種狀態(tài),而recv系統(tǒng)也是基于阻塞模式工作的,所以兩個系統(tǒng)之間就有機會設置全局標志位來協(xié)調(diào)各通信任務。