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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系 部： 機(jī)械工程系
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名： 馬磊
學(xué) 號(hào)： 05010220
(用外文寫)
外文出處： Int J Adv Manuf Technol(2007)
DOI 10.1007/s00170-006-0676-2
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語：
所選原文資料內(nèi)容符合本畢業(yè)設(shè)計(jì)及專業(yè)方向要求，篇幅飽滿，翻譯用詞準(zhǔn)確，語句通順。
簽名：
2009年3 月18 日
注：請將該封面與附件裝訂成冊。
附件1：外文資料翻譯譯文
基于工業(yè)以太網(wǎng)透明模型的層次實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)CNC系統(tǒng)
摘要 隨著市場上工業(yè)以太網(wǎng)的重要性日益增加，人們急切的需要基于工業(yè)以太網(wǎng)透明模型的網(wǎng)絡(luò)化CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)字控制）系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了一種基于以太網(wǎng)/因特網(wǎng)的層次實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，叫做RNH-CNC。為評(píng)估其性能，進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)，并對結(jié)果作了分析。結(jié)果表明基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的現(xiàn)場層通訊能滿足硬件實(shí)時(shí)任務(wù)的要求?；诳砷_關(guān)的以太網(wǎng)的NC服務(wù)器計(jì)算機(jī)和NC核心計(jì)算機(jī)之間的通訊也達(dá)到了軟件實(shí)時(shí)任務(wù)的要求。結(jié)果證明基于工業(yè)以太網(wǎng)透明模型的CNC系統(tǒng)是可行的。
關(guān)鍵字 CNC 網(wǎng)絡(luò) 實(shí)時(shí) 工業(yè)以太網(wǎng)
1. 引言
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化CNC系統(tǒng)有兩個(gè)特點(diǎn)[6]:
(a) 遠(yuǎn)程作業(yè)處理。基于因特網(wǎng)和局域網(wǎng)（LAN），CNC系統(tǒng)能執(zhí)行遠(yuǎn)程操作遙控，例如遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷。
(b) 基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場設(shè)備控制。需要基于高速現(xiàn)場總線的實(shí)時(shí)現(xiàn)場設(shè)備控制。
現(xiàn)在已經(jīng)提出了多種方法來支持網(wǎng)絡(luò)CNC系統(tǒng)。特別是許多論文重點(diǎn)在現(xiàn)場總線，它們提出了可行的解決方法，而這些都是建立在專用現(xiàn)場總線上的，例如CAN, Profibus, SERCOS。 此外，隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，一些文章提出了將以太網(wǎng)和RS232相結(jié)合的CNC系統(tǒng)解決方法[3，8]。
近幾年來，以太網(wǎng)技術(shù)得到迅速完善，它的速度已經(jīng)從一開始的每秒10M提高到每秒10G。理論上，以太網(wǎng)的速度比現(xiàn)存的專用現(xiàn)場總線的速度快得多。例如，每秒10G的以太網(wǎng)速度是每秒12M的PROFIBUS速度的830倍，是每秒1M的CAN速度的10000倍。根據(jù)美國權(quán)威研究機(jī)構(gòu)（ARC）的報(bào)告，工業(yè)以太網(wǎng)將促進(jìn)未來現(xiàn)場總線的發(fā)展，并且可能工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一起來。據(jù)此，在網(wǎng)絡(luò)CNC系統(tǒng)中引入工業(yè)以太網(wǎng)也將是CNC系統(tǒng)發(fā)展的新方向。
目前，一些機(jī)構(gòu)在集中研究工業(yè)以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)上。工業(yè)以太網(wǎng)有兩種應(yīng)用模式[7]. 一種是混合模式，一般可用于上層來連接企業(yè)以太網(wǎng)LAN，而下層仍然用低速專用現(xiàn)場總線。有幾種研究結(jié)果，例如Profinet、ModbusTCP/IP、Ethernet/IP和iLON?；旌夏Ｐ褪且环N折中的方案，其主要?jiǎng)訖C(jī)來自于各個(gè)現(xiàn)場總線制造商要，要將專用現(xiàn)場總線和企業(yè)以太網(wǎng)相連。它們?nèi)冀⒃贗EEE802.3和TCP/IP的基礎(chǔ)上，但是應(yīng)用層協(xié)議是多種多樣的，且連接專用現(xiàn)場總線到以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)也是專門的。這些專用技術(shù)和多種多樣的應(yīng)用層協(xié)議影響直接到專用現(xiàn)場總線的廣泛應(yīng)用。
另一個(gè)是透明模式，即在所有層都采用了以太網(wǎng)/因特網(wǎng)（從上層到下層）技術(shù)。對工業(yè)以太網(wǎng)來說這是一個(gè)完全的解決案，但仍存在一些難題。主要問題是工業(yè)控制以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性能的改進(jìn)。為解決這問題，在兩方面加快了透明模型的主要研究。其中一個(gè)是可開關(guān)的以太網(wǎng)的研究，另一個(gè)是實(shí)時(shí)控制協(xié)議的研究。盡管已經(jīng)有了解決這些以太網(wǎng)問題的研究成果，但是離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。
本文通過綜合考慮CNC系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一個(gè)基于工業(yè)以太網(wǎng)透明模式的層次實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)CNC系統(tǒng)（RNH-CNC）。論文其他部分結(jié)構(gòu)如下：第二節(jié)中，介紹了RNH-CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；第三節(jié)中描寫了RNH-CNC的實(shí)現(xiàn)；第四節(jié)涉及實(shí)驗(yàn)和評(píng)估；最后，第五節(jié)給出了結(jié)論。
2. RNH-CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
2.1 網(wǎng)絡(luò)和硬件體系結(jié)構(gòu)
RNH-CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分成4個(gè)層次（如圖1）：最底層（第1層）包括現(xiàn)場設(shè)備（例如伺服系統(tǒng)、輸入/輸出設(shè)備）；第二層包括NC核心計(jì)算機(jī)；第三層包括NC服務(wù)器計(jì)算機(jī)和其他系統(tǒng)（如：CAD，CAPP）；最高的層是基于因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器計(jì)算機(jī)[1]。從最高層到最底層分別是非實(shí)時(shí)因特網(wǎng)、軟實(shí)時(shí)以太網(wǎng)和硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。
2.2 軟件結(jié)構(gòu)
RNH-CNC系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。 它也被劃分為四個(gè)層次：基于因特網(wǎng)、NC服務(wù)器、NC核心、現(xiàn)場設(shè)備控制的遠(yuǎn)程操作。
遠(yuǎn)程操作包括遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。
NC服務(wù)器起的作用如下：
(a) CNC 人機(jī)界面（HMI）：用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，控制，參數(shù)管理，過程信息顯示，刀具軌跡顯示，以及更新。
(b) 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：提供基于因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能，包括基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、管理、故障診斷和監(jiān)控等服務(wù)。
(c) 軟實(shí)時(shí)以太網(wǎng)（SRE）接口：基于以太網(wǎng)，在NC服務(wù)器計(jì)算機(jī)和NC核心計(jì)算機(jī)之間提供軟實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換功能。
NC核心包括CNC核心功能，軟實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口（SRE界面），硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口（HRE界面）。
(a) CNC核心功能：用于實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)的核心功能。大部分功能都是實(shí)時(shí)過程，所以需要系統(tǒng)對它們做出快速的響應(yīng)。NC核心功能包括插補(bǔ)，位置控制，PLC，NC代碼譯碼，刀具補(bǔ)償，運(yùn)動(dòng)控制等。
(b) 軟件實(shí)時(shí)以太網(wǎng)（SRE）接口：用于提供NC服務(wù)器計(jì)算機(jī)和NC主計(jì)算機(jī)之間的以太網(wǎng)軟實(shí)時(shí)通信接口。
(c) 硬件實(shí)時(shí)以太網(wǎng)（HRE）接口：用于提供NC主計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備（如伺服，輸入/輸出）之間的硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口。
現(xiàn)場設(shè)備控制包括了硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口（在NC主計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備之間）和其他裝置控制。
3. 執(zhí)行等級(jí)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)
3.1 在因特網(wǎng)的基礎(chǔ)上執(zhí)行遠(yuǎn)程診斷、監(jiān)控
通過基于因特網(wǎng)的遠(yuǎn)程診斷，監(jiān)測和控制這些功能，不在現(xiàn)場的工程師們能通過因特網(wǎng)診斷出機(jī)器故障，監(jiān)測和控制機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)。NC服務(wù)器應(yīng)提供必要的信息給工程師分析和做出決策，這些信息包括機(jī)床狀況，運(yùn)行日志，系統(tǒng)參數(shù)和其他相關(guān)信息，因此，必須能實(shí)現(xiàn)NC服務(wù)器與因特網(wǎng)Web使用者之間的信息傳遞。實(shí)現(xiàn)方法如下所示：
（a）選擇合適的網(wǎng)頁開發(fā)工具，比如ASP.NET(動(dòng)態(tài)服務(wù)器主頁)，用來開發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用程序。使用這些開發(fā)工具，應(yīng)用程序能夠從NC服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中存取機(jī)床狀態(tài)，運(yùn)行日志，系統(tǒng)參數(shù)，專家知識(shí)，推理規(guī)則等信息。
（b）設(shè)置操作系統(tǒng)參數(shù)并啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。
（c）發(fā)布網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的URL（統(tǒng)一資源定位器），從而，工程師能通過諸如IE等網(wǎng)絡(luò)瀏覽器作遠(yuǎn)程故障診斷，遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。
遠(yuǎn)程過程通過使用因特網(wǎng)來運(yùn)行，因此，它是非實(shí)時(shí)通信。
3.2 在NC服務(wù)器和NC核心計(jì)算機(jī)之間的軟實(shí)時(shí)通訊
3.2.1 網(wǎng)絡(luò)連接
NC服務(wù)器和NC主機(jī)之間的通信是基于以太網(wǎng)的。然而，眾所周知，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是不適合進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的。這是因?yàn)橐蕴W(wǎng)中的CSMS/CD機(jī)制，它的最大傳遞等待時(shí)間不能被限定。普通共享以太網(wǎng)的連接器是一個(gè)集線器，它的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一種物理層的轉(zhuǎn)發(fā)器，它將以一個(gè)端口接收到的信息發(fā)送到所有其他端口。而這則會(huì)引起沖突和不確定的延時(shí)問題。為了減少?zèng)_突，有人提議用一種轉(zhuǎn)化以太網(wǎng)，它使用轉(zhuǎn)換開關(guān)來連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。這個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)可以設(shè)計(jì)成控制有許多端口的矩陣開關(guān)，并且每個(gè)端口之間信息是隔離的。送入轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)僅被發(fā)送到與目的地址連接的端口。輸入輸出的數(shù)據(jù)也不再服從CSMA/CD的規(guī)定。轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)就是將沖突域劃分為與端口相關(guān)的分區(qū)，所以網(wǎng)絡(luò)段變的細(xì)小（每個(gè)端口只和一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接），從而完全獨(dú)占了共享信道。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在同一時(shí)間可以在所有的端口之間形成多通道，所以串行傳輸變成并行傳輸。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)帶寬和沖突問題也得到有效解決，從而滿足了軟實(shí)時(shí)通信的要求。所以選擇轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)來設(shè)計(jì)RNH-CNC的軟實(shí)時(shí)通信。網(wǎng)絡(luò)連接如圖3所示。
3.2.2 通訊程序設(shè)計(jì)
當(dāng)要求在不同平臺(tái)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，就需要選擇一種支持所有平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)的通信的API函數(shù)。例如，由于Socket API是一種許多平臺(tái)（例如Windows和Linux操作系統(tǒng)）都支持的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序編程接口，所以它能用作NC服務(wù)器和NC主計(jì)算機(jī)的通信應(yīng)用程序的開發(fā)。基于Socket API的NC服務(wù)器和NC主計(jì)算機(jī)之間的通信過程如圖4所示。
NC服務(wù)器的處理流程如下所示：
（a）產(chǎn)生一個(gè)插口
（b）產(chǎn)生一個(gè)連接
（c）發(fā)送數(shù)據(jù)塊（空，文件塊，命令和NC代碼單元）到NC主計(jì)算機(jī)
（d）從NC主計(jì)算機(jī)接收NC狀態(tài)數(shù)據(jù)
（e）同步休眠
（f）轉(zhuǎn)向（c）
NC主計(jì)算機(jī)的處理流程如下所示：
（a）產(chǎn)生一個(gè)插口
（b）綁定局部地址和端口
（c）監(jiān)聽通信線路
（d）接收
（e）從NC服務(wù)器接收并處理數(shù)據(jù)塊
（f）將NC狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到NC服務(wù)器
（g）同步休眠
（h）轉(zhuǎn)向（d）
3.3 在NC核心計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備之間的硬實(shí)時(shí)通訊
盡管通過轉(zhuǎn)換以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)帶寬和沖突問題已經(jīng)得到有效解決，但是轉(zhuǎn)換器的存儲(chǔ)和傳輸過程可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或者更長的延時(shí)（超過30微秒）。所以它還不能滿足時(shí)間確定的應(yīng)用要求，這時(shí)對時(shí)間有嚴(yán)格的限制。然而，帶有實(shí)時(shí)控制協(xié)議的經(jīng)改進(jìn)后的傳統(tǒng)以太網(wǎng)更加適合這些應(yīng)用，所以在這里用來設(shè)計(jì)RNH-CNC的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。圖5顯示了其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系（主機(jī)是NC主計(jì)算機(jī)，從設(shè)備是其他現(xiàn)場設(shè)備）。
為解決確定時(shí)間通信問題，還可以用一些方法來避免沖突，如時(shí)間分隔法、查詢法，對于一些不確定的因素，這些方法可以將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)沖突的幾率降至零。這里采用了時(shí)間分隔法避免沖突，并且傳輸?shù)难h(huán)數(shù)據(jù)劃分為三種：Syn（主機(jī)同步），SD（從設(shè)備數(shù)據(jù)），MD（主機(jī)數(shù)據(jù)）。通信循環(huán)如圖6所示。
一個(gè)周期的通信步驟如下所示：
（a）主機(jī)發(fā)送同步數(shù)據(jù)到所有的從設(shè)備，告知一個(gè)周期的開始
（b）從設(shè)備1在一個(gè)時(shí)間分隔中（開始于t1）發(fā)送SD1數(shù)據(jù)（如實(shí)際位置，速度，扭矩/力，警報(bào)信號(hào)，診斷信號(hào)，狀態(tài)確認(rèn)信號(hào)，PLC輸入，伺服系統(tǒng)參數(shù)和電動(dòng)機(jī)參數(shù)）到主機(jī)
（c）從設(shè)備2在時(shí)間分隔內(nèi)（開始于t2）發(fā)送SD2數(shù)據(jù)到主機(jī)
（d）......
（e）從設(shè)備n在它的時(shí)間分隔內(nèi)（開始于tn）發(fā)送SDn到主機(jī)
（f）主機(jī)在它的時(shí)間分隔內(nèi)（開始于tmd）發(fā)布MD數(shù)據(jù)（如位置，速度，扭矩力，模式，PLC輸出，伺服參數(shù)和電動(dòng)機(jī)參數(shù)）到所有的從設(shè)備，每個(gè)從設(shè)備能在指定的位置收到自己的數(shù)據(jù)。
附件2：外文原文
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