1 引言

　　數控系統必須滿足網絡化的要求,數控設備的形態已逐步發展為整個企業網絡中的一個能進行感知、處理、傳輸并自動執行的節點,本文的研究就起源于交換式以太網技術應用于數控系統中所面臨的實際問題。當交換式以太網的拓撲結構和交換機的情況已經確定時,除了各端節點的通信帶寬分配策略,在實際的網絡系統設計中,另一個影響系統性能的因素就是主節點(如主控單元、核心服務器)上各通信任務的協調。在應用層面,數據的產生和通信的發起是隨機的,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點計算資源的共享問題。本文以工業控制中的一個典型應用網絡數控服務系統為對象,有針對地對實時系統設計與實現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調設計問題進行分析。

2 系統結構

　　網絡數控服務系統體系結構如圖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、伺服驅動、PLC等,它們通過現場總線、網絡構成了機床的基本數控單元(但非完整系統),這些基本數控單元通過交換式以太網與功能豐富、提供更強處理能力的數控服務系統相連,從而獲得機床加工所需的完整數控功能。對機床的操作,由遠程數控客戶端(專用客戶端或通用瀏覽器)通過交換式以太網連接到數控服務系統進行。

　　整個系統主要包括如下幾個控制模塊:

　　(1)面向多控制對象的數控服務系統(NC service system, NCSS),負責多臺機床的數控操作管理和業務處理。該模塊與顯示與輸入設備相連,負責人機交互;實現加工代碼的編輯、編譯以及文件管理;通過以太網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進行跟蹤顯示;與遠程控制終端及企業、全球數字制造系統相連,實現整個數控系統的網絡化開發、調試、運行、管理、監控和診斷等。

　　(2)顯示及鍵盤輸入裝置,實現現場人機交互顯示,數據與操作命令的輸入,加工狀態的顯示等功能。

　　(3)運動控制單元(motion controller, MC),實現插補、刀補及間隙補償等運算;將位置/速度控制命令發送到位置/速度伺服控制器;與嵌入式PLC相連。

　　(4)嵌入式PLC,完成數控系統的各種邏輯控制,實現通用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)數控客戶端(NC client),用于遠程控制與監測的專用控制終端軟件。

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

3 通信任務的協調

　　在一個數控網絡中,網絡數控服務系統起著控制和管理核心的作用,它是網絡環境下多用戶和多控制對象的橋梁,但同時,作為通信樞紐,它與網絡中其他節點交互頻繁,容易成為通信的瓶頸。因此,網絡數控服務系統上通信任務的協調設計是十分重要的。

　　網絡數控服務系統結構如圖3所示,其中,軟件部分主要包括嵌入式軟件運行環境和NC操作與管理系統。系統采用μC/OS-II嵌入式操作系統,而μC/OS-II本身不提供文件系統、網絡協議棧以及圖形用戶界面等,因此本文移植了lwIP協議棧,開發了簡單的文件系統和圖形用戶界面以提供更好的服務。

　　NC操作與管理系統的主要工作原理如下:用戶-NCSS通信模塊用于實現所有與外部的、基于網絡的交互,為了提供基于瀏覽器的數據交互,用戶-NCSS通信任務內可添加EWS。用戶-NCSS通信模塊接收來自遠程客戶端的指令或數據信息,從接收到的信息中讀取設備標識字段,根據該信息向相應設備的處理任務發送操作允許信號量,進而轉入對相應數控設備的處理操作。用戶-NCSS通信模塊還負責對收到的數據進行區分,以區分是數據還是命令,并區分是哪種類型的命令,分別發送至不同的消息隊列,并由這些消息隊列傳輸到相應的任務或者中斷進行后續處理。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送至文件處理命令消息隊列,相應的數據處理模塊被喚醒,它讀取命令并提取相應NC代碼文件進行處理。數據處理模塊主要實現了NC代碼文件的管理,NC代碼的編輯、編譯,把NC代碼的功能參數傳送給運動控制單元,并實現現場人機交互。NC代碼解釋器已經作為一個單獨的模塊實現,在數據處理任務中,只需調用解釋模塊提供的相應功能函數(如格式檢查函數、解釋函數等)即可。對于剛剛從文件系統中提取出來的NC代碼文本,需要調用解釋模塊提供的代碼分割函數,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構體中,再根據程序段號形成鏈表。而后,數據處理任務將查詢數據處理消息隊列,等待接下來的用戶指令。控制指令處理模塊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、點動、回零、狀態跟蹤和監控等,相應的,該任務通過查詢控制命令消息隊列來執行對應的各種操作。消息隊列可以接收來自多方的指令,既可以通過NCSS進行現場指令輸入,也可以通過網絡(瀏覽器、專用客戶端)來發送指令。NCSS-MC監聽模塊用于接收來自運動控制單元的回饋信息。對于NC代碼執行命令,相應的數據處理模塊將配合NCSS-MC監聽模塊,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,狀態跟蹤與反饋模塊將數控設備的動作情況、狀態信息實時反饋給遠端用戶。

　　展示了單個客戶端數控服務系統單個基本數控單元之間業務流的基本情況,其中業務流1和2分別指用戶在客戶端或現場發出的數據和指令;業務流3和4分別為NCSS向基本數控單元轉發的處理后的數據和指令;業務流5為NCSS在收到監控指令后,向基本數控單元發出的定時索要被控對象狀態信息的指令;業務流6為基本數控單元向NCSS定時回饋的狀態信息和請求信息;業務流7為NCSS向現場用戶實時反饋的被控對象狀態信息;業務流8為NCSS為現場用戶提供的其他操作與管理信息;業務流9為NCSS向遠程客戶端用戶實時反饋的被控對象狀態信息;業務流10為NCSS向遠程客戶端用戶提供的其他操作與管理信息。根據業務流的基本情況,下面將介紹（圖2、3）中所示各通信任務的協調。

　　用戶-NCSS通信任務主要是實現接收用戶數據和指令并將其分類存儲的網絡服務器端程序。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信息。由于這三類信息結構比較類似,故采用同一消息結構體對其進行封裝,并通過適當的位來加以區別。該任務在接收循環內的recv系統之前調用了select系統,此時任務阻塞在該系統上直到超時或者預設定的某個I/O條件(如套接口上有數據可讀)得到滿足,此時可以進行相應的I/O操作(如讀數據)并能立即得到結果,select系統能同時判斷多個套接口的多種狀態,而recv系統也是基于阻塞模式工作的,所以兩個系統之間就有機會設置全局標志位來協調各通信任務。