一種基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，屬于通信【技術(shù)領(lǐng)域】。該通信規(guī)程包括以下步驟：A、主站設(shè)備在配置期間，對(duì)其與各從站設(shè)備之間的端到端延遲Dms進(jìn)行測(cè)量和保存，同時(shí)測(cè)量并確定通信幀在各個(gè)從站設(shè)備的駐留時(shí)間Tt；B、主站設(shè)備在配置期間，主站通過計(jì)算得到時(shí)間同步完成時(shí)間Tscomp和通信的周期時(shí)間T；C、主站設(shè)備向從站發(fā)送同步集總幀，開始周期通信；D、主站設(shè)備在時(shí)間同步完成并間隔Trest之后，開始基于時(shí)間片規(guī)劃的發(fā)送點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信命令幀；E、主站設(shè)備向所有從站發(fā)送完通信命令幀并接收到所有從站響應(yīng)幀之后，等待一定時(shí)間后，進(jìn)入下一次通信。本發(fā)明通過通信規(guī)劃大幅縮短了通信周期，保證了網(wǎng)絡(luò)化通信的實(shí)時(shí)性。
【專利說明】—種基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，其屬于通信【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
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[0002]近年來，以太網(wǎng)由于其開發(fā)性、高傳輸速率、低硬件成本等眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)不斷應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域，并取代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線成為第二代工業(yè)通信技術(shù)；同時(shí)，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)加工制造精度的要求不僅需要以太網(wǎng)分布站點(diǎn)具有很高的協(xié)同運(yùn)動(dòng)精度，而且需要盡可能的提高插補(bǔ)速度保證實(shí)時(shí)性。
[0003]分布站點(diǎn)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)是指現(xiàn)在制造中的多軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)所要求的各個(gè)軸之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)當(dāng)前軸的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)協(xié)同。多軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制不僅需要分布式節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘保持同步，還需要補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)延遲帶來的位置誤差保證運(yùn)動(dòng)同步。同時(shí)加工制造的精度受插補(bǔ)速度的影響，插補(bǔ)速度越快加工精度越高，提高插補(bǔ)速度在分布式加工中重點(diǎn)就是通過規(guī)劃盡可能的縮短通信周期。
[0004]2011年11月9日，中國(guó)發(fā)明專利CN102237997A，公開了一種基于鏈狀以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)的通信規(guī)程，該通信規(guī)程使用集總幀式的同步包周期的啟動(dòng)從站延時(shí)測(cè)量模塊，動(dòng)態(tài)的測(cè)量延時(shí)量對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行同步補(bǔ)償。
[0005]2012年9月19日，中國(guó)發(fā)明專利CN102681489A，公開了一種多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和輪廓加工精度控制方法，該方法采用多軸參數(shù)模型預(yù)測(cè)控制和非線性自適應(yīng)模糊PID控制的復(fù)合方法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)同運(yùn)動(dòng)精度的控制。
[0006]2008年4月30日，中國(guó)發(fā)明專利CN101170472A，公開了一種基于以太網(wǎng)的數(shù)控通信方法，該方法采用全雙工的固定周期集總幀式的通信方法，來保證實(shí)時(shí)性能。
[0007]以上三種方法分三個(gè)方面對(duì)保證加工制造精度的方法進(jìn)行了研究。但是周期性的線路延時(shí)測(cè)量沒有考慮分布式站點(diǎn)各自晶振的漂移對(duì)時(shí)鐘同步的影響，同步精度的提高受到限制。同時(shí)多軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)需要考慮網(wǎng)絡(luò)延遲的同步運(yùn)動(dòng)的影響。而集總幀式的周期通信方法在站點(diǎn)多時(shí)可靠性不如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)周期通信方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0008]本發(fā)明提供一種基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，其通過通信規(guī)劃大幅縮短了通信周期、通過在通信周期內(nèi)嵌入時(shí)鐘同步策略提高時(shí)鐘同步精度、采用位置誤差補(bǔ)償控制消減多軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)誤差，解決了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的多軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)精度問題和保證實(shí)時(shí)性要求的前提下的可靠性問題。
[0009]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)包括一個(gè)主站設(shè)備和多個(gè)從站設(shè)備，通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，其包括以下步驟:
[0010]A、所述主站設(shè)備在配置期間，對(duì)其與各從站設(shè)備之間的端到端延遲Dms進(jìn)行測(cè)量和保存，同時(shí)測(cè)量并確定通信幀在各個(gè)從站設(shè)備的駐留時(shí)間Tt ；
[0011]B、所述主站設(shè)備在配置期間，主站通過計(jì)算得到同步完成時(shí)間Tsramp和通信的周期時(shí)間T ；
[0012]C、所述主站設(shè)備向從站發(fā)送同步集總幀，開始周期通信；
[0013]D、所述主站設(shè)備在時(shí)間同步完成并間隔Trest之后，開始基于時(shí)間片規(guī)劃的發(fā)送點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信命令幀;
[0014]E、所述主站設(shè)備向所有從站發(fā)送完通信命令幀并接收到所有從站響應(yīng)幀之后，等待一定時(shí)間后，進(jìn)入下一次通信。
[0015]其中所述步驟A進(jìn)一步包括以下步驟:
[0016]Al、主站向第一從站發(fā)送延遲測(cè)量幀，該幀中包含了發(fā)送時(shí)間戳tmt。，第一從站接收到該幀后測(cè)量出幀入站時(shí)間戳tsic;1，第一從站在對(duì)幀信息進(jìn)行處理之后，第一從站向主站發(fā)送延遲測(cè)量響應(yīng)幀，該幀包括時(shí)間戳tsic;1和從站發(fā)送延遲測(cè)量響應(yīng)幀的時(shí)間戳tstal，主站接收到測(cè)量響應(yīng)幀之后測(cè)量得到接收時(shí)間戳t?。，由IEEE1588-2008的線路同級(jí)延遲tp2的計(jì)算方法可以得到主站和第一從站之間的同級(jí)延遲tp2msl，并將其保存在前一站點(diǎn)即主站；
[0017]A2、第一從站在向主站發(fā)送延遲測(cè)量響應(yīng)幀的同時(shí)，向第二從站發(fā)送延遲測(cè)量幀，具體步驟與測(cè)量主站和第一從站之間的同級(jí)延遲tP2msl相同，測(cè)得第一從站與第二從站之間的同級(jí)延遲tP2sls2，此時(shí)可以確定第一從站的固定駐留時(shí)間Ttl，該固定駐留時(shí)間只需要保證能夠?qū)M(jìn)行必要的判斷，將二者保存在第一從站；
[0018]A3、在測(cè)量結(jié)束后，即最后一從站發(fā)送延遲測(cè)量響應(yīng)幀一段時(shí)間之后，最后一從站向主站發(fā)送延遲收集幀，該幀每經(jīng)過一從站就獲取保存在該站點(diǎn)的同級(jí)延遲tP2和固定駐留時(shí)間Tt，并繼續(xù)發(fā)送直到主站接收；主站接收到延遲收集報(bào)文之后，將這些同級(jí)延遲tP2與站點(diǎn)的固定駐留時(shí)間Tt進(jìn)行相加得到主站與目標(biāo)從站之間的線路端到端延遲Dms，然后主站再用延遲分發(fā)幀將端到端延遲Dms發(fā)送給對(duì)應(yīng)從站；
[0019]A4、對(duì)應(yīng)從站接收到延遲分發(fā)幀之后，將端到端延遲Dms保存。
[0020]其中所述步驟B中同步完成時(shí)間Tscotp和周期時(shí)間T的計(jì)算公式分別為:
[0021]Tscomp = Dms (n)+Tlmf,
[0022]其中η為最大從站數(shù)，Tlmf為主站發(fā)送完同步集總幀所需要的時(shí)間；
[0023]T = Tscomp+Trest+ (n+2) Tg+Tidle,
[0024]其中T_t為同步完成之后到發(fā)送通信命令之后的時(shí)間間隔，Tg為通信命令幀發(fā)送間隔，Tidle為預(yù)留的空閑時(shí)間，n+2表示設(shè)定一次通信主站最多向兩個(gè)從站重發(fā)通信命令幀或者向一個(gè)從站重發(fā)兩次。
[0025]周期時(shí)間T的計(jì)算，其中所述的通信命令幀發(fā)送間隔Tg的計(jì)算公式為:

【權(quán)利要求】
1.一種基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)包括一個(gè)主站設(shè)備和多個(gè)從站設(shè)備，通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，其特征在于，包括以下步驟: A、所述主站設(shè)備在配置期間，對(duì)其與各從站設(shè)備之間的端到端延遲Dms進(jìn)行測(cè)量和保存，同時(shí)測(cè)量并確定通信幀在各個(gè)從站設(shè)備的駐留時(shí)間Tt ； B、所述主站設(shè)備在配置期間，主站通過計(jì)算得到同步完成時(shí)間Tscotp和通信的周期時(shí)間T ； C、所述主站設(shè)備向從站發(fā)送同步集總幀，開始周期通信； D、所述主站設(shè)備在時(shí)間同步完成并間隔Trest之后，開始基于時(shí)間片規(guī)劃的發(fā)送點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通命令幀; Ε、所述主站設(shè)備向所有從站發(fā)送完通信命令幀并接收到所有從站響應(yīng)幀之后，等待一定時(shí)間后，進(jìn)入下一次通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，其特征在于:其中所述步驟A進(jìn)一步包括以下步驟: Al、主站向第一從站發(fā)送延遲測(cè)量幀，該幀中包含了發(fā)送時(shí)間戳tmt。，第一從站接收到該幀后測(cè)量出幀入站 時(shí)間戳tsic;1，第一從站在對(duì)幀信息進(jìn)行處理之后，第一從站向主站發(fā)送延遲測(cè)量響應(yīng)幀，該幀包括時(shí)間戳tsic;1和從站發(fā)送延遲測(cè)量響應(yīng)幀的時(shí)間戳tstc;1，主站接收到測(cè)量響應(yīng)幀之后測(cè)量得到接收時(shí)間戳t?。，由IEEE1588-2008的線路同級(jí)延遲tP2的計(jì)算方法得到主站和第一從站之間的同級(jí)延遲tP2msl，并將其保存在前一站點(diǎn)即主站； A2、第一從站在向主站發(fā)送延遲測(cè)量響應(yīng)幀的同時(shí)，向第二從站發(fā)送延遲測(cè)量幀，具體步驟與測(cè)量主站和第一從站之間的同級(jí)延遲tP2msl相同，測(cè)得第一從站與第二從站之間的同級(jí)延遲tP2sls2，確定第一從站的固定駐留時(shí)間Ttl，該固定駐留時(shí)間只需要保證能夠?qū)M(jìn)行必要的判斷，將二者保存在第一從站； A3、在測(cè)量結(jié)束后，即最后一從站發(fā)送延遲測(cè)量響應(yīng)幀一段時(shí)間之后，最后一從站向主站發(fā)送延遲收集幀，該幀每經(jīng)過一從站就獲取保存在該站點(diǎn)的同級(jí)延遲tP2和固定駐留時(shí)間Tt，并繼續(xù)發(fā)送直到主站接收；主站接收到延遲收集報(bào)文之后，將這些同級(jí)延遲tP2與站點(diǎn)的固定駐留時(shí)間Tt進(jìn)行相加得到主站與目標(biāo)從站之間的線路端到端延遲Dms，然后主站再用延遲分發(fā)幀將端到端延遲Dms發(fā)送給對(duì)應(yīng)從站； A4、對(duì)應(yīng)從站接收到延遲分發(fā)幀之后，將端到端延遲Dms保存。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，其特征在于:其中所述步驟B中同步完成時(shí)間Tscotp和周期時(shí)間T的計(jì)算公式分別為:
Tscomp 一 Dms (n) +Tlmf， 其中η為最大從站數(shù)，Tlmf為主站發(fā)送完同步集總幀所需要的時(shí)間；
T = Tscomp+Trest+(n+2)Tg+Tidle, 其中T_t為同步完成之后到發(fā)送通信命令之后的時(shí)間間隔，Tg為通信命令幀發(fā)送間隔，Tidle為預(yù)留的空閑時(shí)間，n+2表示設(shè)定一次通信主站最多向兩個(gè)從站重發(fā)通信命令幀或者向一個(gè)從站重發(fā)兩次。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，其特征在于:周期時(shí)間T的計(jì)算，其中所述的通信命令幀發(fā)送間隔Tg的計(jì)算公式為:
其中Tcrf為主站發(fā)送完每個(gè)命令幀所需的時(shí)間，Dffls(J)為主站與目標(biāo)從站設(shè)備之間的端到端延遲，Th為目標(biāo)從站設(shè)備的固定駐留時(shí)間，Tegi為預(yù)留時(shí)間間隔根據(jù)目標(biāo)從站設(shè)備不同而變化，保證Tg為固定值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，其特征在于:其中所述步驟C進(jìn)一步包括以下步驟: Cl、主站發(fā)送同步集總幀，開始同步通信； C2、第一從站接收到同步集總幀記下該接收時(shí)間tsi，經(jīng)過固定駐留時(shí)間Ttl后向下一從站轉(zhuǎn)發(fā)同步集總幀，同時(shí)第一從站從同步集總幀中的主站發(fā)送時(shí)間tm,通過計(jì)算并調(diào)節(jié)從站與主站的時(shí)鐘偏移量Θ ms = ts1-tm-Dms(i)，來實(shí)現(xiàn)第一從站與主站的同步； C3、最大從站接收到同步集總幀并調(diào)整從站時(shí)鐘，完成整個(gè)同步通信。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，其特征在于:其中所述步驟D進(jìn)一步包括以下步驟: D1、時(shí)間片規(guī)劃是指主站按照固定的時(shí)間規(guī)劃向從站發(fā)送通信命令幀，主站在第一個(gè)時(shí)間片開始時(shí)向最大從站即最遠(yuǎn)從站發(fā)送通信命令幀，在第二個(gè)時(shí)間開始時(shí)向第二大從站即次遠(yuǎn)從站發(fā)送通信命令幀，依次類推，在最后一個(gè)時(shí)間片開始時(shí)向最小從站即最近從站發(fā)送通信命令幀； D2、從站設(shè)備在接收到通信命令幀之后立即開始向下一從站轉(zhuǎn)發(fā)該命令幀，經(jīng)過固定的駐留時(shí)間后從站設(shè)備進(jìn)行接收判斷，如果該從站設(shè)備是通信命令幀的目標(biāo)設(shè)備，從站放棄向下一從站的轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)從站設(shè)備向主站發(fā)送通信響應(yīng)幀；如果該從站設(shè)備不是目標(biāo)設(shè)備，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)而不發(fā)送通信響應(yīng)幀； D3、目標(biāo)從站設(shè)備經(jīng)過接收完校驗(yàn)碼之后如果發(fā)現(xiàn)通信命令幀出現(xiàn)錯(cuò)誤，將通信響應(yīng)幀中的錯(cuò)誤標(biāo)示符置1，通知主站設(shè)備在下一個(gè)時(shí)間片時(shí)重發(fā)通信命令幀； D4、主站接收完本時(shí)間片內(nèi)目標(biāo)從站設(shè)備的通信響應(yīng)幀后，檢查響應(yīng)幀的校檢碼是否有錯(cuò)誤和錯(cuò)誤標(biāo)示符，如果二者任何一個(gè)出現(xiàn)錯(cuò)誤，主站將在下一個(gè)時(shí)間片時(shí)重發(fā)該目標(biāo)從站設(shè)備的通信命令幀。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，其特征在于:其中所述步驟D中所述通信命令幀中包含位置誤差平均值P和位置期望值xd，而通信響應(yīng)幀中包含目標(biāo)從站的位置誤差e，其中所述位置誤差e被主站提取并保存，用于計(jì)算位置誤差估計(jì)值e'和位置誤差平均值P;所述誤差平均值7和位置期望值Xd被從站提取并保存后，用于計(jì)算位置誤差e和位置同步誤差ε，并用位置同步誤差ε值補(bǔ)償從站。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于鏈狀工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的高精度短周期的實(shí)時(shí)通信規(guī)程，其特征在于:其中所述延遲測(cè)量幀、延遲收集幀、延遲分發(fā)幀、同步集總幀采用固定延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制；延遲測(cè)量響應(yīng)幀和通信響應(yīng)幀采用固定延遲響應(yīng)機(jī)制；所述通信命令幀采用即時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，在從站根據(jù)時(shí)間確定采用哪種機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和響應(yīng)，所述所有幀均采用統(tǒng)一的幀格式，包括先導(dǎo)域(40)、幀開始標(biāo)志域(41)、目的地址域(42)、源地址域(43)、信息控制域(44)、幀類型域(45)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域(46)、有效載荷域(47)、填充域(48)和校驗(yàn)域(49)。
【文檔編號(hào)】H04L1/18GK104079401SQ201410277396
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】樓佩煌, 錢曉明, 黃威然, 劉明燈, 趙鵬, 楊麗鵑 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)