一种基于链状工业以太网络的高精度短周期的实时通信规程

摘要

本发明公开了一种基于链状工业以太网络的高精度短周期的实时通信规程，属于通信技术领域。该通信规程包括以下步骤：A、主站设备在配置期间，对其与各从站设备之间的端到端延迟Dms进行测量和保存，同时测量并确定通信帧在各个从站设备的驻留时间Tt；B、主站设备在配置期间，主站通过计算得到时间同步完成时间Tscomp和通信的周期时间T；C、主站设备向从站发送同步集总帧，开始周期通信；D、主站设备在时间同步完成并间隔Trest之后，开始基于时间片规划的发送点对点通信命令帧；E、主站设备向所有从站发送完通信命令帧并接收到所有从站响应帧之后，等待一定时间后，进入下一次通信。本发明通过通信规划大幅缩短了通信周期，保证了网络化通信的实时性。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于链状工业以太网络的高精度短周期的实时通信规程，其属于通信技术领域。 

背景技术：

近年来，以太网由于其开发性、高传输速率、低硬件成本等众多优点，已经不断应用于工业现场领域，并取代工业现场总线成为第二代工业通信技术；同时，根据工业现场加工制造精度的要求不仅需要以太网分布站点具有很高的协同运动精度，而且需要尽可能的提高插补速度保证实时性。 

分布站点的协同运动是指现在制造中的多轴协同运动，需要根据实际运动所要求的各个轴之间的运动学关系实时调节当前轴的运动，从而实现运动协同。多轴协同运动控制不仅需要分布式节点间的时钟保持同步，还需要补偿网络延迟带来的位置误差保证运动同步。同时加工制造的精度受插补速度的影响，插补速度越快加工精度越高，提高插补速度在分布式加工中重点就是通过规划尽可能的缩短通信周期。 

2011年11月9日，中国发明专利CN102237997A，公开了一种基于链状以太网的分布式系统的通信规程，该通信规程使用集总帧式的同步包周期的启动从站延时测量模块，动态的测量延时量对时钟进行同步补偿。 

2012年9月19日，中国发明专利CN102681489A，公开了一种多轴联动数控系统运动平稳性和轮廓加工精度控制方法，该方法采用多轴参数模型预测控制和非线性自适应模糊PID控制的复合方法，来实现对协同运动精度的控制。 

2008年4月30日，中国发明专利CN101170472A，公开了一种基于以太网的数控通信方法，该方法采用全双工的固定周期集总帧式的通信方法，来保证实时性能。 

以上三种方法分三个方面对保证加工制造精度的方法进行了研究。但是周期性的线路延时测量没有考虑分布式站点各自晶振的漂移对时钟同步的影响，同步精度的提高受到限制。同时多轴协同运动需要考虑网络延迟的同步运动的影响。而集总帧式的周期通 信方法在站点多时可靠性不如点对点周期通信方法。 

发明内容：

本发明提供一种基于链状工业以太网络的高精度短周期的实时通信规程，其通过通信规划大幅缩短了通信周期、通过在通信周期内嵌入时钟同步策略提高时钟同步精度、采用位置误差补偿控制消减多轴协同运动误差，解决了网络化数控系统的多轴协同运动精度问题和保证实时性要求的前提下的可靠性问题。 

本发明采用如下技术方案：一种基于链状工业以太网络的高精度短周期的实时通信规程，应用于网络化数控系统中，所述系统包括一个主站设备和多个从站设备，通过以太网进行连接，其包括以下步骤： 

A、所述主站设备在配置期间，对其与各从站设备之间的端到端延迟D_ms进行测量和保存，同时测量并确定通信帧在各个从站设备的驻留时间T_t； 

B、所述主站设备在配置期间，主站通过计算得到同步完成时间T_scomp和通信的周期时间T； 

C、所述主站设备向从站发送同步集总帧，开始周期通信； 

D、所述主站设备在时间同步完成并间隔T_rest之后，开始基于时间片规划的发送点对点通信命令帧； 

E、所述主站设备向所有从站发送完通信命令帧并接收到所有从站响应帧之后，等待一定时间后，进入下一次通信。 

其中所述步骤A进一步包括以下步骤： 

A1、主站向第一从站发送延迟测量帧，该帧中包含了发送时间戳t_mtc,第一从站接收到该帧后测量出帧入站时间戳t_sic1,第一从站在对帧信息进行处理之后，第一从站向主站发送延迟测量响应帧，该帧包括时间戳t_sic1和从站发送延迟测量响应帧的时间戳t_stc1,主站接收到测量响应帧之后测量得到接收时间戳t_mrc,由IEEE1588-2008的线路同级延迟t_P2的计算方法可以得到主站和第一从站之间的同级延迟t_P2ms1,并将其保存在前一站点即主站； 

A2、第一从站在向主站发送延迟测量响应帧的同时，向第二从站发送延迟测量帧，具体步骤与测量主站和第一从站之间的同级延迟t_P2ms1相同，测得第一从站与第二从站之 间的同级延迟t_P2s1s2,此时可以确定第一从站的固定驻留时间T_t1，该固定驻留时间只需要保证能够对帧进行必要的判断，将二者保存在第一从站； 

A3、在测量结束后，即最后一从站发送延迟测量响应帧一段时间之后，最后一从站向主站发送延迟收集帧，该帧每经过一从站就获取保存在该站点的同级延迟t_P2和固定驻留时间T_t，并继续发送直到主站接收；主站接收到延迟收集报文之后，将这些同级延迟t_P2与站点的固定驻留时间T_t进行相加得到主站与目标从站之间的线路端到端延迟D_ms，然后主站再用延迟分发帧将端到端延迟D_ms发送给对应从站； 

A4、对应从站接收到延迟分发帧之后，将端到端延迟D_ms保存。 

其中所述步骤B中同步完成时间T_scomp和周期时间T的计算公式分别为： 

T_scomp＝D_ms(n)+T_lmf， 

其中n为最大从站数，T_lmf为主站发送完同步集总帧所需要的时间； 

T＝T_scomp+T_rest+(n+2)T_g+T_idle， 

其中T_rest为同步完成之后到发送通信命令之后的时间间隔，T_g为通信命令帧发送间隔，T_idle为预留的空闲时间，n+2表示设定一次通信主站最多向两个从站重发通信命令帧或者向一个从站重发两次。 

周期时间T的计算，其中所述的通信命令帧发送间隔T_g的计算公式为： 

$T_g=T_{\mathrm{cmf}}+2(D_{\mathrm{ms}}\left(j\right)-\underset{i=1}{\overset{j-1}{\Sigma }}{T}_{\mathrm{ti}})+T_{\mathrm{tj}}+T_{\mathrm{egj}},$

其中T_cmf为主站发送完每个命令帧所需的时间，D_ms(j)为主站与目标从站设备之间的端到端延迟，T_tj为目标从站设备的固定驻留时间，T_egi为预留时间间隔根据目标从站设备不同而变化，保证T_g为固定值。 

其中所述步骤C进一步包括以下步骤： 

C1、主站发送同步集总帧，开始同步通信； 

C2、第一从站接收到同步集总帧记下该接收时间t_si，经过固定驻留时间T_t1后向下一从站转发同步集总帧，同时第一从站从同步集总帧中的主站发送时间t_m,通过计算并调节从站与主站的时钟偏移量θ_ms＝t_si-t_m-D_ms(i)，来实现第一从站与主站的同步； 

C3、最大从站接收到同步集总帧并调整从站时钟，完成整个同步通信。 

其中所述步骤D进一步包括以下步骤： 

D1、时间片规划是指主站按照固定的时间规划向从站发送通信命令帧，主站在第一个时间片开始时向最大从站即最远从站发送通信命令帧，在第二个时间开始时向第二大从站即次远从站发送通信命令帧，依次类推，在最后一个时间片开始时向最小从站即最近从站发送通信命令帧； 

D2、从站设备在接收到通信命令帧之后立即开始向下一从站转发该命令帧，经过固定的驻留时间后从站设备进行接收判断，如果该从站设备是通信命令帧的目标设备，从站放弃向下一从站的转发，同时从站设备向主站发送通信响应帧；如果该从站设备不是目标设备，继续转发而不发送通信响应帧； 

D3、目标从站设备经过接收完校验码之后如果发现通信命令帧出现错误，将通信响应帧中的错误标示符置1，通知主站设备在下一个时间片时重发通信命令帧； 

D4、主站接收完本时间片内目标从站设备的通信响应帧后，检查响应帧的校检码是否有错误和错误标示符，如果二者任何一个出现错误，主站将在下一个时间片时重发该目标从站设备的通信命令帧。 

其中所述步骤D中所述通信命令帧中包含位置误差平均值和位置期望值x^d，而通信响应帧中包含目标从站的位置误差e，其中所述位置误差e被主站提取并保存，用于计算位置误差估计值e′和位置误差平均值所述误差平均值和位置期望值x^d被从站提取并保存后，用于计算位置误差e和位置同步误差ε，并用位置同步误差ε值补偿从站。 

其中所述延迟测量帧、延迟收集帧、延迟分发帧、同步集总帧采用固定延时转发机制；延迟测量响应帧和通信响应帧采用固定延迟响应机制；所述通信命令帧采用即时转发机制，在从站根据时间确定采用哪种机制进行转发和响应，所述所有帧均采用统一的帧格式，包括先导域、帧开始标志域、目的地址域、源地址域、信息控制域、帧类型域、数据长度域、有效载荷域、填充域和校验域。 

本发明具有如下有益效果： 

(1)、本发明通过通信规划和转发与响应控制机制大幅缩短了通信周期，保证了网络化通信的实时性； 

(2)、采用固定转发延迟的同步集总帧来实现时钟同步策略，提高了时钟同步精度； 

(3)、采用应用在点对点全双工通信模式下的网络诱导延迟补偿算法，在保证通信可靠性的前提下，提高了多轴协同运动精度。 

附图说明：

图1为本发明中周期通信的流程示意图。 

图2为本发明中配置期间的延迟测量过程示意图。 

图3为本发明中转发与响应控制机制示意图。 

图4为本发明中帧结构示意图； 

具体实施方式：

请参照图1至图4所示，本发明基于链状工业以太网络的高精度短周期的实时通信规程，应用于网络化数控系统中，该系统包括一个主站设备和多个从站设备，通过以太网进行连接，其包括以下步骤： 

A、主站设备在配置期间，对其与各从站设备之间的端到端延迟D_ms进行测量和保存，同时测量并确定通信帧在各个从站设备的驻留时间T_t。 

B、主站设备在配置期间，通过计算得到同步完成时间T_scomp和通信的周期时间T。 

C、主站设备向从站发送同步集总帧，开始周期通信。 

D、主站设备在时间同步完成并间隔T_rest之后，开始基于时间片规划的发送点对点通信命令帧。 

E、主站设备向所有从站发送完通信命令帧并接收到所有从站响应帧之后，等待一定时间后，进入下一次通信。 

本发明中，步骤A进一步包括以下步骤： 

A1、主站向第一从站发送延迟测量帧，该帧中包含了发送时间戳t_mtc,第一从站接收到该帧后测量出帧入站时间戳t_sic1,第一从站在对帧信息进行处理之后，第一从站向主站发送延迟测量响应帧，该帧包括时间戳t_sic1和从站发送延迟测量响应帧的时间戳t_stc1,主站接收到测量响应帧之后测量得到接收时间戳t_mrc,由IEEE1588-2008的线路同级延迟t_P2的计算方法可以得到主站和第一从站之间的同级延迟t_P2ms1,并将其保存在前一站点即主站； 

A2、第一从站在向主站发送延迟测量响应帧的同时，向第二从站发送延迟测量帧，具体步骤与测量主站和第一从站之间的同级延迟t_P2ms1相同，测得第一从站与第二从站之间的同级延迟t_P2s1s2,此时可以确定第一从站的固定驻留时间T_t1，该固定驻留时间只需要保证能够对帧进行必要的判断，将二者保存在第一从站； 

A3、在测量结束后，即最后一从站发送延迟测量响应帧一段时间之后，最后一从站向主站发送延迟收集帧，该帧每经过一从站就获取保存在该站点的同级延迟t_P2和固定驻留时间T_t，并继续发送直到主站接收；主站接收到延迟收集报文之后，将这些同级延迟t_P2与站点的固定驻留时间T_t进行相加得到主站与目标从站之间的线路端到端延迟D_ms，然后主站再用延迟分发帧将端到端延迟D_ms发送给对应从站； 

A4、对应从站接收到延迟分发帧之后，将端到端延迟D_ms保存。 

本发明中，步骤B中同步完成时间T_scomp和周期时间T的计算公式分别为： 

T_scomp＝D_ms(n)+T_lmf， 

其中n为最大从站数，T_lmf为主站发送完同步集总帧所需要的时间； 

T＝T_scomp+T_rest+(n+2)T_g+T_idle， 

其中T_rest为同步完成之后到发送通信命令之后的时间间隔，T_g为通信命令帧发送间隔，T_idle为预留的空闲时间，n+2表示设定一次通信主站最多向两个从站重发通信命令帧或者向一个从站重发两次。 

本发明中，通信命令帧发送间隔T_g的计算公式为 

$T_g=T_{\mathrm{cmf}}+2(D_{\mathrm{ms}}\left(j\right)-\underset{i=1}{\overset{j-1}{\Sigma }}{T}_{\mathrm{ti}})+T_{\mathrm{tj}}+T_{\mathrm{egj}},$

其中T_cmf为主站发送完每个命令帧所需的时间，D_ms(j)为主站与目标从站设备之间的端到端延迟，T_tj为目标从站设备的固定驻留时间，T_egi为预留时间间隔根据目标从站设备不同而变化，保证T_g为固定值。 

本发明中，步骤C进一步包括以下步骤： 

C1、主站发送同步集总帧，开始同步通信； 

C2、第一从站接收到同步集总帧记下该接收时间t_si，经过固定驻留时间T_t1后向下一从站转发同步集总帧，同时第一从站从同步集总帧中的主站发送时间t_m,通过计算并调 节从站与主站的时钟偏移量θ_ms＝t_si-t_m-D_ms(i)，来实现第一从站与主站的同步； 

C3、最大从站接收到同步集总帧并调整从站时钟，完成整个同步通信。 

本发明中，同步集总帧在时钟同步策略中只起到触发从站同步的作用，从站不需对其进行任何更改就可以转发，减少了同步完成所需时间，提高了同步频率和同步精度，并使同步过程可以嵌入通信周期之内。 

本发明中，步骤D进一步包括以下步骤： 

D1、时间片规划是指主站按照固定的时间规划向从站发送通信命令帧，主站在第一个时间片开始时向最大从站即最远从站发送通信命令帧，在第二个时间开始时向第二大从站即次远从站发送通信命令帧，依次类推，在最后一个时间片开始时向最小从站即最近从站发送通信命令帧； 

D2、从站设备在接收到通信命令帧之后立即开始向下一从站转发该命令帧，经过固定的驻留时间后从站设备进行接收判断，如果该从站设备是通信命令帧的目标设备，从站放弃向下一从站的转发，同时从站设备向主站发送通信响应帧；如果该从站设备不是目标设备，继续转发而不发送通信响应帧； 

D3、目标从站设备经过接收完校验码之后如果发现通信命令帧出现错误，将通信响应帧中的错误标示符置1，通知主站设备在下一个时间片时重发通信命令帧； 

D4、主站接收完本时间片内目标从站设备的通信响应帧后，检查响应帧的校检码是否有错误和错误标示符，如果二者任何一个出现错误，主站将在下一个时间片时重发该目标从站设备的通信命令帧。 

本发明中，步骤D中通信命令帧中包含位置误差平均估计值和位置期望值x^d，而通信响应帧中包含目标从站的位置误差e，其中的计算公式为： 

${\bar{e}}^{\prime }=\frac{1}{n-j}\underset{j+1}{\overset{n}{\Sigma }}{e}^{\prime },$

其中j为当前通信命令帧目标从站的地址编号，e′为进行了网络误导延迟补偿的位置误差估计值。位置误差e被主站提取并保存，用于计算位置误差估计值e′和位置误差平均值e′的计算公式为： 

$e^{\prime }=\frac{21}{8}e(t-T_S)-\frac{19}{8}e(t-2T_S)+\frac{7}{8}e(t-3T_S)-\frac{1}{8}e(t-4T_S),$

该计算公式是由泰勒展开式得到，其中e(t-nT_s)表示n个采样周期之前的位置误差， T_S表示采样周期。所述位置误差估计值e′和位置误差平均估计均有主站计算得到，而每个从站只需要计算本站点的位置误差e和位置同步误差ε，大大减轻了从站的计算负担尤其是从站数目较多时，而位置误差e和位置同步误差ε分别由以下计算公式得到: 

$\left(\begin{array}{c}e=x^d-x\\ ϵ=e-{\bar{e}}^{\prime }\end{array}\right),$

其中x^d表示当前采样周期轴的位置期望值，x表示当前采样周期轴的位置实际值。x^d由主站的计算生成，通过通信命令帧传递给相应从站。通过所述位置同步误差ε对从站实际位置进行补偿，可以提高运动同步精度。 

本发明中，延迟测量帧、延迟收集帧、延迟分发帧、同步集总帧采用固定延时转发机制；延迟测量响应帧和通信响应帧采用固定延迟响应机制；而通信命令帧采用即时转发机制。可以在从站根据时间确定采用哪种机制进行转发和响应。结合所述的三种机制进行通信规划，可以大幅缩短通信周期，提高了实时性能。所有帧均采用统一的帧格式，包括先导域40、帧开始标志域41、目的地址域42、源地址域43、信息控制域44、帧类型域45、数据长度域46、有效载荷域47、填充域48和校验域49。 

本发明通过通信规划大幅缩短了通信周期、通过在通信周期内嵌入时钟同步策略提高时钟同步精度、采用位置误差补偿控制消减多轴协同运动误差，解决了网络化数控系统的多轴协同运动精度问题和保证实时性要求的前提下的可靠性问题。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。