实时以太网运动控制总线及其可靠性关键理论与技术研究

本课题以实时工业以太网运动控制总线为研究对象，以前期研究取得的以太网多轴实时同步运动控制总线的成果为基础，拟对以太网运动控制总线的实时同步性和可靠性进行研究，为基于以太网的高可靠性运动控制平台的应用提供理论上和技术上的支持。提出基于交换机的网络拓扑结构下的实时同步理论和实现方法，解决交换机条件下复杂网络的高性能实时同步问题。研究以太网总线控制平台的可靠性，建立基于故障树分析机制的网络故障模型，研究系统的冗余机制和基于以太网数据帧的前向纠错算法保证通信系统的可靠性。研究基于标准网卡的主站系统的实时性和可靠性，建立在Windows NT和CE环境下的层次模型和控制系统的结构框架，并开发运动控制应用程序。该研究的成果可应用到各种数控机床和分布式数字控制设备中，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

本课题主要研究了实时以太网总线实时性和可靠性的方案，从而为基于以太网的高可靠运动控制平台提供了理论和技术上的支持。主要工作如下：.建立了树形拓扑结构的实时以太网，用广度优先遍历的方式实现节点号的分配，并通过节点号确定数据上传顺序，实现了树形网络上集总帧传输，从而减小通讯周期，提高通讯效率。提出了树形网络中的节点同步算法，经实验验证该算法同步性能满足运动控制系统严格实时的控制要求。.建立了链状网络的故障树模型，并对其路集和割集进行定性分析，确立了引起网络故障的底层事件，为网络控制系统的可靠性设计和系统故障诊断提供了指导。并提出了一种前向纠错算法，用于提高无数据冗余机制的链状网络中数据传输的可靠性。.提出了一种环形冗余的实时以太网通讯系统：使用末节点自动仲裁的方法保证了网路连接断开时的正常通讯；结合以太网全双工通讯的特点，使用双网口分别发送原码和补码数据帧的方式减小误码率，从而实现了EtherMAC链路和数据的双冗余。.以NDIS驱动框架为基础建立不同操作系统下相对统一的协议驱动模型，并使用EtherMAC通讯抽象层的概念将通讯系统从控制系统设计中分离出来，使控制系统的层次结构更加清晰，满足了不同层次开发人员在不同环境下的开发需求。.在原有工作的基础上，结合本课题的工作，完善了课题组自主研发的EtherMAC工业以太网平台。构建了基于交换机的EtherMAC原型系统，经测量其节点间同步抖动<100ns，能够满足高精度同步控制的要求。将实时以太网EtherMAC运动控制平台在21轴9通道组合机床、具有MES功能的车床系统、高精度活塞加工系统、并联机械手等设备中进行了原型测试和实际应用，取得了良好的效果。.本项目发表论文15篇，其中4篇被SCI收录，5篇被EI收录。获得授权专利1项，申请专利4项。