CN110149257A - 实时以太网总线主从站本地应用同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时以太网总线主从站本地应用同步方法，同步方法用于CRTS‑Ⅲ型轨道板自动喷涂工位智能控制系统，该同步方法包括以下步骤：定义初始偏移时间，并依据开放式控制系统中EtherCAT主从站通信结构计算初始偏移时间；建立时钟模型并依据时钟模型计算主站时钟与参考时钟的时钟速率比例；利用计算得到的初始偏移时间与计算得到的时钟速率比例对同步信号进行初始化；定义参考时间偏差和测量时间偏差并计算参考时间偏差和测量时间偏差的差值；以及将计算得到的参考时间偏差和测量时间偏差的差值作为补偿主站周期剩余时间的依据，通过动态调整主站周期的方式实现EtherCAT主从站本地应用之间的同步。本发明的同步方法增强了开放式控制系统的开放性。

Description

实时以太网总线主从站本地应用同步方法及装置

技术领域

本发明是关于控制技术领域，特别是关于一种实时以太网总线主从站本地应用同步方法及装置。

背景技术

CRTS-Ⅲ型无砟轨道板流水机组法，将CRTS-Ⅲ型无砟轨道板的生产工序按生产工艺要求分成若干个工位，每个工位固定配备自动化生产设备及辅助工人。生产时，轨道板随同模型借助于传输线沿着工艺流水线从一个工位移至下一个工位，固定在各工位工作的自动化设备则分别完成各工位所应完成的规定工序。随着电子技术、信息技术及控制技术的不断发展，产品多样化与个性化已成为新型制造系统的主要特点，并且对制造系统的核心部件——工位控制系统，提出了更高的技术要求，如超高速、超精密、集成、复合、智能化等。在这种情况下，开放式工位设备控制系统应运而生，开放式的控制系统致力于解决复杂多样的工艺需求与传统逻辑控制器专用封闭的控制结构之间的矛盾，其软硬件平台具有可互换性、可伸缩性、可移植性、可扩展性和可互操作性的特点，已经成为国际先进的工业机器人和数控设备控制系统的主流体系结构。相较于传统现场总线，实时以太网现场总线EtherCAT，启用了先进的控制体系结构，可将原先闭合于设备内部的控制回路开放到控制网络上。将其应用于设备控制系统中，可极大的改善系统的开放性。

EtherCAT网络通常由一个主站和多个从站串联而成，其拓扑结构也有多种结构(如线形、树形、星形等)。在开放式控制系统中，通常会选用简单高效的线形拓扑结构作为其控制网络，EtherCAT主站集成在控制系统中，可代表网络上的主站节点，而从站则由控制各轴运动的伺服驱动器实现，代表网络上的从站节点。这样一来控制系统对各轴的运动控制则可转换为EtherCAT网络上主站对从站的控制。一方面为保证各轴之间的同步性，则要求EtherCAT网络上各从站之间的执行动作保持同步；另一方面为保证控制系统与各轴之间同步性，则要求EtherCAT网络上主从站之间的执行动作保持同步。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时以太网总线主从站本地应用同步方法及装置，其能够克服现有技术的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种实时以太网总线(EtherCAT)主从站本地应用同步方法，同步方法用于CRTS-Ⅲ型轨道板自动喷涂工位智能控制系统，该同步方法包括以下步骤：

定义初始偏移时间，并依据开放式控制系统中EtherCAT主从站通信结构计算初始偏移时间；

建立时钟模型并依据时钟模型计算主站时钟与参考时钟的时钟速率比例；

利用计算得到的初始偏移时间与计算得到的时钟速率比例对同步信号进行初始化；

定义参考时间偏差和测量时间偏差并计算参考时间偏差和测量时间偏差的差值；以及将计算得到的参考时间偏差和测量时间偏差的差值作为补偿主站周期剩余时间的依据，通过动态调整主站周期的方式实现EtherCAT主从站本地应用之间的同步。

在一优选的实施方式中，初始偏移时间被定义为：在同一个主站定时周期中，主站定时器中断事件发生时间与从站SYNC0事件发生时间的时间间隔。

在一优选的实施方式中，时钟模型为：

T(t)＝t_offset+kt

其中，T表示当前系统时间，t表示绝对时钟的时间，t_offset表示本地时钟与绝对时钟之间的初始偏差，k表示时钟速率，时钟速率与自己的时钟晶振频率成正比。

在一优选的实施方式中，参数时间偏差定义为：

t_{referernce_shift}＝t_{slave_shift}+t_safety/2

其中，t_{refernece_shift}为所定义的参考时间偏差；t_{slave_shift}为从站偏移时间，用于确保从站在本次SYNC0事件发生前，过程数据帧被从站完全接收；t_safety为安全时间间隔，用于确保从站在下一个SYNC0时间发生前，过程数据帧得到完全处理。

在一优选的实施方式中，测量时间偏差定义为：

t_{measuring_shift}＝t_sync0-t_sm2

其中，t_{measuring_shift}为所定义的测量时间偏差；t_sync0表示一个周期中参考从站的SYNC0事件产生时间，t_sm2表示同一个周期中参考从站的SM2事件产生时间，两者的差值表示实际测量得到的时间偏差。

在一优选的实施方式中，动态调整主站周期的方法为：当参考时间偏差和测量时间偏差的差值Δt＜0时，表示实际测量得到的SYNC0事件与参考SYNC0事件的产生时间之间存在负向抖动，增大主站周期剩余时间的设定值；当参考时间偏差和测量时间偏差的差值Δt＞0时，表示实际测量得到的SYNC0事件与参考SYNC0事件的产生时间之间存在正向抖动，减小主站周期剩余时间的设定值。

本发明提供了一种实时以太网总线(EtherCAT)主从站本地应用同步装置，同步装置用于CRTS-Ⅲ型轨道板自动喷涂工位智能控制系统，该同步装置包括：

用于定义初始偏移时间，并依据开放式控制系统中EtherCAT主从站通信结构计算初始偏移时间的单元；

用于建立时钟模型并依据时钟模型计算主站时钟与参考时钟的时钟速率比例的单元；

用于利用计算得到的初始偏移时间与计算得到的时钟速率比例对同步信号进行初始化的单元；

用于定义参考时间偏差和测量时间偏差并计算参考时间偏差和测量时间偏差的差值的单元；以及

用于将计算得到的参考时间偏差和测量时间偏差的差值作为补偿主站周期剩余时间的依据，通过动态调整主站周期的方式实现EtherCAT主从站本地应用之间的同步的单元。

在一优选的实施方式中，初始偏移时间被定义为：在同一个主站定时周期中，主站定时器中断事件发生时间与从站SYNC0事件发生时间的时间间隔。

在一优选的实施方式中，时钟模型为：

T(t)＝to_ffset+kt

其中，T表示当前系统时间，t表示绝对时钟的时间，to_ffset表示本地时钟与绝对时钟之间的初始偏差，k表示时钟速率，时钟速率与自己的时钟晶振频率成正比。

在一优选的实施方式中，参数时间偏差定义为：

t_{referernce_shift}＝t_{slave_shift}+t_safety/2

其中，t_{refernece_shift}为所定义的参考时间偏差；t_{slave_shift}为从站偏移时间，用于确保从站在本次SYNC0事件发生前，过程数据帧被从站完全接收；t_safety为安全时间间隔，用于确保从站在下一个SYNC0时间发生前，过程数据帧得到完全处理。

与现有技术相比，本发明的实时以太网总线主从站本地应用同步方法及装置具有以下效益及优点：

1.增强了开放式控制系统的开放性。本发明将实时以太网现场总线引入了开放式控制系统，相较于传统的现场总线传输速度更快距离更远、拓扑结构更加灵活，因此采用实时以太网替代现场总线可以进一步增强系统的开放性。

2.解决了开放式控制系统中EtherCAT主站不同步造成的数据丢失问题。本发明直接从主从站本地应用之间的同步入手，提出了一种基于主站周期剩余时间补偿的主从站本地应用同步方法，该同步方法可以很好的解决EtherCAT主从站不同步造成的数据丢失问题。

附图说明

图1为本发明的同步方法的方法流程图；

图2为EtherCAT主从站的通信结构图；

图3为EtherCAT主站与参考从站的时钟速率关系图；

图4为EtherCAT主站周期剩余时间的补偿方法图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1为本发明的同步方法的方法流程图。如图所示，本发明的同步方法包括如下步骤：

步骤101：定义初始偏移时间，并依据开放式控制系统中EtherCAT主从站通信结构计算初始偏移时间；

步骤102：建立时钟模型并依据时钟模型计算主站时钟与参考时钟的时钟速率比例；

步骤103：利用计算得到的初始偏移时间与计算得到的时钟速率比例对同步信号进行初始化；

步骤104：定义参考时间偏差和测量时间偏差并计算参考时间偏差和测量时间偏差的差值；以及

步骤105：将计算得到的参考时间偏差和测量时间偏差的差值作为补偿主站周期剩余时间的依据，通过动态调整主站周期的方式实现EtherCAT主从站本地应用之间的同步。

本发明还提供了一种实时以太网总线(EtherCAT)主从站本地应用同步装置，同步装置用于CRTS-Ⅲ型轨道板自动喷涂工位智能控制系统，同步装置包括：

用于定义初始偏移时间，并依据开放式控制系统中EtherCAT主从站通信结构计算初始偏移时间的单元；

用于建立时钟模型并依据时钟模型计算主站时钟与参考时钟的时钟速率比例的单元；

用于利用计算得到的初始偏移时间与计算得到的时钟速率比例对同步信号进行初始化的单元；

用于定义参考时间偏差和测量时间偏差并计算参考时间偏差和测量时间偏差的差值的单元；以及

用于将计算得到的参考时间偏差和测量时间偏差的差值作为补偿主站周期剩余时间的依据，通过动态调整主站周期的方式实现EtherCAT主从站本地应用之间的同步的单元。

如图2所示，在开放式控制系统中，EtherCAT过程数据帧的收发在本地应用程序的中期进行，同时采用轮询机制接收返回的数据帧。这主要是因为EtherCAT网络在逻辑是环形结构，主站发出的数据帧在一段时间过后仍会返回给主站，因此无需使用中断来通知。此时主站的本地应用也划分成了A和B两部分，其中A部分负责与运动控制线程交换数据并将数据封装成EtherCAT数据帧；B部分负责解析EtherCAT数据帧、唤醒运动控制线程并计算下一个定时器中断的产生时间。依据初始偏移时间的定义已经开放式控制系统中EtherCAT主从站的通信结构，初始偏移时间分别由程序段A的执行时间、主站的偏移时间以及从站的偏移时间三部分组成。

如图3所示，本发明的同步方法为获取主站与参考从站之间的时钟速率比，首先主站可以周期性的从过程数据帧中获得参考时钟的系统时间，其中Master Clock为主站时钟，Ref Clock为参考从站时钟。然后主站在每个本地定时器的定时周期中去读取参考时钟的时间(T_k-1，T_k，...，T_n)。由于主从站时钟速率不一致，因而在每个主站时钟周期T_{master_cycle}测量得到的参考时钟时间T_k和T_k-1的差值Δk不等于参考时钟的周期时间。由时钟模型可以得到主站与参考从站的当前时间T_m和T_r如下

T_m(t)＝T_{master_offset}+k_mt

T_r(t)＝T_{ref_offset}+k_rt

T_{master_offset}和T_{ref_offset}分别表示主站时钟与参考时钟的初始时钟偏差。k_m和k_r分别表示主站时钟与参考时钟的时钟速率。主站时钟与参考时钟的时钟速率比k如下

如图4所示，本发明的同步方法提出的周期剩余时间补偿方法是使用参考从站的参考时间偏移与实际测量得到的时间偏移的差值作为补偿依据对主站的周期剩余时间进行补偿。因此时间偏差Δt为

Δt＝t_{reference_shift}-kt_{measuring_shift}

由于实际测量得到从站的时间偏移是基于参考时钟的，因此在计算时间偏差时需要乘以主站与参考从站的时钟速率比。当从站的周期操作被激活以后，从站会按照SYNC0的周期时间寄存器中的值周期性的产生SYNC0事件，同时也会将每个周期SYNC0事件的产生时间记录在SYNC0时间寄存器中，因此主站通过读取该寄存器的值可以获得参考从站每个周期的SYNC0事件产生时间。为补偿参考从站与其余从站之间的时钟漂移，主站会在EtherCAT过程数据帧中插入由‘ARMW’或者‘FRMW’命令构造的子报文。在每个周期中，该子报文都会读取参考时钟的系统时间并将该时间分发给其余从站以同步它们的系统时间在本地的备份。那么EtherCAT过程数据帧到达参考从站的时间，即参考从站产生SM2事件的时间，就可以近似的等于分发给从站的系统时间。主站在每个周期中记录下该系统时间值就可以近似的得到参考从站的SM2事件产生时间。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种实时以太网总线(EtherCAT)主从站本地应用同步方法，所述同步方法用于CRTS-Ⅲ型轨道板自动喷涂工位智能控制系统，其特征在于：所述同步方法包括以下步骤：

定义初始偏移时间，并依据开放式控制系统中EtherCAT主从站通信结构计算初始偏移时间；

建立时钟模型并依据所述时钟模型计算主站时钟与参考时钟的时钟速率比例；利用计算得到的初始偏移时间与计算得到的时钟速率比例对同步信号进行初始化；

定义参考时间偏差和测量时间偏差并计算所述参考时间偏差和所述测量时间偏差的差值；以及将计算得到的所述参考时间偏差和所述测量时间偏差的差值作为补偿主站周期剩余时间的依据，通过动态调整主站周期的方式实现EtherCAT主从站本地应用之间的同步。

2.如权利要求1所述的同步方法，其特征在于：所述初始偏移时间被定义为：在同一个主站定时周期中，主站定时器中断事件发生时间与从站SYNC0事件发生时间的时间间隔。

3.如权利要求2所述的同步方法，其特征在于：所述时钟模型为：

T(t)＝t_offset+kt

其中，T表示当前系统时间，t表示绝对时钟的时间，t_offset表示本地时钟与绝对时钟之间的初始偏差，k表示时钟速率，所述时钟速率与自己的时钟晶振频率成正比。

4.如权利要求3所述的同步方法，其特征在于：所述参数时间偏差定义为：

t_{referernce_shift}＝t_{slave_shift}+t_safety/2

其中，t_{refernece_shift}为所定义的参考时间偏差；t_{slave_shift}为从站偏移时间，用于确保从站在本次SYNC0事件发生前，过程数据帧被从站完全接收；t_safety为安全时间间隔，用于确保从站在下一个SYNC0时间发生前，过程数据帧得到完全处理。

5.如权利要求4所述的同步方法，其特征在于：所述测量时间偏差定义为：

t_{measuring_shift}＝t_sync0-t_sm2

其中，t_{measuring_shift}为所定义的测量时间偏差；t_sync0表示一个周期中参考从站的SYNC0事件产生时间，t_sm2表示同一个周期中参考从站的SM2事件产生时间，两者的差值表示实际测量得到的时间偏差。

6.如权利要求5所述的同步方法，其特征在于：所述动态调整主站周期的方法为：

当所述参考时间偏差和所述测量时间偏差的差值Δt＜0时，表示实际测量得到的SYNC0事件与参考SYNC0事件的产生时间之间存在负向抖动，增大主站周期剩余时间的设定值；

当所述参考时间偏差和所述测量时间偏差的差值Δt＞0时，表示实际测量得到的SYNC0事件与参考SYNC0事件的产生时间之间存在正向抖动，减小主站周期剩余时间的设定值。

7.一种实时以太网总线(EtherCAT)主从站本地应用同步装置，所述同步装置用于CRTS-Ⅲ型轨道板自动喷涂工位智能控制系统，其特征在于：所述同步装置包括：

用于定义初始偏移时间，并依据开放式控制系统中EtherCAT主从站通信结构计算初始偏移时间的单元；

用于建立时钟模型并依据所述时钟模型计算主站时钟与参考时钟的时钟速率比例的单元；

用于利用计算得到的初始偏移时间与计算得到的时钟速率比例对同步信号进行初始化的单元；

用于定义参考时间偏差和测量时间偏差并计算所述参考时间偏差和所述测量时间偏差的差值的单元；以及

用于将计算得到的所述参考时间偏差和所述测量时间偏差的差值作为补偿主站周期剩余时间的依据，通过动态调整主站周期的方式实现EtherCAT主从站本地应用之间的同步的单元。

8.如权利要求7所述的同步装置，其特征在于：所述初始偏移时间被定义为：在同一个主站定时周期中，主站定时器中断事件发生时间与从站SYNC0事件发生时间的时间间隔。

9.如权利要求8所述的同步装置，其特征在于：所述时钟模型为：

T(t)＝t_offset+kt

其中，T表示当前系统时间，t表示绝对时钟的时间，t_offset表示本地时钟与绝对时钟之间的初始偏差，k表示时钟速率，所述时钟速率与自己的时钟晶振频率成正比。

10.如权利要求9所述的同步装置，其特征在于：所述参数时间偏差定义为：

t_{referernce_shift}＝t_{slave_shift}+t_safety/2

其中，t_{refernece_shift}为所定义的参考时间偏差；t_{slave_shift}为从站偏移时间，用于确保从站在本次SYNC0事件发生前，过程数据帧被从站完全接收；t_safety为安全时间间隔，用于确保从站在下一个SYNC0时间发生前，过程数据帧得到完全处理。