[发明专利]一种现场总线的时间同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及现场总线领域，尤其涉及环形现场总线网络通信的时间同步方法。

背景技术

在数控系统中，控制装置向伺服驱动器传输命令的传统方式是采用模拟电压或脉冲串的形式，这种控制方式只适合于数控机床加工速度和控制精度都不太高的场合，难以满足多通道、高速、高精度的加工要求。

为了提高加工速度和加工精度，数控系统控制装置和伺服驱动器之间采用现场总线式的数字通信方式。目前，国外一些高档数控系统大部分都采用现场总线的通信方式用于数控系统内部的通信，如FANUC的FSSB，SIMENS的PROFINET、BECKOFF的EtherCAT等现场总线。与模拟量、脉冲串通信方式相比，现场总线有较高的实时性和可靠性，特别是各个伺服轴易于实现同步控制，能满足数控机床高速、高精度的加工要求。

在这种总线式数控系统中，控制装置和伺服驱动器之间通过现场总线联网形成网络。通常，经由现场总线进行的数据交换按照主从原则执行。在总线网络中，主导总线上的数据传输的单元称为主站，如数控系统中的控制装置。而被动执行数据传输的单元称为从站，即它们只被允许应主站要求确认收到信号或者转发信号，如数控系统中的伺服驱动器。为了避免布线复杂化，具有主从结构的现场总线网络采用环形拓扑结构，所有总线用户都连接到一个环形传输路径，如图1和图2所示。通常，为了提高总线通信的可靠性，采用冗余通信方式，在图1所示的环形网络中，数据是双向流动的，即同一个数据报文Q同时从主站的两个端口发出，依次通过各从站后，又回到主站的两个端口，其中主站的端口a接收从端口b发出的数据，主站的端口b接收从端口a发出的数据，在通信正常情况下，主站在两组数据中取一组，另一组作为备用。若一组数据出现错误，则取另一组的备用数据。

在数控加工过程中，为了保证数控机床的刀具轨迹的运动精度，数控机床各坐标轴的命令执行和状态反馈必须在同一个时刻进行，因此，总线式数控系统中除了必须保证总线数据传输的实时性以外，还必须保证网络中各单元的同步性。由于节点单元的很多操作是在严格的时间表驱动下协同完成的，所以一般通过对各个节点进行精确的时钟同步以实现各个节点单元的同步性。然而，由于各单元时钟的精度受晶体振荡器质量、温度和其它环境因素的影响，时钟偏差不可避免。所以，总线网络通信系统必须对系统中各单元的时钟偏差进行矫正。

目前，数控系统实现网络时间同步技术主要采用精确时间协议，如IEEE1588标准的精确时间协议(Precision Time Protocol，PTP)。

IEEE1588有两种类型的时钟，一类是参考时钟源，称为主时钟；另一类是客户时钟，称为从时钟。从时钟通过和主时钟交换同步信息来完成时间同步。同步过程分为两个步骤。首先是偏差测量和偏差矫正过程。如图4所示，在这个过程中，主时钟按所定义的时间间隔周期性地向所有从时钟发送同步报文，同步报文中携带该报文发送时刻的估计值。主时钟记录同步报文发出的精确时刻T_m1，从时钟记录接收同步报文的精确时刻T_s1。主时钟紧接着发送一个携带着T_m1的跟随报文，在接收到跟随报文后，从时钟计算偏差值Offset：

Offset＝T_s1-T_m1-delay        (1)

并将时钟矫正为T：

T＝T_s1-offset                (2)

如果忽略传输线路上的延迟delay，这时从时钟就和主时钟已经同步。

第2步是延迟测量，用于测量主时钟到从时钟的传输延迟。测量过程如图5所示。从时钟向主时钟发送一个延迟测量请求报文，并记录发送该报文的精确时刻T_s3，主时钟接收该请求报文并记录接收到的精确时刻T_m3，然后向从时钟发送携带T_m3的延迟测量响应报文，从时钟收到该响应报文后，可以根据下面公式计算延迟delay：

delay＝(T_s2-T_m2)+(T_m3-T_s3)/2                (3)

由此可以看出，IEEE 1588采取的是一对一的同步方式，操作时比较费时，且占用了一定的网络资源，它比较适合于星形网络，而不太适合于环形网络。

发明内容