【摘要】：隨著數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床對系統(tǒng)安全性能需求的不斷提高,要求數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備具有安全功能,實現(xiàn)對人員、設(shè)備及環(huán)境的保護,減少安全事故的發(fā)生。數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床安全已成為國內(nèi)外數(shù)控廠商關(guān)注的焦點,并成為下一代數(shù)控系統(tǒng)的重要功能。數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)場總線通信是數(shù)控系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù),現(xiàn)場總線技術(shù)作為數(shù)控系統(tǒng)通信的核心,是實現(xiàn)功能安全的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)總線雖然具有安裝方便、成本低、集成度高等優(yōu)點,但是并沒有從設(shè)計安全系統(tǒng)的角度來考慮數(shù)控系統(tǒng)的需求。綜上所述,本文開展數(shù)控系統(tǒng)安全總線的體系結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場總線相關(guān)安全技術(shù)的研究,將功能安全的理論與數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線的設(shè)計過程相結(jié)合,分別在現(xiàn)場總線的物理層、鏈路層及應(yīng)用層采用多種安全方法來設(shè)計可以達到特定安全等級的數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線,滿足數(shù)控系統(tǒng)對安全總線的需求,為實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的各項安全功能打下堅實的基礎(chǔ)。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾方面:1.安全系統(tǒng)及安全總線結(jié)構(gòu)研究。對功能安全系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行了介紹。研究了設(shè)計安全系統(tǒng)過程中的風(fēng)險評估、等級驗證等方法。分析了安全儀表系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及特點。在對安全相關(guān)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)及設(shè)計驗證方法研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)對于安全總線的需求,提出了安全總線的通信模型。該安全總線通信模型在物理層、鏈路層采用不同的安全策略來提高總線的安全等級,實現(xiàn)總線通信的整體安全。2.現(xiàn)場總線光纖通信接口的設(shè)計。針對總線的光纖通信接口的設(shè)計需求,結(jié)合安全總線的通信模型,在物理層使用光纖進行通信,提高了通信的準(zhǔn)確性,降低了通信出錯的概率,從本質(zhì)上提升了通信的可靠及安全性。提出一種使用FPGA技術(shù)實現(xiàn)光纖通信接口的方法。在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)了光纖物理層的功能,提高了系統(tǒng)集成度,同時也減少了外圍專用芯片的使用,降低了成本。通過實驗驗證了該光纖通信接口在功能及性能方面,都可以滿足設(shè)計需求。3.基于幀轉(zhuǎn)發(fā)方式支持冗余結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線的研究。幀轉(zhuǎn)發(fā)方式在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層內(nèi)對總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀進行操作,實現(xiàn)對包括冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的多種總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹С�。幀轉(zhuǎn)發(fā)方式可以選擇更短的路徑將數(shù)據(jù)幀送達,可以有效的減少鏈路的通信量。4.基于透明傳輸方式支持冗余結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線的研究。在透明傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)中,提出了“Deaf Time”機制,用于解決雙環(huán)拓?fù)涞臄?shù)據(jù)沖突問題。并且在冗余雙環(huán)形拓?fù)渲?數(shù)據(jù)自動選擇較短的路徑到達目的地。經(jīng)過實驗測試,透明傳輸方式有更小的通信延遲,實現(xiàn)的時候占用更少的資源。兩種支持冗余結(jié)構(gòu)的光纖通信系統(tǒng),通過在鏈路上的冗余,增強了系統(tǒng)的硬件容錯能力,提高整體的安全等級。5.具有安全功能的數(shù)控系統(tǒng)總線應(yīng)用層的研究。針對總線應(yīng)用層的安全需求,設(shè)計了總線應(yīng)用層的安全通信方法,包括安全幀的結(jié)構(gòu)、時間窗機制、循環(huán)冗余校驗、期待機制及數(shù)據(jù)冗余等技術(shù),并對綜合的剩余錯誤率進行了系統(tǒng)的理論分析,給出了該安全通信方法的剩余錯誤率及所對應(yīng)的安全等級的計算方法。結(jié)合實驗,給出了時間窗機制設(shè)定通信窗口大小的具體實施過程。最后通過實際的實驗,驗證了該方法中使用的各種機制檢錯的能力可以達到預(yù)期要求。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(沈陽計算技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG659;TP273
【圖文】：

圖 2- 12 與安全總線共同使用的安全光幕 數(shù)控系統(tǒng)安全總線通信模型作為數(shù)控系統(tǒng)安全功能的一項重要機能，總線安全功能基于現(xiàn)有的數(shù)控，配合數(shù)控系統(tǒng)機床控制單元 MCU、安全伺服單元、安全 IO 單元等設(shè)系統(tǒng)的整體安全。雖然普通的總線提供了較好的可靠性，但是在某些比較惡劣的場景下，或其他裝置對通信線路或設(shè)備造成了較大的影響，導(dǎo)致總線上的某段通那么在這個故障設(shè)備之后的所有設(shè)備將無法和主站通信。這就是使用單載多個設(shè)備存在的安全上的缺陷，這也已經(jīng)引起總線技術(shù)研究人員的。解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù)是使用有容錯技術(shù)能力的通信拓?fù)洌热缛咝g(shù)。冗余環(huán)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在物理層提供冗余容錯能力，當(dāng)一條鏈路么原因?qū)е聠栴}出現(xiàn)后，可以啟用備用鏈路來恢復(fù)通信。同時在某根鏈障的時候，可以進行報警提示，這就可以使系統(tǒng)可以達到較低的失效概是底層的冗余技術(shù)，所以對于上層的應(yīng)用并不需要做什么更改。

并且設(shè)置兩個時鐘之間的相位差為 90°。在本系統(tǒng)中外部使 的晶振，那么產(chǎn)生了兩路相位差為 90°頻率為 150Mhz 的時鐘。這過采樣模塊使用。使用了 90°的相位差其實是為了能夠同時利用兩鐘的上升沿和下降沿，來實現(xiàn)較高的采樣頻率的功能。用另外一路 PLL 產(chǎn)生 10x 的時鐘信號（使用乘數(shù)因子 10，除數(shù)因子信號給并串轉(zhuǎn)換模塊使用，因為當(dāng)一個 10bits 數(shù)據(jù)到達之后，必須it 的操作才能把 10bits 的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。于內(nèi)部只有 2 個 PLL，所以 5x 速度的時鐘需要單獨處理，5x 的時鐘用一個單獨的模塊，將 12.5x 的時鐘作為輸入，每部進行 2.5 倍的時鐘提供給串行過采樣模塊、數(shù)據(jù)回復(fù)模塊和字對齊及檢測模塊。 5 倍的過采樣速率。鐘生成模塊最終生成的多路時鐘的波形圖如圖 3- 2 所示，其中 rlk、和 tx_refclk 為輸入引腳，分別對應(yīng)復(fù)位、接收時鐘輸入、發(fā)送時。clk_1x、rx_clk5x、tx_clk10x、rx_clk_12_5x、rx_clk90_12_5x 為輸圖中可以看出，rx_clk_12_5x 和 rx_clk90_12_5x 兩個時鐘的相位差

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本文編號：2731820