1 引言

　　從企業(yè)實(shí)際需求來看,對(duì)于制造業(yè),目前企業(yè)的MIS和ERP僅僅局限于通常的管理、設(shè)計(jì)開發(fā)等上層部分的信息化,是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,工廠、車間的最底層數(shù)控機(jī)床不能夠連成網(wǎng)絡(luò),就必然成為制約制造業(yè)企業(yè)信息化的瓶頸,不能充分提高生產(chǎn)效率。對(duì)于面臨全球化競爭的現(xiàn)代制造工廠,數(shù)控機(jī)床必須達(dá)到一定的數(shù)量或比例;其次就是把所擁有的數(shù)控機(jī)床組建成一個(gè)雙向、高速的制造體系,徹底解決信息孤島問題,構(gòu)成數(shù)字化車間,以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。

2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展

　　2.1 DNC系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　DNC(Direct Numerical Control, DNC)系統(tǒng)是指多臺(tái)數(shù)控機(jī)床由一臺(tái)計(jì)算機(jī)統(tǒng)一分配控制程序和進(jìn)行管理。現(xiàn)在的DNC系統(tǒng)從內(nèi)容和意義上已發(fā)展成為分布式數(shù)字控制(Distributed Numerical Control, DNC)系統(tǒng)。從數(shù)控技術(shù)的發(fā)展分析,分布式數(shù)控系統(tǒng)是由直接數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展而來的,是針對(duì)當(dāng)時(shí)數(shù)控設(shè)備內(nèi)存小、處理能力弱而產(chǎn)生的。以后出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computer Numerical Control, CNC)設(shè)備使DNC系統(tǒng)增加了程序編制和編輯功能,并且有一定的通訊能力。隨著局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、工作站的發(fā)展以及零件加工系統(tǒng)發(fā)展的需要,出現(xiàn)了分布式數(shù)控系統(tǒng),它是針對(duì)車間的生產(chǎn)計(jì)劃、技術(shù)準(zhǔn)備、加工操作等基本作業(yè)的集中監(jiān)控與分散控制相結(jié)合而產(chǎn)生的車間生產(chǎn)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的目標(biāo)任務(wù)通過局域網(wǎng)分配給各子系統(tǒng),子系統(tǒng)之間信息相互交換以協(xié)調(diào)完成任務(wù)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是易于擴(kuò)充、靈活、可靠性高,具有良好的開放性。

圖1 傳統(tǒng)DNC結(jié)構(gòu)

　　一般DNC系統(tǒng)通常具有兩級(jí)計(jì)算機(jī)分級(jí)結(jié)構(gòu)形式,即主控計(jì)算機(jī)加CNC系統(tǒng)群組成(見圖1)。對(duì)于通信距離短、組成DNC系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床數(shù)量少的小型系統(tǒng)可采用這種方式聯(lián)接。該聯(lián)接方式結(jié)構(gòu)簡單,但連線多、易出故障、通信距離短(RS-232通訊距離一般為15m以內(nèi)),不適宜較大范圍的DNC系統(tǒng)。

　　2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　鑒于以上通信方式存在的缺陷,一些研究單位提出了基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(主要有BitBus和CAN總線)的改進(jìn)型DNC通信系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,具有操作方便、開放性好的特點(diǎn),其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。每臺(tái)數(shù)控機(jī)床配備一臺(tái)通信前端單元,各通信前端單元與DNC主控計(jì)算機(jī)間采用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行連接。通信前端單元與數(shù)控系統(tǒng)集成在一起,可靠性高。系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性,設(shè)備更靈活,但是車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)是總線協(xié)議,工廠上層網(wǎng)絡(luò)都是基于TCPPIP的以太網(wǎng),這樣還不能方便地實(shí)現(xiàn)信息共享。

圖2 基于總線的DNC結(jié)構(gòu)

3 工業(yè)以太網(wǎng)

　　普通以太網(wǎng)( Ethernet)是為IT應(yīng)用而開發(fā)的,在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域只得到有限的應(yīng)用,這是由于: 1)以太網(wǎng)采用CSMAPCD碰撞檢測(cè)方式,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重(大于40%)時(shí),網(wǎng)絡(luò)的確定性(Determinism)不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求: 2) Ethernet所采用的接插件(connector)、集線器(hub)、交換機(jī)( switches)和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求; 3)以太網(wǎng)抗干擾性能較差; 4)以太網(wǎng)滿足本安型應(yīng)用有一定的難度等。隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,上述問題正在迅速得到解決。

　　工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 80213( Ethernet)的強(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò),工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)對(duì)普通以太網(wǎng)作了如下改進(jìn):

　　1)采用交換式以太網(wǎng),僅在發(fā)送站和接收站之間直接交換信息,克服了時(shí)延和碰撞,提高了實(shí)時(shí)性;

　　2)采用全雙工(Ful-l duplex)網(wǎng)絡(luò),端口上媒體段的長度不受CSMAPCD的制約,可以延伸距離;

　　3)網(wǎng)絡(luò)速度的提高(已全面從10M過渡到100M,甚至1000M),使以太網(wǎng)能提供足夠的帶寬,又減少了沖突;

　　4)所采用的接插件(connector)、集線器(hub)、交換機(jī)(switches)和電纜等已有為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的。至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實(shí)時(shí)性能欠佳的問題,已由于智能集線器的使用、主動(dòng)切換功能的實(shí)現(xiàn)、優(yōu)先權(quán)的引入以及全雙工的布線等,基本上得到解決。通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率,仔細(xì)地選擇網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及限制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等,可將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的概率降到最低。工業(yè)以太網(wǎng)經(jīng)過上述改進(jìn)措施后,典型的工業(yè)應(yīng)用中, 10M Ethernet峰值負(fù)載為10%, 100M Ethernet峰值負(fù)載為015% ,而Ethernet只有當(dāng)負(fù)載達(dá)40%以上時(shí)才會(huì)有明顯的延時(shí)現(xiàn)象;在100M Ethernet網(wǎng)中,發(fā)送一個(gè)信息包延時(shí)超過2ms的狀況五年也不會(huì)發(fā)生一次,美國電力研究院(EPRI, Palo Alto. , Calif)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,可保證延時(shí)在4ms以內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)控就是建立在上述工業(yè)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)之上,而且采用工業(yè)以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)控的底層有多方面的優(yōu)勢(shì): 1)成本低。因普遍應(yīng)用所形成的硬件、軟件資源和廣泛的支持, Ether-net是世界上應(yīng)用最多的網(wǎng)絡(luò),超過93%的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為Ethernet。2)為了促進(jìn)Ethernet在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用,國際上成立了工業(yè)Ethernet協(xié)會(huì)( Industrial EthernetAssociation)。美國電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)正著手制定現(xiàn)場(chǎng)裝置與Ethernet通信的新標(biāo)準(zhǔn)。3)全球主要自動(dòng)化廠商和組織加強(qiáng)了工業(yè)Ethernet的實(shí)現(xiàn),如德國SI-EMENS公司于1998年發(fā)布了工業(yè)Ethernet白皮書,于2001年發(fā)布了其工業(yè)Ethernet規(guī)范,稱為ProfiNET.2004年奧迪(Audi)、寶馬( BMW)、戴梅勒克萊斯勒(DaimlerChrysler)和大眾(Volkswagen)四家主要的德國汽車公司一致同意支持ProfiNET工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

4 基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控

　　網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)(Networked Computer Numerical Con-

　　數(shù)控加工技術(shù)現(xiàn)代制造工程2006年第1期trol System)是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個(gè)分支。近幾年國內(nèi)比較高端先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)上都配備了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的接口,比如華中數(shù)控的世紀(jì)星系統(tǒng),這樣可以方便地進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),即使沒有標(biāo)配以太網(wǎng)接口的數(shù)控系統(tǒng),由于都有RS-232接口,筆者也提出了RS-232到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換解決方案,專用通信單元用AT89S8252單片機(jī)和AT24C512 Serial EEP-ROM,以支持Internet應(yīng)用。此通信單元還有數(shù)據(jù)緩沖的功能,可以解決老式數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存太小,不能一次裝下復(fù)雜加工程序的問題,這樣就解決了加工停頓的問題,此裝置也符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),安裝方便。

　　本文以華中數(shù)控系統(tǒng)為例,說明基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。華中數(shù)控系統(tǒng)具有開放化、模塊化的優(yōu)點(diǎn),支持Microsoft Network Client V310 forMS- D0S, Microsoft Network Client V310,包含了TCPPIP協(xié)議、DHCP功能,使構(gòu)建數(shù)字化車間非常地便利和穩(wěn)定,每臺(tái)華中數(shù)控系統(tǒng)都采用TCPPIP協(xié)議,如圖3所示,各車間HUB采用交換式集線器,再通過交換機(jī)聯(lián)到服務(wù)器,其中交換機(jī)高速接口聯(lián)到服務(wù)器端。系統(tǒng)開機(jī)以后,遠(yuǎn)程的服務(wù)器自動(dòng)分配給數(shù)控機(jī)床一個(gè)固有的IP地址,出于網(wǎng)絡(luò)安全的考慮,此IP地址是私網(wǎng)地址,一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)可以容納254臺(tái)數(shù)控機(jī)床,如果數(shù)控機(jī)床數(shù)量多,可以劃分幾個(gè)網(wǎng)段,可以為每臺(tái)數(shù)控機(jī)床設(shè)置各自的名稱,由于采用DHCP技術(shù),避免了設(shè)備沖突,可以很便利地增加或減少數(shù)控機(jī)床。每臺(tái)數(shù)控機(jī)床分配到IP地址以后,就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床和機(jī)床之間、機(jī)床和服務(wù)器之間的雙向資源共享,可以利用服務(wù)器上的海量磁盤空間存儲(chǔ)復(fù)雜的加工程序,解決了數(shù)控系統(tǒng)存儲(chǔ)容量上的瓶頸問題。服務(wù)器又可以和上層企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng),使車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)很好融合。由于網(wǎng)絡(luò)的雙向性和數(shù)控機(jī)床的名稱確定性,可以很方便地給每臺(tái)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),改變了以前的用軟盤逐臺(tái)升級(jí)的方式,大大提高了效率,減少了系統(tǒng)升級(jí)帶來的生產(chǎn)停工時(shí)間。如果服務(wù)器接入Internet,這樣無論在什么地方,都可以通過自己公司搭建的VPN網(wǎng)絡(luò)連接到公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)查看各數(shù)控機(jī)床加工的程序和工作狀態(tài)。利用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)控機(jī)床無論分布在何處,只要連接到Internet,便可以把這些機(jī)床虛擬為一個(gè)很大的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),機(jī)床是否開機(jī)和運(yùn)行,狀態(tài)一目了然。舉例來說,如果有足夠的權(quán)限,完全可以實(shí)現(xiàn)在北京的設(shè)計(jì)人員把加工程序?qū)崟r(shí)發(fā)送到深圳的生產(chǎn)基地的某臺(tái)特定的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工,大大改變了繁瑣的人工流程。

圖3 以太網(wǎng)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　華中數(shù)控的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)在實(shí)際中已經(jīng)得到很好的應(yīng)用。江蘇常柴股份有限公司,采用華中數(shù)控的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)將其模具車間的5臺(tái)加工中心和一臺(tái)仿形數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng),可在遠(yuǎn)程異地設(shè)計(jì)、編程,然后通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳送和共享零件加工程序,實(shí)現(xiàn)CADPCAMPCNC的網(wǎng)絡(luò)集成,大大提高生產(chǎn)效率和設(shè)備的利用率。常柴股份有限公司的北廠模具車間的所有數(shù)控機(jī)床通過內(nèi)部局域網(wǎng)(NT網(wǎng))連接,模具車間的NT網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器,通過Internet與5km外的常柴總廠計(jì)算中心連接?？倧S計(jì)算中心由UGò或其他CADPCAM軟件生成的數(shù)控程序可通過Internet和服務(wù)器傳送到模具車間的任何一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)中。由于華中網(wǎng)絡(luò)CNC具有較大的內(nèi)存和外存空間,其資源可共享到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上。因此,每臺(tái)配華中數(shù)控系統(tǒng)存儲(chǔ)器上的數(shù)控程序,可通過網(wǎng)絡(luò)共享到其他任何一臺(tái)華中數(shù)控系統(tǒng)上,這使得數(shù)字化仿形測(cè)量所生成的數(shù)控加工程序可共享到其他非仿型功能的數(shù)控機(jī)床上加工模具。由于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送速度極快(約為10~ 100MBPs以上,而DNC接口的速度約為916kBPs) ,對(duì)于復(fù)雜模具的大容量程序的傳送速度非?？旖荨⒖煽?。

5 結(jié)語

　　基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)使得管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的操作和管理。在很大程度上克服了數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存較小、缺少網(wǎng)絡(luò)功能、沒有大容量存儲(chǔ)的不足,同時(shí),還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷、系統(tǒng)升級(jí)等多種功能,具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。作者簡介:梁志鋒,高級(jí)工程師,享受國務(wù)院特殊津貼專家,主要從事機(jī)電一體化、數(shù)控設(shè)備的研究及開發(fā)。