0引言

    計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)控設(shè)備的快速發(fā)展，給制造業(yè)帶來了一場新的變革和重大影響。數(shù)控加工越來越趨向于網(wǎng)絡(luò)化、集成化。網(wǎng)絡(luò)化制造已經(jīng)成文先進(jìn)制造技術(shù)中一個機(jī)器重要的發(fā)展方向，網(wǎng)絡(luò)DNC系統(tǒng)更是近些年制造企業(yè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化制造的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容。為了適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)對網(wǎng)絡(luò)化制造人才的需求，我校機(jī)電綜合工程訓(xùn)練中心建設(shè)了自己的網(wǎng)絡(luò)DNC系統(tǒng)。

    分布式數(shù)控或計算機(jī)直接數(shù)控(Distributed Numefical Control或Direct Numerical Control，DNC)，其最初含義是一臺中央計算機(jī)同時控制多臺數(shù)控機(jī)床。隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和CIMS技術(shù)的發(fā)展，DNC的內(nèi)涵和功能不斷擴(kuò)大，它已經(jīng)開始著眼于車間的信息集成，針對車間的生產(chǎn)計劃、技術(shù)準(zhǔn)備和加工操作等基本作業(yè)進(jìn)行集中監(jiān)控與分散控制，把生產(chǎn)任務(wù)通過局域網(wǎng)分配給各個加工單元，并使之信息相互交換。而對物流等系統(tǒng)可以在條件成熟時再擴(kuò)充，既適用于現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境，提高了生產(chǎn)率，又節(jié)省了成本。DNC強(qiáng)調(diào)信息的集成與信息流的自動化，物料流的控制與執(zhí)行，可大量介入人機(jī)交互。相對柔性制造系統(tǒng)(FMS)，DNC是投資少、見效快，并具有較好柔性的多個數(shù)控加工設(shè)備的集成制造系統(tǒng)?，是車間自動化的重要組成形式，對工廠自動化具有十分重要的意義。

    其中通信技術(shù)是DNC系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)，是DNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備集成和信息集成的基礎(chǔ)。本文將對我校DNC系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)和通信技術(shù)進(jìn)行分析研究。

    1 DNC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    1．1 DNC系統(tǒng)通信基本原理

    計算機(jī)的RS232串口與數(shù)控設(shè)備上面的RS232串口通過以太網(wǎng)按照相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸過程中需要進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，第一次是通過計算機(jī)把RS232信號轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)的RJ45，這個過程通過計算機(jī)本身的轉(zhuǎn)換模塊就能完成；第二次是將以太網(wǎng)的RJ45轉(zhuǎn)換為數(shù)控設(shè)備所能接收的RS232信號，這一步通過協(xié)議轉(zhuǎn)換來完成。

    1．2 DNC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    1．2．1系統(tǒng)通信硬件介紹

    DNC通信系統(tǒng)除了數(shù)控設(shè)備、計算機(jī)和以太網(wǎng)絡(luò)以外，還需要以下幾種硬件。

    1)智能終端：將數(shù)控設(shè)備的RS232接口轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)絡(luò)的RJ45接口的設(shè)備，其內(nèi)部具有CPU、內(nèi)存和系統(tǒng)軟件。智能終端的大小和香煙盒類似，可以直接安裝在數(shù)控設(shè)備的控制機(jī)柜內(nèi)，有1口和2口不同規(guī)格。本系統(tǒng)采用Moxa公司生產(chǎn)的Moxa4511或Mox．5210或NC601智能終瑞。

    2)串口交換機(jī)：可同時將多個RS232串口數(shù)控設(shè)備接入以太網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)，有8口和16 口等規(guī)格。串口交換機(jī)與智能終端比，其優(yōu)勢在于價格低廉。

    3)無線網(wǎng)橋：將智能終端有線網(wǎng)絡(luò)橋接到無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。本系統(tǒng)采用Linksys公司生產(chǎn)的WET11無線網(wǎng)橋。

    4)無線交換機(jī)：與有線交換機(jī)功能相同，區(qū)別在于其無線方式。本系統(tǒng)采用Linksys公司生產(chǎn)的WAP54G無線交換機(jī)。

    1．2．2系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方案

    網(wǎng)絡(luò)DNC支持的數(shù)控設(shè)備的接入方式主要有以下四種：多串口卡、智能終端(串口交換機(jī))、無線方式和電力網(wǎng)。其中多串口卡因其傳輸距離過短而受到很大的限制，其應(yīng)用范圍非常有限；電力網(wǎng)主要用于異地通信；智能終端(串口交換機(jī))適用于局域網(wǎng)且車間分布比較集中的情況。而無線方式適用于數(shù)控設(shè)備較多且分布比較分散的情況?；趯?shí)驗(yàn)室數(shù)控設(shè)備較多且分布的車間比較分散的實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用無線方式，如圖1所示。

    系統(tǒng)運(yùn)用協(xié)議轉(zhuǎn)換聯(lián)網(wǎng)控制方案，使DNC系統(tǒng)的主服務(wù)器通過以太網(wǎng)，借助無線方式把RS232信號傳給數(shù)控設(shè)備，即在數(shù)控設(shè)備端形成一個虛擬的RS232串口與之相連。目前以太網(wǎng)TCP／IP與RS232串口協(xié)議轉(zhuǎn)換已模塊化，采用模塊化后的產(chǎn)品，管理和維護(hù)均較為方便，從而可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾性能。

    1．2．3系統(tǒng)無線通信設(shè)備布局及連線

    使用Linksys套件(WAP54G+WET11)無線通信，前端需要配有Moxa公司生產(chǎn)的Moxa4511或Mox-a5210或NC601。無限交換機(jī)WAP54G的安裝，最好放在車間內(nèi)部的高處，天線向下輻射，放置越高輻射范圍越廣。無線網(wǎng)橋WET11盡量放在機(jī)床金屬外殼外的頂部，以避免WETll信號干擾機(jī)床系統(tǒng)。Moxa公司生產(chǎn)的智能終端安置在數(shù)控設(shè)備內(nèi)部一端與WET11通過數(shù)據(jù)線相連，另一端與數(shù)控設(shè)備的RS232串口相連。具體的系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方式如圖1所示。智能終端與數(shù)控設(shè)備之間的連接情況如表1所示。

    NC設(shè)備與DNC服務(wù)器的通信DNC系統(tǒng)通信過程中最關(guān)鍵的問題就是如何創(chuàng)造性地應(yīng)用通信技術(shù)、NC設(shè)備與服務(wù)器各自通信參數(shù)的設(shè)置以及通信的穩(wěn)定性和實(shí)時性。分頁

    2．1 DNC系統(tǒng)通信技術(shù)

    DNC主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的通信主要有串行通信、計算機(jī)局域網(wǎng)和現(xiàn)場總線三種方式。本中心的DNC系統(tǒng)采用的是串行通信方式。串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根線上，以每次一個二進(jìn)制01為最小單位進(jìn)行傳輸。串行通信的傳輸速度要比并行通信慢得多，但串行通信可顯著降低通信線路的價格，簡化設(shè)備，并可利用現(xiàn)有的電話電纜線路，在任何兩點(diǎn)通話的設(shè)備之間，配置適當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌趯?shí)行串行通信。串行通信通?？刹捎貌⑿谢虼袃煞N傳輸方式，并行傳輸抗干擾能力差，不宜用于長距離傳輸，尤其是在環(huán)境較惡劣的加工車間。串行方式使用線路少，單向的串行傳遞只要一條信號線，而并行傳遞方式中傳送的每一位都要一條信號線，在較長距離的數(shù)據(jù)傳遞中采用串行方式比較經(jīng)濟(jì)，而且可避免在遠(yuǎn)程運(yùn)輸時，多條線路的線間干擾和禍合。因此，對如NC加工程序等可靠性要求很高的長距離傳輸，多采用串行方式。

    為實(shí)現(xiàn)串行通信并保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，要求通信雙方遵循其中約定的規(guī)程。目前在Pc機(jī)及數(shù)控系統(tǒng)中最簡單、最常用的規(guī)程是異步通信控制規(guī)程，或異步通信協(xié)議，其特點(diǎn)是通信雙方以幀作為數(shù)據(jù)傳輸單位。每一幀從起始位開始，后跟數(shù)據(jù)位(位長度可選)、奇偶位(奇偶校驗(yàn))，最后以停止位結(jié)束。l幀的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

    圖2中，起始位通常使用I位表示；數(shù)據(jù)位使用5-8位表示一個字符內(nèi)容；校驗(yàn)位使用奇或偶表示，有時也可用無校驗(yàn)位；停止位常用1或2位表示，有時也用其他方式表示；空位為時間間隔，沒有一定限制。每一位的0或I代表電平的低或高，每一位的時間長度由傳輸速率，即波特率決定。一幀的傳輸大致有以下步驟。

    1)無傳輸：通信線路上處于邏輯I狀態(tài)，或稱傳號，表明線路無數(shù)據(jù)傳輸。

    2)起始傳輸：發(fā)送方在任何時刻將通信線路上的邏輯l狀態(tài)拉至邏輯0狀態(tài)發(fā)出一個空號，表明發(fā)送方要開始傳輸數(shù)據(jù)。接收方在接收到空號后，開始與發(fā)送方同步，并希望收到隨后的數(shù)據(jù)。

    3)數(shù)據(jù)傳輸：起始位跟著要發(fā)送或接收的一串位序列，即表示一個字符代碼(5、6、7或8位不等，由雙方協(xié)議確定并保持不變。數(shù)據(jù)位傳輸規(guī)定最低位在前，最高位在后。數(shù)據(jù)的確定是根據(jù)實(shí)際需求以獲得最佳傳輸速度。

    4)奇偶傳輸：數(shù)據(jù)位之后是可選擇的奇偶位發(fā)送或接收。奇偶位的邏輯狀態(tài)取決于奇偶校驗(yàn)類型是一致的。

    5)停止傳輸：奇偶位之后是發(fā)送或接收的停止位，其邏輯狀態(tài)恒為I，位時間可在I、1．5或2位選擇，且必須保證在每幀傳輸間均相同。

    發(fā)送方在發(fā)送完1幀后，可連續(xù)發(fā)送下一幀，也可隨機(jī)發(fā)送下一幀。在這兩種情況下，當(dāng)接收方收到傳號后，雙方取得同步。通信雙方除遵循相同的數(shù)據(jù)傳輸幀格式外，為確保傳輸數(shù)據(jù)的正確性，雙方還要具有相同的數(shù)據(jù)傳輸率：每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)。在不使用調(diào)制解調(diào)器的通信線路上，其導(dǎo)數(shù)就是所謂的波特率(Baud Rate)。常用的波特率為300、600、1200、2400、4800和9600等。

    2．2通信參數(shù)的設(shè)置

    串行通信參數(shù)包括：波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、停止位數(shù)、反饋?zhàn)址?、握手方式、結(jié)束代碼和換行符等。設(shè)置時要求相應(yīng)參數(shù)必須和數(shù)控設(shè)備(數(shù)據(jù)機(jī)床等)自身的串口通信參數(shù)相同，否則無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

    2．2．1機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

    本中心的數(shù)控設(shè)備有五種操作系統(tǒng)，分別為SIEMENS-802C、FANUC OiMate-Tc、MTSUBISHIE60、GSK980TA和華中21世紀(jì)星。下面就以SIEMENS-802C為例，其數(shù)控設(shè)備通信參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

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    2．2．2 DNC服務(wù)器參數(shù)設(shè)置

    本系統(tǒng)采用北航海爾公司開發(fā)的CAXA軟件DNC通信模塊。在該模塊中，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置區(qū)的"添加機(jī)床"按鈕，系統(tǒng)會彈出一個新的"傳輸參數(shù)設(shè)置"對話框(如圖3所示)，用戶只需要按照對話框中的要求把通信參數(shù)填好即可。

    在對數(shù)控設(shè)備的通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時必須要保證與DNC服務(wù)器之間的一致性，此外波特率的設(shè)定要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行設(shè)置，不能為了提高速度而一味地提高波特率，過大或過小的波特率都可能導(dǎo)致通信效率的下降。

    2．3系統(tǒng)的通信規(guī)范

    任何一種系統(tǒng)都有自己特殊的程序頭格式，例如SIEMENS-802C的程序頭，就必須按以下格式書寫，否則機(jī)床不接收。

    第一行："％_N_M11_MPF"。

    注釋：％為起始符號，N為程序名起始符，M11為程序名稱，MPF為程序文件格式(擴(kuò)展名，MPF及西門子默認(rèn)的加工代碼)。

    第二行(也可以不要)："；$PATH=／_N_MPF_DIR"。

    注釋："；"為西門子注釋，"$PATH"為路徑起始符號，N為名稱起始，此處的MPF為目錄名稱，DIR為類型(西門子系統(tǒng)中DIR代表目錄)。此外代碼中注釋行可以使用中文，但是不允許使用全角的標(biāo)點(diǎn)符號。

    3 結(jié)語

    本文對我校機(jī)電綜合工程訓(xùn)練中心DNC系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的通信技術(shù)進(jìn)行了研究，實(shí)踐表明，該系統(tǒng)的通信部分運(yùn)行良好，可靠性和實(shí)時性均能得到保障。