1 引言

　　從企業(yè)實際需求來看,對于制造業(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。對于面臨全球化競爭的現(xiàn)代制造工廠,數(shù)控機床必須達到一定的數(shù)量或比例;其次就是把所擁有的數(shù)控機床組建成一個雙向、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)是指多臺數(shù)控機床由一臺計算機統(tǒng)一分配控制程序和進行管理。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,是針對當(dāng)時數(shù)控設(shè)備內(nèi)存小、處理能力弱而產(chǎn)生的。以后出現(xiàn)的計算機數(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),它是針對車間的生產(chǎn)計劃、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)點是易于擴充、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)通常具有兩級計算機分級結(jié)構(gòu)形式,即主控計算機加CNC系統(tǒng)群組成(見圖1)。對于通信距離短、組成DNC系統(tǒng)的數(shù)控機床數(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)場總線技術(shù)(主要有BitBus和CAN總線)的改進型DNC通信系統(tǒng),可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,具有操作方便、開放性好的特點,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。每臺數(shù)控機床配備一臺通信前端單元,各通信前端單元與DNC主控計算機間采用現(xiàn)場總線進行連接。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)具有良好的擴展性,設(shè)備更靈活,但是車間級網(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碰撞檢測方式,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重(大于40%)時,網(wǎng)絡(luò)的確定性(Determinism)不能滿足工業(yè)控制的實時要求: 2) Ethernet所采用的接插件(connector)、集線器(hub)、交換機( switches)和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計的,不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(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)的強大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò),工業(yè)實時以太網(wǎng)對普通以太網(wǎng)作了如下改進:

　　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,克服了時延和碰撞,提高了實時性;

　　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(switches)和電纜等已有為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的。至于以太網(wǎng)存在的不確定性和實時性能欠佳的問題,已由于智能集線器的使用、主動切換功能的實現(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40%以上時才會有明顯的延時現(xiàn)象;在100M Ethernet網(wǎng)中,發(fā)送一個信息包延時超過2ms的狀況五年也不會發(fā)生一次,美國電力研究院(EPRI, Palo Alto. , Calif)的實驗結(jié)果表明,可保證延時在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: 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)點為Ethernet。2)為了促進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( Industrial EthernetAssociation)。美國電氣工程師協(xié)會(IEEE)正著手制定現(xiàn)場裝置與Ethernet通信的新標(biāo)準(zhǔn)。3)全球主要自動化廠商和組織加強了工業(yè)Ethernet的實現(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)的一個分支。近幾年國內(nèi)比較高端先進的數(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)的實現(xiàn)。華中數(shù)控系統(tǒng)具有開放化、模塊化的優(yōu)點,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,再通過交換機聯(lián)到服務(wù)器,其中交換機高速接口聯(lián)到服務(wù)器端。系統(tǒng)開機以后,遠(yuǎn)程的服務(wù)器自動分配給數(shù)控機床一個固有的IP地址,出于網(wǎng)絡(luò)安全的考慮,此IP地址是私網(wǎng)地址,一個網(wǎng)段內(nèi)可以容納254臺數(shù)控機床,如果數(shù)控機床數(shù)量多,可以劃分幾個網(wǎng)段,可以為每臺數(shù)控機床設(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)控機床。每臺數(shù)控機床分配到IP地址以后,就可以實現(xiàn)機床和機床之間、機床和服務(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復(fù)雜的加工程序,解決了數(shù)控系統(tǒng)存儲容量上的瓶頸問題。服務(wù)器又可以和上層企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng),使車間級網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)很好融合。由于網(wǎng)絡(luò)的雙向性和數(shù)控機床的名稱確定性,可以很方便地給每臺機床的數(shù)控系統(tǒng)進行升級,改變了以前的用軟盤逐臺升級的方式,大大提高了效率,減少了系統(tǒng)升級帶來的生產(chǎn)停工時間。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),實時查看各數(shù)控機床加工的程序和工作狀態(tài)。利用成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可以實現(xiàn)所有的數(shù)控機床無論分布在何處,只要連接到Internet,便可以把這些機床虛擬為一個很大的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),機床是否開機和運行,狀態(tài)一目了然。舉例來說,如果有足夠的權(quán)限,完全可以實現(xiàn)在北京的設(shè)計人員把加工程序?qū)崟r發(fā)送到深圳的生產(chǎn)基地的某臺特定的數(shù)控機床上進行加工,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臺加工中心和一臺仿形數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng),可在遠(yuǎn)程異地設(shè)計、編程,然后通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳送和共享零件加工程序,實現(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外的常柴總廠計算中心連接?？倧S計算中心由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數(shù)控機床的控制系統(tǒng)中。由于華中網(wǎng)絡(luò)CNC具有較大的內(nèi)存和外存空間,其資源可共享到計算機網(wǎng)絡(luò)上。因此,每臺配華中數(shù)控系統(tǒng)存儲器上的數(shù)控程序,可通過網(wǎng)絡(luò)共享到其他任何一臺華中數(shù)控系統(tǒng)上,這使得數(shù)字化仿形測量所生成的數(shù)控加工程序可共享到其他非仿型功能的數(shù)控機床上加工模具。由于計算機局域網(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) ,對于復(fù)雜模具的大容量程序的傳送速度非?？旖?、可靠。

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)實現(xiàn)對數(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、沒有大容量存儲的不足,同時,還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷、系統(tǒng)升級等多種功能,具有廣闊的市場應(yīng)用前景。作者簡介:梁志鋒,高級工程師,享受國務(wù)院特殊津貼專家,主要從事機電一體化、數(shù)控設(shè)備的研究及開發(fā)。