國產數控系統DNC網絡接口解決方案及實現＊*

房志亮 劉本剛 方柏鑫 胡 毅

(①中航工業沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110034;②沈陽高精數控技術有限公司，遼寧 沈陽110168)

隨著“工業4.0”及“中國制造2025”的大力推進，以信息化和工業化深度融合的智能制造技術加快了發展進程，制造生產網絡系統已經成為生產制造過程中必不可少的組織生產和生產管控的重要手段，其中基礎一環是車間底層監控網絡，又稱DNC 網絡，它是直接連接生產設備并負責與上層制造管理網絡進行信息交互的車間級網絡［1］。當前DNC 網絡能夠支持國際主流進口系統數據采集和監控，其實現是由數控系統端提供網絡接口(以下簡稱DNC 網口)負責將機床接入DNC 網絡，該接口是網絡與機床進行信息交互的通道。然而，面向航空領域的國產高檔數控系統尚不能支持通過DNC 聯網［2］，實現對配套國產數控系統機床的實時監控及在線管理功能，即國產數控系統無法直接與現有DNC 網絡集成。當前為解決該問題，通常是將配套國產數控系統的機床通過PLC 系統接入DNC網絡中，這種連接方式除需轉串口增加成本，影響傳輸速率外，更重要的是PLC 作為機床的外圍輔助控制系統，其功能和權限有限，導致對系統內部重要大數據無法采集或監控，甚至多數系統報警信息都無法直接采集，影響國產數控系統在航空領域的應用水平和規模。對此，本文以某型國產數控系統為例，在航空企業車間已有DNC 基礎上研究機床DNC 聯網技術，并開發基于該型系統的網絡化功能接口，實現其網絡通信及配套該型系統機床的運行狀態實時監控等功能。

1 DNC 網絡功能與機床接口

網絡化制造技術以各種制造資源的整合和優化利用為核心，最終提高制造技術水平、管理水平和市場競爭力［3］。目前，國內航空企業在網絡化制造管理方面已基本實現了零件制造生命周期的全閉環管理，在生產管控層面上基本消除了信息孤島。如圖1 所示是典型的制造網絡拓撲結構，其層次劃分清晰，功能相對獨立，涵蓋了企業計劃、生產過程和底層監控等方面，初步形成了對生產制造過程的有效管理;但實踐應用中信息反饋實時性、數據可信度及準確性、傳輸穩定性等問題尚待進一步解決，主要集中在車間底層DNC 網絡中，較突出的是目前配套國產數控系統的機床尚不能支持通過標準網口接入車間管理網絡。而現場使用的進口系統如SIMERIK、FIDIA 等均能方便地將機床通過系統直接接入現有DNC 網絡。

對比進口系統，均是通過數控系統提供的標準以太網口(RJ-45)直接接入車間網絡，也就是說配套國外系統的機床就像是一臺普通PC 端，完全支持TCP/IP 協議組可無縫接入DNC 以太網(windows 網絡環境)，完成了跨平臺間的網絡通信與數據傳輸，很好地解決了數據采集、狀態監控和文件管理及傳輸等問題［4］。因此，通過在數控系統端開發支持IP 協議組的標準功能接口，是機床無縫接入網絡的主流方式。

2 基于國產數控系統的DNC 網絡接口開發

2.1 DNC 接口開發內容及任務

該國產系統是基于Linux 和RTLinux 的實時操作系統以及實時通信中間件平臺，需要在該型系統現有標準模塊基礎上，重新定制開發面向航空企業車間現有DNC 網絡的功能接口，以實現在現有DNC 網絡windows 系統環境下與該系列數控系統聯網及通信。其中，首先要解決的是大量的跨操作系統平臺和網絡通信等關鍵技術問題，這需要網絡化功能接口在Linux和RTLlinux 環境下開發源代碼，便于嵌入數控系統以實現跨平臺操作及對外提供服務;其次，采用API(應用程序編程接口)的形式對外提供統一接口，實現車間聯網機床與DNC 系統的通信與數據交互。

具體而言，該網絡化功能接口研發內容應包括以下3 個方面:①針對該系列系統定制開發對外接口，解決數控系統與DNC 系統跨不同操作系統平臺之間的資源信息共享問題;②通過該接口實現設備狀態采集，包括數控系統的運行、停止、閑置、故障及系統內部過程數據;③具有易擴展性，可根據用戶需求改變監控變量并能適應未來對工業大數據的需求。

2.2 技術方案

由于該數控系統是基于LINUX 系統的RCS(實時控制系統)開發的，首先需要在數控系統內部利用RCS 的庫來開啟兩個通道:DNC 服務通道和DNC 錯誤通道。

(1)DNC 服務通道負責獲取機床的實時運行狀態如切削過程、換刀、啟停等過程信息，并將其放入系統內部名為emcStatus 結構體中對應的變量之中，并把這個結構體發送到數控系統的網絡接口，以供DNC 網絡程序讀取該信息。關鍵語句如下:

info.disp_mode=emcStatus-＞task.dispMode;

(2)DNC 錯誤通道則用來獲取系統故障信息并放入emcStatus 結構體的error_id 變量中，需要使用時只需調用該error_id 即可。接口調用過程:

info.error_id=emcStatus -＞errorId;

通過上述兩個服務，windows 環境中的DNC 信息采集端就可以讀取機床已定義的狀態數據和故障信息。

具體方案如下:①在數控系統端定制開發2 個DNC 網絡化功能接口專用通道，即DNC 服務通道、DNC 錯誤通道;②針對DNC 網絡化接口的跨平臺通信與數據交互的技術難點，采用數控系統端與采集端頭文件共享式動態鏈接口的方法，解決數控系統與采集端的聯網數據交互，為DNC 網絡采集端獲取數控系統狀態提供了傳輸通道;③將其封裝成API 函數形式以供用戶調用，實現服務器端和數控系統運行狀態資源信息的共享。

2.3 接口功能配置與調試

DNC 網絡化接口模塊運行在數控系統內部，在數控系統使用之初需要手動配置、開啟DNC 模塊。開啟過程分為兩部分，一部分是DNC 服務通道的建立，另一部分是錯誤通道的建立。具體啟動與配置過程如下:

2.3.1 DNC 服務通道啟動

(1)進入LINUX 系統命令界面。首先進入數控系統的后臺，及LINUX 系統命令界面，并進入“GJMill”目錄下，輸入“vi GJMIll.run”，然后就會出現如圖2 所示界面。

(2)在圖2 所示位置輸入“Server=MillSvr”，保存后退出。

2.3.2 DNC 錯誤通道啟動

(1)按同樣方法進入“GJMill”目錄，并在當前目錄下進入“ini”目錄中，此時會發現一個名為“GJMill.nml”的文件，在“ini”目錄下輸入“vi GJMill.nml”，此時出現如圖3a 所示界面。

(2)在圖3a 所示位置寫入“B dncError SHMEM localhost 8192 0 0 8 16 1008 TCP=5005 xdr”，此時出現如圖3b 所示界面。

(3)在圖3b 中所標注的位置寫入“P emc dncError SHMEM localhost W 0 1.0 1 0”，保存后退出并重新啟動數控系統。

完成上述配置后，DNC 網絡化接口模塊就可以通過數控系統的網口向外部與數控系統界面發送系統內部的參數或實時狀態運行值，供DNC 網絡數據采集端讀取，該值與系統本地界面的顯示數據一致。

3 DNC 網絡接口測試與典型應用

3.1 DNC 接口性能測試

為測試開發的接口模塊的可擴展性和穩定性，搭建了由實際數控系統與模擬數控系統相結合的壓力測試虛擬環境(并發數量共計253 臺)。主要測試內容包括:DNC 功能對數控系統性能影響、穩定性測試、采集數據準確性測試和采集數據響應時間測試。其中，采用linux 系統環境下的top 等相關指令測試了DNC 接口功能在不同運行時段對數控系統的系統資源利用情況，包括數控系統中DNC 服務的CPU 使用率、內存使用率等關鍵參數。如圖4 是DNC 接口開啟時系統資源開銷情況，如圖5、6 所示是與DNC 上位機建立通信后系統資源開銷情況，圖中MillSvr 對應DNC 服務。測試結果標密DNC 定制功能并不影響數控系統的性能指標。

如表 1 所示是采用tomcat 檢測工具probe，測試72 h 內安裝有DNC 壓力測試軟件的數據采集客戶端的系統資源利用情況，包括CPU使用率、內存使用率、CPU 的隊列長度等關鍵參數，數據說明在采集并發數量達到253臺的情況下，DNC 壓力測試軟件在數據采集客戶端系統占用的資源不高，且運行穩定。通過連續多次抽樣，統計分析結果證明在并發采集253 臺數控系統情況下，采集數據的準確度達到給定置信水平。

在發行采集253 臺數控系統時，通過查看狀態數據庫，發現采集同臺數控系統數據的頻率可達10 次/s，說明采集一條數據的響應時間為100 ms，滿足應用要求，部分抽樣如圖7 所示。

表1 DNC 壓力測試系統所消耗資源情況

3.2 現場應用情況

現有DNC 網絡系統在客戶端采用B/S 架構，在數控系統端采用C/S 架構，其邏輯拓撲如圖8 所示。利用現有硬件設施通過6 類雙絞線RJ45 接口直接接入數控系統，經調試后，通過上述開發的網絡化接口在DNC 網絡中實現了配套國產數控系統機床的運行狀態監控;不僅如此，基于車間管理網絡集成，如圖9 所示，機床工作狀態等還可根據需要上傳至制造執行系統(MES)供統計、分析，為自動生產調度提供現場反饋，為建立智能制造車間提供了強大的物聯網基礎。

目前，通過該接口有20 臺配套該型數控系統的機床已接入車間DNC 網絡中，實踐應用證明通過該接口數據傳輸穩定，數據可信度及準確性高、已滿足當前上層管理網絡對現場數據的需要，尤其是在機床實時狀態監控方面，已發揮較大優勢，為機床、系統維護和上層執行系統(MES)決策提供了重要現場數據，并協助實現了生產管理網絡覆蓋國產數控系統的全閉環管理。如圖10 所示是機床運行狀態和數據統計分析客戶端截圖。

4 結語

通過開發基于某型數控系統的網絡化接口模塊，建立了數控機床與車間底層管理網絡之間數據交互的通道。實踐應用證明通過該接口滿足了航空企業車間底層管理系統對配套該國產數控系統機床的網絡化管理需求，同時提高了國產高檔數控系統在航空領域的應用水平。

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