基于以太網技術的數控機床DNC系統網絡設計

尹智龍

(九江職業大學 機電工程學院，江西 九江 332000)

經調查顯示，企業和高職院?；旧隙寄軐崿F單臺計算機與單臺數控機床的聯機通信，通過計算機可以實現讀取數控機床的數據和管理操作數控機床的功能。但此方案存在設備成本高、人工成本高和數據共享程度低的缺點。一臺計算機控制多種類型多臺數控機床的集成聯網系統已經成為制造業必須解決的問題。DNC(Distributed Numerical Control，以下簡稱“DNC”)，即分布式數字控制。DNC系統采用TCP/IP通信協議進行網絡通信，再利用SQL Server數據庫實現機床狀態數據采集和管理，融合了數控、網絡技術、計算機等多種學科技術。從根本上解決了每臺數控機床都要配置一個傳輸終端設備而導致成本高、效率低的問題。

1 DNC系統的網絡通信

1.1 常用的網絡通信方式對比

1.1.1 串行通信。串行通信是經由I/O拓展口，實現一臺PC機和數臺NC(Numerical Control，數字控制，以下簡稱NC)機床之間的通信。該通信方式主要是借由NC機床自帶的RS-232等串口，采取星形拓撲或點對點型結構，來完成數據的傳輸。其傳輸速度不高，通常為110 bit/s～9 600 bit/s。就通信協議而言，串行通信方式通常分為3層，即物理、鏈路以及應用層。就其功能來說，物理層就是從軟硬件上實現通信連接，其功能是為了完成比特流在通信媒介上的傳遞。鏈路層則一般采取異步通信協議模式，其功能主要是完成通信數據在幀格式方面的變換，以確保數據的同步傳送，與此同時把物理層送達的數據幀進行奇偶校驗方面的檢錯處理之后，再傳遞給應用層。應用層則是負責具體的信號應答[1]。

該通信方式有如下缺點：工控微機數量多、設備成本高、運行維護難度大、傳輸速度低距離短以及抗干擾能力不強等。

1.1.2 現場總線通信?，F場總線技術(Field Bus)通常使用在微機控制的設備之間，完成雙向串行之間的多節點數據通信。該技術能夠構造新型網絡集成式分布控制系統，既能滿足過程控制的自動化，又能滿足制動自動化的需求。因為現場總線技術是基于數字通信的，因此能夠實現在控制終端與操作現場之間的多變量雙向通信[2]。但是，隨著網絡技術的快速發展，現場總線技術在使用的過程中，也日益顯現其弊端，如下所述：①現場總線技術未統一。現場總線技術由眾多開發廠商研發，其各自開發的總線技術之間存在協議開放性差和協議不兼容等問題。②現場總線協議和企業局域網通信協議不一致。企業內部的非DNC主控計算機，無法直接訪問NC機床，以得到機床加工數據。想要獲取上述數據，就不得不借由DNC 主控計算機作為中轉站。因此，從通信結構上無法達成企業研發設計、制造加工的集成一體化。③現場總線技術的通信速度低?，F場總線技術的通信速度最高通常只能達到1 Mb/s。而一旦DNC系統需要監控現場生產狀況，就會產生大量的音視頻數據傳輸，此時，現場總線技術就很可能無法滿足上述需求。

1.1.3 工業以太網通信。伴隨著工業以太網的迅猛發展，該技術也逐漸應用到了工業自動化網絡通信領域，并且有逐步向產業鏈下游延伸的趨勢。

目前，以太網和TCP/IP技術已然成為DNC技術發展的新趨勢。其原因主要有以下幾個方面：①以太網技術可以將CAN總線技術的1 Mbps提升到100 Mbps 乃至1 000 Mbps,充足的帶寬以及交換式集線器的使用可以完成系統音視頻傳輸要求。②基于以太網集線器的技術發展，為連接在其上的每個終端都提供了并行不悖的獨立帶寬，因此共同使用該集線器的不同終端設備之間不存在爭奪帶寬資源的情況。③雙向同時通信技術還提供了專用通道，便于集線器與終端設備之間的通信數據的發送與接收，因此，集線器設備之間的通信沖突得到了大大降低甚至完全消除[3]?；谏鲜鲈?，DNC系統中越來越多地使用工業以太網技術作為通信手段。

1.2 數控機床的DNC系統通信

本課題擬采用以太網技術將現有車間的數控機床組合成新的DNC系統網絡，主要是基于以下幾個方面的考慮：①工業以太網技術日益成熟，且系統搭建的投入及后期維護、管理成本都不算高。②基于構建主體現有的局域網結構，既可以應用現有的設備資源，又可以達成與生產現場數控設備網絡直接的辦公網絡自動化。③該技術可以完成企業管理信息與生產信息的無縫對接，實現企業信息的完整性與可共享。

2 DNC系統網絡通信結構

2.1 DNC系統框架

本課題擬應用工業以太網技術構建的DNC通信系統框架如圖1所示。簡要說明如下：串口服務器在通信系統中起到了一個NC機床信息交換站的作用，與此同時，它也類似于一個切入式Web服務器，可以實時地提供NC機床的運行狀態信息。車間服務器的功能則體現在與串口服務器之間進行NC程序的傳輸。SQL數據庫服務器的作用則是存放NC機床事件及NC程序等。而網絡服務器則是負責兩個方面的數據交換：①企業內部的數據共享，即生產現場數據與企業管理等方面的數據共享；②在必要的時候，可以完成企業內聯網與外部互聯網之間的數據交換。與此同時，網絡服務器需完成收集機床的實時生產信息，并從數據庫中找到已有機床事件日志，進行對比分析之后，在網絡上發布NC機床的運行狀態。

圖1 DNC系統

2.2 通信程序結構

本課題擬開發的程序是應用在基于以太網的DNC通信系統中，其結構原理見圖2。

圖2 通信程序結構原理

作為TCP/IP通信協議的最小操作單元，Windows操作系統自帶的接口Socket(套接字)也是NC程序網絡傳輸以及機床事件傳輸必不可少的基礎。因為Socket是面向客戶/服務器(Customer/Server)模型而開發設計的，所以在通訊過程中必須要確定通信兩端的定位，即哪一端為客戶端，哪一端為服務器端。在本課題中，我們將串口服務器作為Socket的服務器端，而通信和接收平臺作為Socket客戶端。

3 數控機床的DNC系統聯網設計

3.1 現有的數控機床通信接口

3.1.1 RS-232串口型。該類型的DNC系統是將NC機床的RS-232串口與DNC總站的串口直接連接，以此完成數控程序的上傳與下載。從20世紀90年代開始，數控機床大多具有這種接口。在很長的一段時間里，RS-232(及其升級版RS-485)是工業網絡通信領域使用最普遍的一種串行接口。該類型的DNC系統主要在NC機床上安插DNC轉接卡，并且借由對應的軟件來實現DNC服務站與該轉接卡之間的數據通信。

3.1.2 網絡接口型。因為少數先進NC機床配置了網絡接口，因此該類型的DNC系統可以直接將NC機床連入企業內聯網中，能夠更有效地管理各分布式NC機床。

3.1.3 直接數控型。隨著通信技術的迅速發展，少數NC機床內置先進的通信模塊，即將PC機內嵌入NC機床內部。借此能夠實現上位機與下位機的直接連接控制。

3.2 數控機床的DNC系統聯網設計

本課題所研究的NC機床都是配置RS-232通信接口。上文已經敘述，此接口模式能夠實現通信，卻無法進行聯網，必須借由串口服務器來實現RS-232串口的聯網。本課題設計的串口服務器工作原理如圖3所示。該串口服務器可以實現串口設備和內聯網任意計算機之間的信息互聯，簡而言之，其設計作用類似于內聯網和串口設備之間的網關。通過串口服務器為NC基礎配置IP地址，NC機床便成為內聯網中的節點，從而能夠實現與上位機之間的數據交換、文件傳輸等功能。

圖3 數控機床串口服務器示意

4 結束語

筆者研究的計算機與機床控制器之間的通信連接，是構建DNC系統的關鍵的一步，也是實現單臺計算機作為中央計算機，與多臺數控機床的聯網通信，進行數據讀取、交換、程序分享等功能的第一步。后續還需要解決具體的異構機床因通信接口差異、數控協議不同等因素帶來的問題。