網絡DNC集成數控加工網絡化淺析

1.DNC系統(tǒng)概述

　　DNC意思是直接數字控制或分布數字控制，是Distributed Numerical Control或Direct Numerical Control的簡稱。DNC最早是指分布式數控系統(tǒng)，它的含義是用一臺大型計算機同時控制多臺數控機床，由該計算機負責NC程序管理和傳送。隨著科學技術的進步和CNC技術的發(fā)展，數控系統(tǒng)存儲容量得到很大的提高，其計算速度也大為提高。DNC由簡單的直接數字控制轉向分布式數字控制，它不僅有直接數字控制的功能，還有系統(tǒng)信息管理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視和系統(tǒng)控制的功能。

　　DNC目前著眼于車間的信息集成，針對車間的生產計劃，技術準備，加工操作等基本作業(yè)進行集中監(jiān)控和分散控制，把生產任務通過局域網分配給各個加工單元，并使之信息相互交換。DNC集成模式可根據車間規(guī)模大小不同，構成不同的結構層次，有單層、雙層和多層DNC系統(tǒng)。一個DNC集成系統(tǒng)的最高層次可以是單元級甚至是車間級、工廠級，至于DNC主機則處在工作站層。設備層中，可以包括DNC接口計算機，也可以不需要DNC接口機，DNC集成系統(tǒng)中是否需要DNC接口計算機要根據實際需求情況而定。如圖1(a、b、c)：

　　根據DNC結構層次的不同，其構成往往也不同，但其基本組成是一樣的，圖2是典型的DNC系統(tǒng)，

　　其重要組成部有：DNC主計算機；數據通信線；DNC接口；NC或CNC裝置；軟件系統(tǒng)。

　　由于DNC系統(tǒng)的多種構成形式，系統(tǒng)的大小和復雜程度也各不相同。具體的DNC系統(tǒng)選擇要根據其要求達到的目標和具體的實際條件來決定。影響DNC系統(tǒng)配置的因素很多，如圖3所示，但首先應考慮實際的具體需求。

　　DNC控制系統(tǒng)方案的選擇原則是：可靠性；經濟性；靈活性。

　　DNC系統(tǒng)具有兩個方面的功能：一是基本功能；二是擴展功能，如圖4所示?；竟δ苤饕∟C程序的管理和實現DNC主機和數控系統(tǒng)之間程序傳輸。擴展功能則是在基本功能的基礎上添加通信控制功能、生產計劃及管理、工裝刀具管理、數控工藝管理、毛坯物料流程控制和庫存等功能。

2.DNC系統(tǒng)中的通訊網絡

　　DNC系統(tǒng)是實施FMS和CIMS的必要基礎，它利用一臺計算機處理多臺數控機床，通過通信網絡完成加工信息、加工參數和NC代碼的傳送與處理，因此通訊網絡在DNC系統(tǒng)中是至關重要的。通訊網絡主要包括控制計算機、數控設備，I/O接口通信單元等?，F有很多種具有良好性能的通信網絡可供選擇，在實際選擇時，需要考慮計算機與數控系統(tǒng)的兼容程度，實際的生產流程情況等因素的影響。

　　網絡技術是DNC技術中很重要的一部分，在DNC系統(tǒng)中，網絡是根據用戶需求而實現的，而支持制造自動化系統(tǒng)功能目標的專用工業(yè)計算機局域網系統(tǒng)，具有以下特點：

　　制造自動化系統(tǒng)中網絡覆蓋面廣，包括車間、單元、工作站和設備層，這些層次上信息的特征、交換形式和要求各不相同，因而選用的通信聯(lián)網形式和網絡技術也不相同。此外，為滿足整體系統(tǒng)信息集成的要求，還要考慮制造自動化系統(tǒng)同計算機集成制造系統(tǒng)上層系統(tǒng)的通信要求，因此制造自動化系統(tǒng)的網絡是嵌入到一個由若干應用服務類型不同的局域子網互連集成環(huán)境中的計算機網絡。

　　同時由于近年來局域網產品發(fā)展迅速，制造自動化系統(tǒng)子網內部，在通信協(xié)議、網絡拓撲結構、訪問存儲控制方法及通信介質等方面都有差異，特別是在底層設備的通信方面，標準化程度并不一樣，這阻礙了不同類型網絡的互連性。解決不同供應廠商的通信及聯(lián)網產品的互連問題，是DNC網絡需要解決的關鍵技術之一。

　　DNC系統(tǒng)從信息需求看可分為四個方面，即：網絡訪問與系統(tǒng)支撐、信息格式與共享、底層通信支撐、加工設備(如機床)的監(jiān)控。

3.網絡化數控加工系統(tǒng)的結構

　　網絡化制造是一種新型的制造模式，它以數字化、柔性化和敏捷化為基本特征。柔性化與敏捷化是快速響應客戶需求的前提，表現為結構上的快速重組、性能上的快速響應、過程中的并行性與分布式決策。因此，網絡化制造模式下的數控加工系統(tǒng)應具有集成、分布和廣義的特征，同時必須獲得信息高速公路的充分支持，這是網絡化制造的根本要求，也是網絡化數控加工系統(tǒng)的內在特性。網絡化數控加工系統(tǒng)應具有下列功能：

　　(1)網絡化數控加工系統(tǒng)是一個數控加工信息集成系統(tǒng)

　　網絡化數控加工系統(tǒng)不僅僅是一個數控程序傳輸系統(tǒng)，而是包括制造數據傳輸、機床狀態(tài)采集、作業(yè)任務分配、機床信息管理、機床狀態(tài)數據分析等的集成化信息系統(tǒng)。

　　(2)支持基于網絡的制造數據共享功能

　　網絡化數控加工系統(tǒng)能夠實現網絡聯(lián)盟企業(yè)計算中心與現場數控設備之間的信息共享。該功能主要表現為兩個方面：一方面實現數控設備可以共享聯(lián)盟企業(yè)計算中心的加工程序代碼，實現聯(lián)盟企業(yè)計算中心的計算能力通過網絡的延伸;另一方面聯(lián)盟企業(yè)計算中心可以通過網絡接收來自數控設備的制造數據，服務于其它數控設備。

　　(3)支持基于網絡的實時監(jiān)控功能

　　網絡化數控加工系統(tǒng)能夠通過網絡實時發(fā)布機床的狀態(tài)信息，反映機床的運行歷史，統(tǒng)計機床的運行報告，同時通過Web攝像機實時發(fā)布現場的生產情況。這要求一方面采集機床狀態(tài)，另一方面把這些采集的信息實時網絡發(fā)布，同時記錄到機床的運行歷史數據庫，實現對機床全部生產時間的狀態(tài)記載。

　　(4)支持跨平臺的操作功能

　　由于盟友的計算機軟、硬件、數控加工設備、數據庫系統(tǒng)及應用等具有多樣性，因此，網絡化數控加工系統(tǒng)必須是開放式的，能夠為盟友提供開放、公共的界面，支持跨平臺操作，支持不同地域的多用戶同時操作和信息共享。這就要求網絡化數控加工中的信息共享平臺必須支持跨平臺操作。

　　DNC集成的模式可根據車間規(guī)模大小和生產設備的不同，采用一般控制結構和多級控制結構。一般控制結構具有兩級計算機分級結構，其DNC運行模式的控制結構只有工作站和設備層如圖1(a)，結構簡單、功能集中、投資少、實現簡單，適合于小規(guī)模的DNC控制。DNC主機對多臺數控機床進行分時控制，從大容量內存中調用零件程序指令，分配和發(fā)送給機床，實現操作指令下達和狀態(tài)信息反饋等功能，并隨時做出相應。

　　多級DNC樹型結構的頂部一般具有通用的能力，控制與協(xié)調整個系統(tǒng)，底部主要是面向應用，具有專用性，完成特定任務。其常用結構是二、三級結構，以三級居多。
　　
　　上層計算機主要由數據庫服務器和DNC主控制機構成，用來完成CAD/CAM/CAPP等數據的管理和傳送功能，往往承擔著系統(tǒng)的管理、生產計劃和物料需求計劃等功能。中間DNC控制系統(tǒng)直接接收上一級系統(tǒng)的信息，也可根據下一級的設備狀態(tài)，進行任務調度，實時的分配加工任務及反饋一些統(tǒng)計信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息。最底層的設備層主要由各種數控機床組成，通過RS-232接口與DNC主機實現通訊。它接收上一級的加工指令和控制信息，實現產品的加工操作，也可向上反饋工況信息。

4.網絡化的DNC集成數控加工系統(tǒng)的特點

　　“集成”是網絡化的DNC集成數控加工系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)DNC系統(tǒng)最主要的特征。DNC系統(tǒng)的“集成”主要體現在:DNC系統(tǒng)的集成不僅是設備的集成，也是功能的集成，信息的集成，控制與管理的集成，是一種“廣義的集成”。其次，DNC系統(tǒng)的集成可以是車間內不同品牌、不同協(xié)議的智能設備之間的集成，也可以是不同車間、不同系統(tǒng)之間的集成，甚至是廠內與廠外或遠程設備之間的集成，是一種“開放式的集成”。最后，DNC系統(tǒng)的集成是一種“分級集成”，即這種集成，可以是設備級的、工作站級的、單元級的，也可以是車間級的，甚至是跨車間級的。因此，集成環(huán)境下的DNC必須滿足集成通訊、兼容性、開放性、實時性和可靠性的要求。

　　DNC集成模式可根據車間規(guī)模大小的不同，構成不同的結構層次，主要有以下幾種：

　　(1)工作站層運行模式

　　工作站層模式包括工作站層和設備層。該模式是用一臺中央計算機集中控制管理一組機床。該集成DNC除了具有基本的DNC功能外，還具有CAD/CAPP/CAM以及MRPⅡ等系統(tǒng)的接口，甚至可以將這些系統(tǒng)集成在DNC主機內。該模式結構簡單、功能集中、投入少，適合車間局部進行DNC控制。
　　
　　(2)單元層運行模式

　　單元層模式采用包括單元層、工作站層和設備層。DNC主機負責制造數據的管理、傳送和設備狀態(tài)信息的采集；單元控制器負責產品及工藝的設計、NC程序的生成、成產計劃和生產調度等工作。此運行模式還可以對輔助設備單元進行控制管理。
　　
　　(3)車間層運行模式

　　車間層模式包括設備層、單兀層和車間層，這一模式覆蓋了整個車間?？梢钥闯?，集成DNC主機通過單元控制器從車間層獲取產品制造信息，單元控制器的主要功能是進行生產計劃和生產調度，與車間主控計算機通過局域網實現企業(yè)內部網絡管理;集成DNC主機負責NC程序的傳送、設備狀態(tài)的采集等，在制造單元和工作站數目不多的情況下，可以將單元控制器和工作站直接掛在車間局域網上，在網上進行單元的邏輯構造，這種網絡結構反而更有利于單元重構，當以前的單元結構不適應新的生產要求時，不變動工作站和設備的空間位置就可以在網絡上進行單元的邏輯重構。該運行模式適合于有單元層設置的車間。
　　
　　(4)跨車間運行模式

　　前面三種運行模式構成的DNC集成系統(tǒng)沒有與工廠層信息交換的通道，已越來越不能滿足社會發(fā)展的需要。為適應未來制造業(yè)發(fā)展的需要，車間還應建立與Internet的接口，以便車間作為制造單元加入虛擬企業(yè)。信息技術的發(fā)展，使跨車間、跨工廠、跨地域甚至跨國域的制造信息的交換已經可以實現，跨車間運行模式結構如圖6(d)，實際上是一種面向敏捷制造的車間運行模式，可實現敏捷制造企業(yè)的車間重組和動態(tài)聯(lián)盟，這種新的車間運行模式對于改造國有大中型企業(yè)、充分發(fā)揮和利用國企的優(yōu)勢、增強企業(yè)的競爭能力，具有十分重要的意義。

5.數控機床網絡化的現存問題

　　由于歷史原因，制造車間往往同時擁有多種類型的數控機床，這些數控機床的數控系統(tǒng)由于生產年代和生產國家、廠家的不同，存在著多種檔次和型號，從而造成了聯(lián)網的復雜性，主要表現在以下幾個方面：
　　
　　(1)因為數控系統(tǒng)不同造成的通訊接口繁雜，通訊功能不一。目前，數控機床常見的通訊接口有:標準串行數據通訊接口、DNC接口等。同時，還可能具有不同的通訊協(xié)議，數控系統(tǒng)通訊協(xié)議主要有XON/XOFF辦議和自動重復請求的ARQ協(xié)議兩大類。因此，要解決DNC主機與這些通訊接口的轉換問題。

　　(2)加工車間內環(huán)境差、動力設備多，產生的干擾強，而且頻帶也比較寬，因而通訊系統(tǒng)應具有很強的抗干擾能力。

　　(3)DNC集成的功能可分為下傳NC程序、雙向傳輸NC程序，以及系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠程控制等功能。不同單位對DNC功能需求差異較大，用戶要根據實際情況選擇，以充分發(fā)揮機床的潛力。