基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　從企業(yè)實(shí)際需求來看,對(duì)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(jì)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(jī)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(duì)于面臨全球化競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)代制造工廠,數(shù)控機(jī)床必須達(dá)到一定的數(shù)量或比例;其次就是把所擁有的數(shù)控機(jī)床組建成一個(gè)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(tái)數(shù)控機(jī)床由一臺(tái)計(jì)算機(jī)統(tǒng)一分配控制程序和進(jìn)行管理?，F(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(duì)當(dāng)時(shí)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(jì)算機(jī)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(duì)車間的生產(chǎn)計(jì)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(diǎn)是易于擴(kuò)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(jí)計(jì)算機(jī)分級(jí)結(jié)構(gòu)形式,即主控計(jì)算機(jī)加CNC系統(tǒng)群組成(見圖1)。對(duì)于通信距離短、組成DNC系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)總線技術(shù)(主要有BitBus和CAN總線)的改進(jìn)型DNC通信系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,具有操作方便、開放性好的特點(diǎn),其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。每臺(tái)數(shù)控機(jī)床配備一臺(tái)通信前端單元,各通信前端單元與DNC主控計(jì)算機(jī)間采用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)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(kuò)展性,設(shè)備更靈活,但是車間級(jí)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(shí)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(dòng)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(cè)方式,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重(大于40%)時(shí),網(wǎng)絡(luò)的確定性(Determinism)不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求: 2) Ethernet所采用的接插件(connector)、集線器(hub)、交換機(jī)( switches)和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò),工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)對(duì)普通以太網(wǎng)作了如下改進(jìn):

　　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(shí)延和碰撞,提高了實(shí)時(shí)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;