尹智龙

(九江职业大学 机电工程学院，江西 九江 332000)

经调查显示，企业和高职院校基本上都能实现单台计算机与单台数控机床的联机通信，通过计算机可以实现读取数控机床的数据和管理操作数控机床的功能。但此方案存在设备成本高、人工成本高和数据共享程度低的缺点。一台计算机控制多种类型多台数控机床的集成联网系统已经成为制造业必须解决的问题。DNC(Distributed Numerical Control，以下简称“DNC”)，即分布式数字控制。DNC系统采用TCP/IP通信协议进行网络通信，再利用SQL Server数据库实现机床状态数据采集和管理，融合了数控、网络技术、计算机等多种学科技术。从根本上解决了每台数控机床都要配置一个传输终端设备而导致成本高、效率低的问题。

1 DNC系统的网络通信

1.1 常用的网络通信方式对比

1.1.1 串行通信。串行通信是经由I/O拓展口，实现一台PC机和数台NC(Numerical Control，数字控制，以下简称NC)机床之间的通信。该通信方式主要是借由NC机床自带的RS-232等串口，采取星形拓扑或点对点型结构，来完成数据的传输。其传输速度不高，通常为110 bit/s～9 600 bit/s。就通信协议而言，串行通信方式通常分为3层，即物理、链路以及应用层。就其功能来说，物理层就是从软硬件上实现通信连接，其功能是为了完成比特流在通信媒介上的传递。链路层则一般采取异步通信协议模式，其功能主要是完成通信数据在帧格式方面的变换，以确保数据的同步传送，与此同时把物理层送达的数据帧进行奇偶校验方面的检错处理之后，再传递给应用层。应用层则是负责具体的信号应答[1]。

该通信方式有如下缺点：工控微机数量多、设备成本高、运行维护难度大、传输速度低距离短以及抗干扰能力不强等。

1.1.2 现场总线通信。现场总线技术(Field Bus)通常使用在微机控制的设备之间，完成双向串行之间的多节点数据通信。该技术能够构造新型网络集成式分布控制系统，既能满足过程控制的自动化，又能满足制动自动化的需求。因为现场总线技术是基于数字通信的，因此能够实现在控制终端与操作现场之间的多变量双向通信[2]。但是，随着网络技术的快速发展，现场总线技术在使用的过程中，也日益显现其弊端，如下所述：①现场总线技术未统一。现场总线技术由众多开发厂商研发，其各自开发的总线技术之间存在协议开放性差和协议不兼容等问题。②现场总线协议和企业局域网通信协议不一致。企业内部的非DNC主控计算机，无法直接访问NC机床，以得到机床加工数据。想要获取上述数据，就不得不借由DNC 主控计算机作为中转站。因此，从通信结构上无法达成企业研发设计、制造加工的集成一体化。③现场总线技术的通信速度低。现场总线技术的通信速度最高通常只能达到1 Mb/s。而一旦DNC系统需要监控现场生产状况，就会产生大量的音视频数据传输，此时，现场总线技术就很可能无法满足上述需求。

1.1.3 工业以太网通信。伴随着工业以太网的迅猛发展，该技术也逐渐应用到了工业自动化网络通信领域，并且有逐步向产业链下游延伸的趋势。

目前，以太网和TCP/IP技术已然成为DNC技术发展的新趋势。其原因主要有以下几个方面：①以太网技术可以将CAN总线技术的1 Mbps提升到100 Mbps 乃至1 000 Mbps,充足的带宽以及交换式集线器的使用可以完成系统音视频传输要求。②基于以太网集线器的技术发展，为连接在其上的每个终端都提供了并行不悖的独立带宽，因此共同使用该集线器的不同终端设备之间不存在争夺带宽资源的情况。③双向同时通信技术还提供了专用通道，便于集线器与终端设备之间的通信数据的发送与接收，因此，集线器设备之间的通信冲突得到了大大降低甚至完全消除[3]。基于上述原因，DNC系统中越来越多地使用工业以太网技术作为通信手段。

1.2 数控机床的DNC系统通信

本课题拟采用以太网技术将现有车间的数控机床组合成新的DNC系统网络，主要是基于以下几个方面的考虑：①工业以太网技术日益成熟，且系统搭建的投入及后期维护、管理成本都不算高。②基于构建主体现有的局域网结构，既可以应用现有的设备资源，又可以达成与生产现场数控设备网络直接的办公网络自动化。③该技术可以完成企业管理信息与生产信息的无缝对接，实现企业信息的完整性与可共享。

2 DNC系统网络通信结构

2.1 DNC系统框架

本课题拟应用工业以太网技术构建的DNC通信系统框架如图1所示。简要说明如下：串口服务器在通信系统中起到了一个NC机床信息交换站的作用，与此同时，它也类似于一个切入式Web服务器，可以实时地提供NC机床的运行状态信息。车间服务器的功能则体现在与串口服务器之间进行NC程序的传输。SQL数据库服务器的作用则是存放NC机床事件及NC程序等。而网络服务器则是负责两个方面的数据交换：①企业内部的数据共享，即生产现场数据与企业管理等方面的数据共享；②在必要的时候，可以完成企业内联网与外部互联网之间的数据交换。与此同时，网络服务器需完成收集机床的实时生产信息，并从数据库中找到已有机床事件日志，进行对比分析之后，在网络上发布NC机床的运行状态。

图1 DNC系统

2.2 通信程序结构

本课题拟开发的程序是应用在基于以太网的DNC通信系统中，其结构原理见图2。

图2 通信程序结构原理

作为TCP/IP通信协议的最小操作单元，Windows操作系统自带的接口Socket(套接字)也是NC程序网络传输以及机床事件传输必不可少的基础。因为Socket是面向客户/服务器(Customer/Server)模型而开发设计的，所以在通讯过程中必须要确定通信两端的定位，即哪一端为客户端，哪一端为服务器端。在本课题中，我们将串口服务器作为Socket的服务器端，而通信和接收平台作为Socket客户端。

3 数控机床的DNC系统联网设计

3.1 现有的数控机床通信接口

3.1.1 RS-232串口型。该类型的DNC系统是将NC机床的RS-232串口与DNC总站的串口直接连接，以此完成数控程序的上传与下载。从20世纪90年代开始，数控机床大多具有这种接口。在很长的一段时间里，RS-232(及其升级版RS-485)是工业网络通信领域使用最普遍的一种串行接口。该类型的DNC系统主要在NC机床上安插DNC转接卡，并且借由对应的软件来实现DNC服务站与该转接卡之间的数据通信。

3.1.2 网络接口型。因为少数先进NC机床配置了网络接口，因此该类型的DNC系统可以直接将NC机床连入企业内联网中，能够更有效地管理各分布式NC机床。

3.1.3 直接数控型。随着通信技术的迅速发展，少数NC机床内置先进的通信模块，即将PC机内嵌入NC机床内部。借此能够实现上位机与下位机的直接连接控制。

3.2 数控机床的DNC系统联网设计

本课题所研究的NC机床都是配置RS-232通信接口。上文已经叙述，此接口模式能够实现通信，却无法进行联网，必须借由串口服务器来实现RS-232串口的联网。本课题设计的串口服务器工作原理如图3所示。该串口服务器可以实现串口设备和内联网任意计算机之间的信息互联，简而言之，其设计作用类似于内联网和串口设备之间的网关。通过串口服务器为NC基础配置IP地址，NC机床便成为内联网中的节点，从而能够实现与上位机之间的数据交换、文件传输等功能。

图3 数控机床串口服务器示意

4 结束语

笔者研究的计算机与机床控制器之间的通信连接，是构建DNC系统的关键的一步，也是实现单台计算机作为中央计算机，与多台数控机床的联网通信，进行数据读取、交换、程序分享等功能的第一步。后续还需要解决具体的异构机床因通信接口差异、数控协议不同等因素带来的问题。