刘继东 罗锡萍

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

0 引言

DNC(Distributed Numerical Control)称为分布式数控，意为直接数字控制或分布数字控制。是实现CAD/CAM和计算机辅助生产管理系统集成的纽带，是机械加工自动化的又一种形式。DNC最早的含义是直接数字控制，其研究开始于上世纪六十年代。它指的是将若干台数控设备直接连接在一台中央计算机上，由中央计算机负责NC程序的管理和传送。当时的研究目的主要是为了解决早期数控设备 (NC)因使用纸带输入数控加工程序而引起的一系列问题，以及早期数控设备的高计算成本等问题。

七十年代以后，随着数控机床 (CNC)技术的不断发展，数控系统的存贮容量和计算速度都大为提高，DNC的含义由简单的直接数字控制发展到分布式数字控制。它不但具有直接数字控制的所有功能，而且具有系统信息收集、系统状态监视以及系统控制等功能。

八十年代以后，随着计算机技术、通讯技术和CIMS技术的发展，DNC的内涵和功能不断扩大，与六、七十年代的DNC相比已有很大区别，它开始着眼于车间的信息集成，针对车间的生产计划，技术准备，加工操作等基本作业进行集中监控与分散控制，把生产任务通过局域网分配给各个加工单元，并使之信息相互交换。而对物流等系统可以在条件成熟时再扩充，既适用于现有的生产环境，提高了生产率，又节省了成本。

随着以PLM （PDM）的应用为基础，以ERP的实施为核心的信息化管理的不断深化，公司信息化的单元应用逐渐加强，集成应用迅速拓展，企业向精细化管理迈进。近几年来，公司生产任务量逐年加大，数字化设计成为提高研发能力的必要手段，设备数控化率急剧增加，生产计划纳入了信息化管理，使得引入数字化技术，打造数字化制造中心，解决企业面临的生产瓶颈和管理瓶颈成为当务之急。为打造数字化制造中心，以信息为纽带，建立覆盖公司整个加工车间的数控机床联网 （DNC）系统，建立数控技术文件管理和设备数据采集及监控的网络化管理系统，建立和应用面向计算机辅助装配工艺规划的CAPP过程管理系统，建立加工执行过程和质量跟踪的综合管理平台。通过先进的计算机网络信息化手段，对数控机床运行的重要数据和参数进行数据采集和处理，并且协助使用人员通过计算机网络技术对生产、维修、计划进行管理。提高设备运行的透明性，减少设备不必要的停机时间，提高加工程序的管理方式和效率，科学地对设备进行计划维护，实时监视设备的运行状况。以实现 “四化”：即信息采集实时化、执行过程可视化、生产管理无纸化、设备加工智能化为标志，达到制造管理层对生产工厂的全面控制，成为本项目研究和实施应用的重点。

1 DNC的原理

DNC最早是指分布式数控系统 （Distributed Numerical Control），其含义是用一台大型计算机同时控制几台数控机床。后来随着科学技术的进步，数控系统由NC（Numerical Control）发展为CNC（Computer Numerical Control计算机数控系统），每一台数控机床由一台计算机 （CNC系统）来控制，所以过去的DNC概念已失去意义。现在的CNC系统功能已非常完善，一般都支持RS-232C通信功能，即通过RS-232口接收或发送加工程序，有很多CNC系统可实现一边接收N/C程序一边进行切削加工，这就是所谓的DNC(Direct Numerical Control)，但不是所有的CNC系统都支持这一功能，有一些系统只是先将接收的加工程序存储在系统内存 (Memory)里，而不能同时进行切削加工，这种传输形式一般叫块 (BLOCK)传输。

从DNC概念的出现到今天的DNC技术，不论从功能上还是内涵上都发生了很大的变化。也正因为不断的变化，人们对DNC的概念有着各种各样的理解，从而导致对DNC的分类标准也各不相同，不同角度有着不同的分类方法。

1.1 按DNC的功能来分

按照DNC的功能的强弱，可将其分为初始DNC、基本DNC、狭义DNC和广义DNC（见表1）。

表1 按功能强弱划分的DNC

1.2 按DNC系统的内涵划分

按DNC系统内涵的不同，可将其分为直接DNC、分布式DNC、柔性DNC，网络DNC、集成DNC和智能DNC等。

（1）直接DNC系统，也就是直接数字控制DNC(Direct Numerical Control)，是早期的DNC概念，其主要功能是将计算机与数控机床的直接连接，只是实现NC程序的下传到数控机床以完成零件的加工而已。

（2）分布式数控系统 (Distributed Numerical Control)是随着网络和计算机技术的发展而赋予了DNC新的内涵。不但能够实现NC程序的双向传输，而且具有系统信息采集、状态监视和系统控制等功能。

（3）柔性DNC系统是随着DNC的发展，DNC和FMS的界限越来越模糊，此时的DNC已成为FMS中必不可少的一部分。

（4）网络DNC系统，是为了适应敏捷制造、全球制造、分布式制造和远程制造而发展起来的一种DNC系统。这种DNC系统的特点是更强调网络与分布式数据库方面的功能与虚拟集成。

（5）集成DNC系统，是以数控技术、计算机技术、控制技术、通信技术和网络技术等先进技术为基础，把与制造过程有关的设备与上层控制计算机集成起来，从而实现制造车间制造设备的集成控制管理以及制造设备之间、制造设备与上层计算机之间的信息交换。

（6）智能DNC系统是随着人工智能技术的发展及其在制造领域的应用而出现的，目的是为了克服基于知识的人工智能的缺点，人工智能最新研究已经向计算智能方向发展。计算智能主要包括：模糊技术、人工神经网络、遗传算法等。这些智能技术的运用，必将促进智能制造技术的发展以及新的智能DNC的出现。

1.3 按DNC系统的设备层划分

DNC系统设备层的不同，可以实现的DNC的功能也是不同的，所以分类工作也可以按设备层来划分。根据具体的设备层不同，可将其分成四种 （见表2）：

表2 按具体设备层划分的DNC

1.4 DNC系统软件的数据模型

DNC系统软件中涉及到数据实体包含四类：（1）与制造设备硬件相关的数据实体 (如机床等)；（2）与人机通讯相关的数据实体 (如通讯协议实体和串口通讯实体)；（3）数控数据实体 (如NC程序号、刀具号、工序号)；（4）输入操作指令或派工单实体。采用面向对象方法将上述实体抽象成为类，可分为能力单元类、NC机床类、NC控制器类、通讯协议类、终端服务器类、串口通讯类、NC程序类等。

1.5 DNC系统组成

尽管DNC有多种多样的分类方式，但各种分类方式都有构成DNC系统必不可少的基本组成部分。其中主要有：

(1)DNC控制计算机，包括大容量存储器和1/0接口；

(2)通讯介质 (双绞线，同轴电缆等)；

(3)通讯接口；

(4)NC或CNC数控设备；

(5)软件系统 (包括实时多任务操作系统、DNC通信软件、DNC管理和监控软件、NC程序编辑软件、还可能有数控系统软件)。

由于DNC系统的多种构成形式，系统的大小和复杂程度也各不相同。DNC系统可以小到只有一台DNC主机控制多台数控机床也可以大到包括单元层、车间层和工厂层。所以具体的DNC系统组成要根据其要求达到的目标和具体条件来决定。

2 公司DNC系统的应用

2.1 项目实施目标

（1）将公司的数控设备纳入专用网络化管理，并与公司局域进行通信，从而在网络上实现设备加工的代码的传输和管理，实现DNC联网；

（2）应用面向装配的设计 (Design for Assembly，DFA)和计算机辅助装配工艺规划 (Computer-aided Assembly Planning，CAAP)技术，建立数字化制造的关键数据源；

（3）研究基于专控硬件的软件管理技术，实现包括生产信息、设备信息、刀具信息等数控设备信息的采集，进行数控设备的参数管理、通信管理、负荷统计、维护管理等数字化管理，优化车间作业调度，进行质量过程的跟踪管理，逐步实现生产过程的无纸化；

（4）研究基于区域化应用突破向整体应用拓展的信息化推进策略，务求实效，创新打造生产过程的精细化管理手段；

（5）研究建立与PLM、CAPP的集成应用平台，解决生产信息集成的问题，快速响应变化条件，提高资源的使用效率，提高制造单元的自主管理能力和企业的应变能力。

2.2 项目实施内容

作为汽轮机心脏核心部件的生产单位——叶片分厂，在新厂区的规划中，大部分正在使用的普通设备即将被高精度数控机床取代，整个分厂的数控设备将达到200台，数控设备的大量投入和使用，使叶片分厂率先实现了装备的数字化，数控设备的数字化管理成为了必然需求。同时汽轮机叶片品种繁多，各项加工工艺复杂，工序繁多，再加上叶片的多品种多批次生产模式，使得叶片的加工难度增大，生产过程不易控制。另一方面，由于叶片加工的特殊性，叶片分厂拥有专门的技术部门，负责叶片加工工艺的编制和数控程序的编制。从叶片毛坯到生产在制，直到叶片成品发运，不同的叶片根据不同的加工工艺流程，同时根据设备的状态形成不同的加工方案。它可以提供叶片生命周期中的设计、制造、装配、质量控制和检测等各个阶段全面管理的功能，解决公司、车间和机台 （生产线）快速流转的控制问题，加速叶片的设计到制造的转化过程，使设计到生产制造之间的不确定性降低，在数字空间中将生产制造过程压缩和提前，从而实现叶片制造过程有效控制和管理及提高制造效率的目标。

本项目将首先以叶片分厂的数字化制造作为突破点，按照项目目标要求，完成叶片分厂区域化数字化制造场景的建设，通过在叶片分厂的数字化制造技术研究和应用，从而规划和实施公司整个数字化制造集成应用平台。

2.2.1 DNC机床联网与程序传输

（1）数控设备联网通讯，其接口方式支持RS232/422/485和网卡等主要标准接口，接入方式采用有线，可支持无线传输。有网卡机床优先考虑网卡传输。

（2）支持多种数控系统，主要包括：FANUC、Professional、 SIEMENS、 MAZAK、 Ferrari、 HELITRONIC POWER、OKUMA，且兼容性能良好。

（3）数据传输支持多台多流量数控设备在线加工、远程调用等多种方式。

（4）带网卡机床终端可浏览与机床对应的文件列表，能在文件列表中选择程序，支持不输入文件名进行程序直接调用。支持多级文件目录。

（5）单台服务器可支持超过256台数控机床之间的通讯。

（6）对于在线加工串口服务器 （或智能终端）的内存大于64M，最好具备256M以上存储器。

（7）网络串口服务器、智能终端等信号转号、通讯硬件必须达到工业级，性能稳定可靠，扩展性良好、可开放，在网络中断后能自动恢复，并提供电磁隔离、过流过压保护、浪涌保护。

（8）机床通信用关键硬件针对使用者完全开放，安全性有保障，针对企业的特殊需求，可在其内部程序中进行特殊定制，可塑性好。

（9）实现程序传输的自动高效，支持远程请求与文件远程传输，服务器端无人值守，操作者可利用机床控制面板进行程序的查询、接收、发送。

（10）对于串口机床，要求采用先进的通讯方式，以增强在线加工的有效性及可靠性，要求支持同时在线加工机床数量不少于20台。

（11）支持机床本地程序与服务器程序进行比较，并将比较结果反馈给机床终端。

（12）DNC网络与办公网络采用硬件防火墙或者VLAN的方式或其他先进方式进行通信，确保网络安全和网络稳定。

（13）支持数据在DNC网络传输过程中的字符自动校验，在数据丢包和缺损时自动修正、补齐，支持断点续传功能。

（14）车间内部数控设备网络节点约120个。

2.2.2 数控程序管理

（1）实现NC数据统一管理，规划两级应用服务器架构，将DNC程序管理服务器放置在公司统一管理，所有分厂的数控程序及其相关的文档集中放在分厂DNC传输服务器上，确保网络终端在出现与网络故障的情况下依然不影响程序运行。做到NC程序的规范化、流程化管理，程序状态管理，人员权限管理，能够根据加工任务对数控程序进行动态分配。

（2）基于数据库的文件管理，所有程序文件及相关的信息存入数据库。

（3）按产品树进行数控文件、工艺文件及其他文档的组织和管理。

（4）具有程序生命周期管理功能。

（5）具有自定义和模板化的流程控制。提供流程监控功能，能对流程进行查询和检索，并能针对流程的编制、试切、定型、存档等状态进行暂停、终止、删除、继续等操作。

（6）具有完善的、灵活的权限管理功能，能自定义各种角色，并针对不同的角色定义不同的权限。

（7）数控程序版本管理。能自动跟踪、记录文件的变更记录，允许进行比较、恢复其他版本。

（8）支持批量导入功能，支持复制、编辑、转移等功能，支持批量下发功能。

（9）支持扩展名为：TXT、MPF、NCL、NC、PDF、 DWG、 DWF、 DOC、 DOCX、 XLS、 XLSX、PRT、EXB等的文件，支持在线查看功能、对于2D和3D图形文件支持平移、旋转、放大、缩小等操作。

（10）具有任务管理、任务提醒、更改、委托功能。

（11）自动生成刀具清单文件，包括刀具名称、几何参数、对刀数据等，并与对应的程序进行关联。

（12）机床程序返回时能自动进入相关结构树的节点下，可选择回传程序的审查功能。

（13）确保数据文件的安全，支持数据加密功能。

（14）管理模块与通信模块无缝集成。

2.2.3 数控机床监控与数据采集MDC管理

（1）监控参数主要有机床运行状态 （运行、待机、故障）、主轴负载、主轴功率、进给速度、报警信息等参数。对于切削和非切削时间的统计等信息能自动实时进行记录，并存入数据库。采集方式不能依赖人工操作和人工干预，对于待机原因应提供不同的故障代码。

（2）支特PC终端查看机床实时状态和远程查看机床实时状态。

（3）以电子看板形式在车间机床布局图上能够显示监控DNC网络上所有数控机床的运行状态。

（4）所有数据必须存储在数据库里可供随时查询。

（5）对监控结果以饼状图、折线图、柱状图及其他报表形式对监控结果进行分析，能自定义分析时间间隔。

2.3 项目实施预期

（1）建立面向产品生命周期的精益生产管理模式。通过并行工程缩短产品开发时间，提高产品的可制造性和可装配性，减少变更；缩短生产线布局设计和调试时间；优化制造工艺，提高制造效率；缩短产品试制时间和达到量产规模的时间；提高产品质量，实现 “零缺陷”生产。

（2）解决日趋复杂的制造工艺管理和应用，提高制造加工技术含量。公司产品的设计复杂度在不断提高，设备的多样性和随着新基地建设过程中工艺布局的不断优化，使得制造工艺呈现出更加严谨和复杂，这就需要建立适合公司产品和加工特点的数字化工艺管理系统。

（3）提高生产线的柔性和标准化程度，解决混流生产对生产线的布局设计和产品设计带来的约束，采用新的数字化制造工具和手段来增加制造柔性。

（4）对设备的布局和配置进行分析优化，提高设备的柔性、运行可靠性和利用率，实现现有资本设备的价值最大化，解决产品个性化生产的需求。

（5）采用最新网络化加工技术，提高公司制造过程的网络化，通过仿真识别制造瓶颈以及设备利用率低下等问题，能够更好地利用制造设备，减少机器加工和待工时间。

（6）逐步进行生产过程及管理的无纸化应用水平，引入企业现代化的管理理念，解决生产中的重点和难点问题。

2.4 实施步骤及方法

本次公司数字化制造项目内容包含网络DNC系统、CAPP系统应用 （信息化系统的项目实施大致分为2类，一类是纯软件项目，如ERP/PDM等。一类是包含硬件、网络等系统集成内容的软硬结合项目）。本次项目则属于软硬结合的方式，按照通常的原则是先搭建系统所需硬件环境，搭建完毕后再进行软件的相关实施。产品部分实施过程中可以同步进行相关的二次开发工作的探讨和调研，在产品部分的实施结束后则直接开始二次开发工作的相关工作。

按照产品包含的内容本次的实施步骤和方法大致如下：

·Step1：进行车间基础网络建设

本次项目的叶片分厂车间基础网络建设部分由公司来进行相关的实施安排，这一步可以与机床内硬件设备的安装进行同步实施。互不影响。

·Step2：通讯及采集硬件的安装

本次项目涉及叶片分厂机床通讯和机床信息采集工作。因此针对只拥有串口的设备，则需要对其安装相应的硬件进行通讯和采集工作。可以Step1同步进行。

·Step3：网络及硬件系统测试

主要工作是针对叶片分厂每一台设备软硬件进行安装后的功能测试及网络信息点的测试，然后再进行网络化的整体链路测试。

·Step4：网络DNC通讯软件的实施

主要工作是在叶片分厂机床及工作站安装CAXA网络DNC通讯软件，进行相关参数的设置和调整。

·Step5：网络DNC管理软件的实施

主要工作是在叶片分厂安装CAXA网络DNC管理软件，进行基础数据的导入，产品结构树的创建，设备结构树的创建，以及各种文档管理模板和流程模板的创建。

·Step6：网络DNC采集及统计分析软件的实施

工作是建立在通讯软件及网络环境稳定运行一段时间后来考虑的，主要工作是调整采集及统计分析软件，进行相关的参数配置和测试。

2.5 DNC系统总体架构

叶片分厂DNC系统平台分3级架构，如图1所示。在3级架构下信息中心部门设立有程序数据服务器，该服务器担任的是整个平台数据的管理及备份的任务。在其下一级的车间中拥有一台通讯服务器及多台应用客户端，采集服务器考虑到数据量大及业务的归属性，也放在车间一级。车间业务部门同服务器的数据交换由防火墙做隔离和安全防范。

图1 东汽数字化制造技术应用三级架构示意图

叶片分厂车间的通讯服务器在程序管理的内容上保持和信息中心程序数据服务器从上至下的同步。通过设定一定的协同机制，程序数据服务器可以将调度人员派发的程序派发至各车间的通讯服务器，通讯服务器在接收到程序后可向机床派发相关的程序。一旦程序数据服务器发生故障或断电情况，通讯服务器可以正常使用而不会因此影响生产。数据采集也是通过车间的通讯服务器进行实时采集，然后通过主干网络将数据记录进数据库，供统计分析模块调用。

2.6 DNC系统硬件架构

在企业局域网的架构下，每个车间内的多台交换机、装有通信客户端/管理客户端的计算机以及数控工艺组装有管理客户端的计算机通过已建好的企业局域网和信息中心的总服务器相联，如图2所示。

车间内的各类数控设备则通过智能终端和屏蔽网线联接到就近位置的交换机。触摸屏终端查询系统则通过车间内局域网连接到DNC系统中，完成相关的查询功能。

针对目前公司的分级保护式的安全隔离措施，这将涉及到机床网络、车间办公网络、工艺人员网络、信息中心主干网之间的相互隔离问题，目前比较简单可行且安全有效的措施是针对DNC网络所属的设备、计算机、防火墙等划入同一个VLAN网络，实现物理上隔离，逻辑上接通。CAXA网络DNC的服务器和数据库服务器可以放置在企业的信息中心， 工艺人员的计算机通过VLAN1访问服务器，将数据写入。机床设备通过VLAN2从服务器获取相应的数据。这要求服务器同时处于2个不同的VLAN上。VLAN的划分在车间级可以通过端口划分方式进行划分，在信息中心可以通过路由划分方式来确定。

图2 东汽数字化制造技术应用网络拓扑结构图

2.7 DNC系统软件架构

CAXA网络DNC是新一代的集成化并可扩展的数控车间管理解决方案。它结合了CAXA十多年来对中国用户和市场的深入了解和研发应用经验，由CAXA坐落在北京的研发中心开发，并主要针对中国市场量身定制。

CAXA网络DNC软件部分由生产文档管理模块、数控设备通讯模块、设备信息采集模块、程序编辑仿真模块等组成，如图3所示。分别完成NC代码及生产文档管理、NC加工代码通讯和数控设备状态监控、生产信息数据采集、数控加工代码快速编辑及实时仿真等功能。

在生产文档管理模块中，有用户管理、统计、检索等不同模块。分别完成用户权限设置，项目进度、机床负荷统计，按照零部件号、NC代码、工序、生产指令等进行查询工作。

在设备信息采集模块中，有设备状态查看、生产信息采集、生产信息汇总统计等不同模块。分别完成生产信息的及时反馈、设备状况的及时查看、产能及时汇总分析等功能。在采集方式上也具备串口采集、网卡采集、硬件采集、条码及视频采集等多种方式。

图3 CAXA网络DNC系统模块划分图

2.8 模块关系

DNC系统包含机床通讯控制、程序及文档管理、机床监测采集、统计分析及编程仿真软件。各个模块功能相互衔接，独立分工的同时又互为牵制。最终形成一个整体化的信息平台，完成数字化制造的最底层工作。各模块关系及信息流向图如图4所示。

图4 DNC系统模块间信息流向图

3 项目效果

（1）所有数控设备完成统一联网及加工代码传输。可以有效提高设备及工艺人员的效率。以前传输一个加工代码的时间从平均15分钟缩短到现在5分钟以内，花费时间是以前的三分之一。

（2）工艺文件的高效编制、发放。通过专门的工艺软件完成工艺文件的快速编制。实现工艺资源的两个有效 “重用”。一个是工艺资源库 （设备、刀具等），另一个就是典型工艺资源的重用。

（3）工艺文件及加工代码管理的规范、有序化。通过统一的管理平台，实现了产品、版本、流程等的统一管理。并且管理平台可以直接指派加工代码给相关设备。管理同设备代码的传输关联起来，实现管理、通讯的一体化。

（4）数据接口的集成。通过数据接口的集成，打通PDM—CAPP—ERP的数据通道，保证关键数据的正确传递。提高整个系统的运行完善度。

（5）管理平台的权限控制。通过权限管理，不同的人员拥有各自的权限范围有效提高了企业数据的安全。

（6）实现数控设备的信息采集与统计分析。通过对数控设备的信息采集及统计分析，得到设备的第一手有效资料。对这些数据的处理与分析，给车间的生产组织、安排提供有效的决策依据。

4 结束语

数字化的产品研发设计和网络化制造已成为制造企业在21世纪的重要发展方向，DNC分布式数字控制，是以计算机技术、通讯技术、数控技术等为基础，把数控机床与上层控制计算机集成起来，从而实现数控机床的集中控制、管理以及数控机床与上层控制计算机间的信息交换。它是现代化机械加工企业实现设备集成、信息集成、功能集成的一种新方法，是制造业自动化的重要模式，也是实现MES等系统的重要组成部分[1]。数字化的产品研发设计和网络化制造技术的应用使得企业的生产方式发生了根本性的变化，尤其是网络技术的应用使得企业内部局域网的功能由管理决策层延伸到制造加工层，整体信息化的集成使企业的CAD/CAM/CAPP等数字设计模块和数控加工设备的联系变得更为紧密。

公司通过实施应用DNC系统，提高了企业加工数据的传输和利用更为有效性，从而为实现网络数控的信息集成和设备有效管理奠定了基础。通过项目的实施，初步建立公司新厂区数控设备网络化管理的硬件平台，尝试和深化企业数字化管理的软件平台，可以实时了解设备利用状况，实现所有设备运行状况在企业电子地图内网络化呈现，可以通过虚拟三色灯迅速了解设备是否处于开机状态和加工状态。详尽的统计分析功能可以将设备的利用状况，如开机率、加工率、故障率等信息实时呈现给企业的生产管理者。从工作效率上看，该方案不仅提高了生产制造部门在各种操作上的工作效率，而且大大提高了各部门之间协同工作效率，减少了出错可能。为公司装备技术一流提供了数字化和网络化手段，促进了公司管理的现代化。

[1]范文学,胡志勇,李宗学.基于CAXA的车间级网络数控技术研究.机械工程师

[2]CAD/CAM与制造业信息化

[3]CAXA-DNC实施设计报告 东汽-CAXA项目组