网络数控制造系统中常用DNC通讯接口模式

　　DNC 分布式数字控制( DiSTributed Numerical Control) , 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， 是制造自动化的重要模式， 也是实现CIMS 等集成制造系统的重要组成部分。

　　在过去十几年， 人们将大量的精力投向FMS(Flexible ManufactureSystem)系统的研究， 但实际应用结果表明， FMS 的这种不仅注重信息流的集成， 更强调物流的集成与自动化， 虽然具有运行效率高和自动化程度高等优点， 但投资风险大、见效慢、可靠性较差。相对于FMS, DNC 是投资小、见效快、并具有较好柔性的集成制造系统。随着计算机技术、数控技术和网络通信技术的发展， DNC 的内涵和功能也在不断扩大， 目前DNC 系统已具备制造数据传送、状态数据采集与处理、刀具管理、生产调度与监控、单元控制和CAD/CAPP/CAM接口等功能。

　　在分析现有DNC 主机与数控系统通信接口功能的基础上， 从DNC 通信接口功能的角度可将DNC 分为基本DNC、狭义DNC 和广义DNC 三种。基本内容如表1 所示。

　　表1 DNC 分类

　　目前， 在实际DNC 系统集成应用中，常采用基于串行口通讯的接口模式、以太网络模式。笔者重点对以上DNC 的二种通讯接口模式分别介绍。

　　1 基于串行口通讯的DNC 接口模式

　　利用数控机床提供的RS232C 或RS485 接口， 采用点对点型或星形拓扑结构， 实现串行通信。这是目前在车间中应用最多的一种通信方法， 但这种通信方法存在工控微机多、投入成本高、管理和维护工作量大和易于出错等缺点。目前使用的数控系统大多带有RS232C 串行通信接口。利用该RS232C 接口可直接实现基本DNC 通信和狭义DNC 通信功能。

　　1.1 带串口扩展卡的DNC 通讯接口模式

　　带串口扩展卡的DNC 接口模式是上世纪90 年代中期出现的模式， 如图1 所示， 在当时大家还普遍使用单机传输的年代， 此方式是一种创新， 可以说它代表了当时我国DNC 产品的最高水平。MOXA C320Turbo 卡( 或其它多路串行通讯卡) 是通过ISA( 或PCI) 插卡的方式与计算机连接， 再通过一根带屏蔽的10 芯电缆线连接通讯模块， 每个通讯模块带8 个通讯口， 可以实现多个通讯模块级联， 每个通讯口最多带8 个节点， 每个计算机又可以扩展4 个ISA( 或PCI) 插卡， 这样一台计算机最多可以扩展256 个RS- 232 接口。通讯模块与计算机之间距离不能太长， 一般在十几米左右。

　　1.2 带串口服务器的DNC 通讯接口模式

　　串口服务器的功能是将来自TCP/IP 协议的数据包， 解析为串口数据流; 反之， 也可以将串口数据流打成TCP/IP 协议的数据包，从而实现数据的网络传输， 它能将多个串口设备连接并能对串口数据流进行选择和处理， 把现有的RS232 接口的数据转化为IP 端口的数据， 这样就能够将传统的串行数据送上流行的IP 通道， 而无须过早的淘汰原有的不带以太网模块的数控系统设备， 从而提高现有设备的利用率， 节约了投资， 简化了布线， 如图2 所示。在数据处理方面， 串口服务器完成的是一个面向连接的RS232 链路和面向无连接以太网之间的通讯数据的存储控制， 系统对来自串口设备的串口数据流进行处理， 并进行格式转换， 使之成为可以在以太网中传播的数据帧，对来自以太网的数据帧进行判断， 并转换成串行数据送达响应的串口设备。在实际应用方面， 串口服务器将具有TCP/IP 协议的以太网接口映射为Windows 操作系统下的一个标准串口，应用程序可以像对普通串口一样对其进行收发和控制， 因此，串口服务器在数控系统组网中的功能是把来自数控系统的任何信息透明地传输到局域网上的任何一个计算机， 也可以把来自局域网的任何信息透明地传输给数控设备; 相当于局域网和串口设备的网关通过为串口服务器配置IP 地址， 使数控机床成为局域网中的一个节点， 从而拥有局域网的部分功能， 实现资源共享。

　　例如MOXA CN2516 多路串口服务器， 在组网时它可以是局域网络上的一个节点， 通过HUB 或交换机来与NC 程序管理计算机相连， 这样， 它可以放在车间的任一固定位置上， 大大减少了车间到管理中心部门的布线， 另外， CN2516 还可以在多台计算机上安装其驱动程序， 多台计算机可同时进行监视控制， 给用户的维护工作带来方便， 网络结构如图3 所示。

　　
图3 带串口服务器的广义DNC 网络结构图

　　串口服务器真正的优势以及价值的体现并不是表现在直连方式的应用上， 将设备连接到以太网上是它重要的目的， 通过串口服务器将数控设备连接到以太网上，其接线方式非常简单，只需要将串口服务器连接到集线器或者交换机上即可，通过设置串口服务器的IP 地址， 就可使串口服务器成为以太网上的一个节点，从而使连接到该串口服务器的数控系统连接到以太网上，通过该组网方式能够将不同的数控系统，不同形式的串口(如RS232、RS422 和RS485)， 连接到以太网上， 实现数控系统的异构组网。该组网方式可以将整个企业的数控系统连接到网络上，在组网过程中， 除了可以利用交换机和集线器扩展外，还可以利用工业以太网交换机， 如MOXA EDS508, 可以扩展不同型号的串口服务器，实现数控设备的灵活组网，实现了网络资源的共享和对所有数控系统的集中管理、控制，为网络制造技术搭建平台，网络结构如图4 所示。

　　
图4 带串口服务器的广义DNC 以太网络结构图

　　2 基于串口服务器的以太网DNC 模式

　　随着工业以太网的快速发展， 工业自动化通信网络正在逐步统一到工业以太网，并正在向下逐渐延伸。基于工业以太网和TCP/IP 技术在DNC 通信系统的应用研究已成为DNC 技术研究的新方向， 以太网速度从原始的10Mbps 提高到100Mbps以至到今天的1000Mbps, 足够的带宽和交换式集线器的应用解决了以太网的不确定问题，使以太网有能力满足实时系统的要求， 其次， 以太网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽， 连接在同一交换机上面的不同设备不存在资源争夺， 这就相当于每个设备独占一个网段; 再次， 全双工通信技术又为每一个设备与交换机端口之间提供了发送与接受的专用通道， 因此使不同以太网设备之间的冲突大大降低或完全避免。故越来越多的基于以太网的工业通讯网络得以在DNC 系统中应用。

　　对于某些具备以太网接口的先进加工中心等数控设备和微机设备， 可直接连接到交换机; 对于只具备RS232 或RS485等串行接口的数控设备，通过串口服务器(如MOXA Nport5210)转换为以太网接口，然后连接到交换机。DNC 服务器通过以太网交换机与底层的数控设备实现信息互通，从而实现服务器对数控设备的联网控制管理， 如图5 所示。

　　
图5 基于以太网的DNC 模式结构图

　　基于以太网的DNC 系统使车间乃至整个企业的信息网与DNC 通信网络得以整体集成， 而且可以直接将数控机床接入Internet,实现远程信息的传输，适应了现代网络制造的需要，同时企业联盟可通过访问Internet 互联网， 在企业联盟各自的服务器之间实现数据和信息的流通。企业内部的DNC 系统通过服务器接口，对外提供服务和资源的共享。为了防止企业联盟间在Internet 上进行的信息流通和协作活动所出现的网络安全隐患。可使用VPN 技术在企业联盟间建立虚拟的专用网络。

　　VPN 具有高度的网络安全性，容易扩展而且适应性强，企业对网络拥有充分的控制权，随时可以与外界进行连接。因此，使用VPN 技术将制造企业联盟的车间DNC 系统通过VPN 集成起来，实现联盟间的网络化设计、生产制造，是当前网络化制造环境下可行的、安全的制造模式。

　　3 结束语

　　信息技术和计算机网络技术的迅速发展给制造业带来了巨大的影响。在当今经济全球化的时代，为了快速响应市场需求， 提高企业的产品研发能力， 缩短产品开发周期， 降低开发成本， 提高企业的竞争能力， 制造企业必须要从传统制造模式进入网络化的生产制造模式。网络化制造模式作为一种先进制造模式，提供了制造企业在网络环境下从产品设计到生产制造最终到管理和营销等业务的具体实现技术。在网络化制造模式下，DNC 系统作为现代机械制造企业的一种先进运行模式，其功能不仅包括车间底层制造设备的通信和集中控制管理，还向上延伸至企业的其它部门，乃至制造联盟以及合作企业部门间的信息通信集成。通过DNC 系统和网络技术可实现企业动态联盟间的资源重新配置和重组，以及新产品的协同设计和远程制造加工。