基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )數控系統設計及實(shí)現

1 引言

　　從企業(yè)實(shí)際需求來(lái)看,對于制造業(yè),目前企業(yè)的MIS和ERP僅僅局限于通常的管理、設計開(kāi)發(fā)等上層部分的信息化,是遠遠不夠的,工廠(chǎng)、車(chē)間的最底層數控機床不能夠連成網(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。對于面臨全球化競爭的現代制造工廠(chǎng),數控機床必須達到一定的數量或比例;其次就是把所擁有的數控機床組建成一個(gè)雙向、高速的制造體系,徹底解決信息孤島問(wèn)題,構成數字化車(chē)間,以保證信息流在工廠(chǎng)、車(chē)間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無(wú)阻。

2 網(wǎng)絡(luò )數控技術(shù)的發(fā)展

　　2.1 DNC系統及網(wǎng)絡(luò )結構

　　DNC(Direct Numerical Control, DNC)系統是指多臺數控機床由一臺計算機統一分配控制程序和進(jìn)行管理?，F在的DNC系統從內容和意義上已發(fā)展成為分布式數字控制(Distributed Numerical Control, DNC)系統。從數控技術(shù)的發(fā)展分析,分布式數控系統是由直接數控系統發(fā)展而來(lái)的,是針對當時(shí)數控設備內存小、處理能力弱而產(chǎn)生的。以后出現的計算機數控(Computer Numerical Control, CNC)設備使DNC系統增加了程序編制和編輯功能,并且有一定的通訊能力。隨著(zhù)局域網(wǎng)、數據庫、工作站的發(fā)展以及零件加工系統發(fā)展的需要,出現了分布式數控系統,它是針對車(chē)間的生產(chǎn)計劃、技術(shù)準備、加工操作等基本作業(yè)的集中監控與分散控制相結合而產(chǎn)生的車(chē)間生產(chǎn)控制系統。系統的目標任務(wù)通過(guò)局域網(wǎng)分配給各子系統,子系統之間信息相互交換以協(xié)調完成任務(wù)。這種系統的優(yōu)點(diǎn)是易于擴充、靈活、可靠性高,具有良好的開(kāi)放性。

圖1 傳統DNC結構

　　一般DNC系統通常具有兩級計算機分級結構形式,即主控計算機加CNC系統群組成(見(jiàn)圖1)。對于通信距離短、組成DNC系統的數控機床數量少的小型系統可采用這種方式聯(lián)接。該聯(lián)接方式結構簡(jiǎn)單,但連線(xiàn)多、易出故障、通信距離短(RS-232通訊距離一般為15m以?xún)?,不適宜較大范圍的DNC系統。

　　2.2 現場(chǎng)總線(xiàn)系統及網(wǎng)絡(luò )結構

　　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場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)(主要有BitBus和CAN總線(xiàn))的改進(jìn)型DNC通信系統,可實(shí)現遠距離通信,具有操作方便、開(kāi)放性好的特點(diǎn),其網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖2所示。每臺數控機床配備一臺通信前端單元,各通信前端單元與DNC主控計算機間采用現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行連接。通信前端單元與數控系統集成在一起,可靠性高。系統具有良好的擴展性,設備更靈活,但是車(chē)間級網(wǎng)絡(luò )是總線(xiàn)協(xié)議,工廠(chǎng)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)現信息共享。

圖2 基于總線(xiàn)的DNC結構

3 工業(yè)以太網(wǎng)

　　普通以太網(wǎng)( Ethernet)是為IT應用而開(kāi)發(fā)的,在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域只得到有限的應用,這是由于: 1)以太網(wǎng)采用CSMAPCD碰撞檢測方式,在網(wǎng)絡(luò )負載較重(大于40%)時(shí),網(wǎng)絡(luò )的確定性(Determinism)不能滿(mǎn)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(xiàn)器(hub)、交換機( switches)和電纜等是為辦公室應用而設計的,不符合工業(yè)現場(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(mǎn)足本安型應用有一定的難度等。隨著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,上述問(wèn)題正在迅速得到解決。

　　工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 80213( Ethernet)的強大的區域和單元網(wǎng)絡(luò ),工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)對普通以太網(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(cháng)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(guò)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;