一、概 述

    隨著計算機技術的發展，以往使用PRP(紙帶閱讀穿孔機)與CNC系統進行NC程序輸入/輸出的技術，由于紙帶的保存，管理，容量，可靠性等，存在著不足之處，正逐漸被淘汰。 許多CNC系統生產廠家目前都能提供計算機NC程序服務功能，但僅限于自己的CNC系統，互相之間并不通用。同時，隨著市場經濟和企業信息化的發展，企業數控機床的數量越來越多，而傳統的單機管理模式因技術手段落后、生產效率低、管理與維護費用高昂等弊端已不能適應企業發展的需要，再加上用戶使用了多種信息管理系統，如ERP，PDM，CRM，CAD/CAPP/CAM等，各種系統之間還必須考慮信息共享，以避免信息化孤島，因此，使用集成式DNC技術對數控設備群進行管理勢在必行。 
 
    目前，廣大數控機床用戶對實行數控機床網絡DNC的管理已經達成了共識，但在真正實施過程中應該做到什么程度，取得何種效果還是不明確，在目前國內數控機床網絡DNC領域還存在著一些魚目混珠的現象，而且DNC又處在一個高速發展的階段，各種新的網絡結構、高新技術不斷涌現，更容易讓廣大數控機床用戶眼花繚亂，本文試圖在此作一個簡明的介紹。

    二、數控機床網絡DNC的幾種模式

    目前，數控機床網絡DNC一般采用三種網絡接口，即：基于串行通訊RS-232C模式，以太網絡模式和現場總線模式，以下分別做一簡要說明。
   
    1．串行通訊RS-232C模式

    目前，在DNC市場上通過RS-232C口通訊產品存在著兩種類型(包括三種結構)的產品，即帶機床操作盒和不帶機床操作盒兩種，其結構分別說明如下：

    (1) 帶機床操作盒模式，如圖1所示：

圖1  DNC網絡結構圖形式一

    這種連接方式是九十年代中期出現的模式，在當時大家還普遍使用單機傳輸的年代此方式是一種創新，可以說它代表了當時我國DNC產品的最高水平。MOXA  C320Turbo 卡（或其它多路串行通訊卡）是通過ISA（或PCI）插卡的方式與計算機連接，再通過一根帶屏蔽的10芯電纜線接通訊模塊，每個通訊模塊帶8個通訊口，可以多個通訊模塊級聯，最多可以8個，每個計算機又可以擴展4個ISA（或PCI）插卡，這樣一臺計算機最多可以擴展256個RS-232口。通訊模塊與計算機之間距離不能太長，一般在十幾米左右。程序的上傳和下載是通過操作機床操作盒來實現的（當然，數控端也還要進行相關的上傳下載操作）。

    (2)新型帶機床操作盒模式，如圖2所示：

圖2  DNC網絡結構圖形式二

    注意,此圖與上一圖的一個最大的區別是：MOXA的多路串口服務器變為CN2516（或其它多路串口服務器），它是一個局域網絡上的一個節點，通過HUB或交換機來與NC程序管理計算機相連的，這樣，它可以放在車間的任一固定位置上，大大減少了車間到計算機室之間的布線，只需一根網線即可，另外，CN2516還可以多臺計算機上安裝其驅動程序，多臺計算機同時監視控制，給用戶的維護工作也帶來方便。

    (3) 現代模式（不帶機床操作盒），如圖3所示：

圖3  DNC網絡結構圖形式三

    此類型是在上一類型的基礎上變化而來,它去掉了機床操作盒,連接更簡單,其它通訊功能完全一樣，甚至可以做得更強，更方便。目前市場上大部分DNC廠商提供的產品均是基于此模式下的。#p#分頁標題#e#

    由于去掉了機床操作盒，程序發送和接受程序的文件名稱等通訊信息就需要由CNC來發送，一般的做法是：在CNC上編制一個特殊的程序（此程序并不真正執行，所以并不需要關注它是否符合語法規則），其中包含一些特征字符串來表達發送程序或接收程序，比如：

（A）程序請求
         %
         O1000
         （/GETXXXX）  （其中XXXX代表需要請求下傳的文件名稱）
         M30
         %
    編制好此文件后，先將此文件發送給計算機，計算機接收到此文件后就進行分析，如果是請求文件下載指令，就生成一個程序下載隊列，等待機床發送開始下傳指令后就將請求程序下傳。

    （B）程序發送
    程序發送時，只需在原程序中加入特征字符行即可，此代表你希望在計算機上保存的文件名稱。例如：
         %
         O1000
         （/NAME XXXX）  （XXXX代表希望在計算機上保存的文件名稱）
         …
         M30
         %
         當前文件上傳到計算機上后，計算機如果分析到特征字符/NAME（特征字符的型式應根據系統的特殊要求而定，在此僅作示意），就將當前文件保存到其后的字符串所代表的文件中，如果未找到特征字符則保存到“O1000.NC”中（即程序號前加字母O）。

    2．現場總線模式

    雖然目前在數控車間DNC系統中應用最為廣泛的就是RS-232串行通訊接口，但是當DNC主機連接的CNC設備比較多時，就存在著連線多、通訊復雜的問題，而且串行接口可靠性差、速度低，基于這些問題，迫使人們去尋求更好的解決方案。

    現場總線（Field Bus）是應用在工業現場、在微機化控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，是國際上20世紀90年代蓬勃發展起來的新技術。它的應用形成了新型的網絡集成式分布控制系統。它能同時滿足過程控制自動化和制造自動化的需要。由于現場總線是基于數字通信的，因此在現場與控制室之間能進行多變量雙向通訊。為解決數據大量高速傳輸、實時性、通訊距離等問題，發展高速化數據通訊技術及大量使用現場總線（Field Bus）就成為必須。未來十年集成系統將是Field Bus時代。現場總線采用了三層網絡結構——物理層、數據鏈路層和應用層，其體系結構如圖4所示。目前現場總線已有好多種類，應用較多的有CAN(Controller Area Network)、LON（Local Operating Network）、Profibus等。?下面僅以CAN總線方式說明現場總線在DNC中的應用。

圖4 現場總線的體系結構

    作為工業現場控制的網絡系統，可靠性和實時性是最主要的要求，CAN總線在這方面有很多獨到的特點：首先為滿足可靠性要求，CAN總線采用了循環冗余碼校驗、框架檢測、確認信號出錯檢測、總線監控、位填充等幾種錯誤檢測和糾錯措施，從而達到了很高的可靠性，平均誤碼率小于10-13；其次，CAN采用了獨特的位仲裁技術，比CSMA/CD網（IEEE802.3）和令牌網(IEEEE802.4)具有更高的實時性；此外CAN總線傳輸速率可達1Mbps，遠距離傳輸可達10km，接口簡單，安裝方便，系統成本低。傳輸介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。CAN總線的拓撲結構如圖5所示。#p#分頁標題#e#

圖5 CAN總線的拓補結構

    3．局域網模式

    隨著計算機應用技術和網絡技術的迅速發展，數控系統的功能也得到了極大的提高，由此，在近幾年中，在DNC領域又出現了一種新型的數控機床網絡DNC型式---基于以太網絡的DNC。

由于技術的不斷發展，網絡和開放概念的不斷深入，技術的開放性被大家一致認同，世界上各著名數控系統制造商紛紛投資研制DNC通訊接口，提供符合MAP標準的DNC網絡接口選件和通訊軟件，如FANUC的0I（MB）以上的數控系統均具有DNC網絡接口選件，并提供了開發接口庫，第三方開發商可以在此基礎上進行二次開發，由此可以形成功能強大的真正的DNC，可以對數控機床進行全面的控制。采用局域網通訊方式大大提高了NC程序管理的效率，同時，通過TCP/IP通訊協議進行網絡通訊的局域網模式即將成為一種普及的方式，其系統連接如下圖所示：

圖6  局域網式DNC系統結構圖

    現場總線方式和局域網方式能夠長距離連接多種現場設備，但是現場總線必須有自己的專用協議，必須采用相應的開發工具和開發平臺，價格比較昂貴，且不同的廠商不同的設備間難以做到互操作。

    三、數控機床網絡DNC基本功能

    其實，數控機床網絡DNC采用什么網絡結構并不是最重要的，關鍵是DNC系統能給用戶提供什么樣的服務，用戶從中能獲得多大的效益。由DNC本身的定義來看，其在生產現場所扮演的角色也是不斷發展變化的，由對設備“直接數字控制”演變成“分布式數字控制”，DNC的基本功能主要歸納如下：
    1． 通訊功能：
    NC程序的雙向傳輸：所有數控設備實施聯網集中管理，利用網絡進行NC程序（包括機床參數，刀補文件，宏程序等）的雙向傳輸，從而實現NC程序的海量存儲、集成化管理。
    客戶/服務器結構：將每臺數控機床定義為客戶端設備，利用數控系統自身的通訊端口（如RS－232，以太網絡，現場總線等）、通訊功能，操作工可在數控機床端進行數據的雙向傳輸以及訪問管理服務器端數據的全部操作，服務器端對數控端的操作請求自動進行相關處理而無需人為干預。
    群控與距離：單臺計算機管理數控機床群；通訊距離可達到幾公里。
    DNC網絡的并發操作：保證所有入網數控設備可在同一時刻進行并發式的通訊傳輸。
    DNC在線加工：全客戶端方式的DNC在線加工，可保證諸如斷點續傳、子程序調用等功能均可由操作工在數控端實現。
    交互式事件響應機制：數控端的每一項操作都應有消息反饋，即無論操作是否正確，操作工在數控設備端都能夠得到提示信息文件。
    數據共享：讓操作工可在本地數控設備訪問其它數控設備或虛擬機床信息，方便零件的轉移加工。
    支持長文件名稱：NC程序名稱在WINDOWS平臺上實現長文件名管理，并在程序傳輸時與程序號自動轉換。
    通訊日志：記錄工作者所有通訊過程，并對記錄的信息進行分類查詢。
    信息采集：通過機床的宏程序變量輸出功能，實現機床加工信息的實時采集，并可以實時匯總機床使用效率、零件加工工時、刀具使用壽命等信息。
    網絡通訊平臺：利用DNC通訊網絡發送加工任務、刀具信息、工藝信息和加工成績匯報等，以實現生產信息的初步集成。

    2． 控制功能：#p#分頁標題#e#
    在普通的RS-232C串行通訊口的網絡模式下，DNC無法做到對數控機床的實時控制，一般來說只有采用以太網式DNC或采用現場總線式DNC才可以達到此目的，其主要控制功能如下：
    CNC網絡設置
      設置聯網CNC的IP地址、端口地址
    CNC狀態監視
      加工狀態：加工中、空閑、報警、故障信息
      聯網狀態：聯機、脫機
      位置信息：絕對位置、相對位置、機械位置、剩余移動量、進給速度

    歷史記錄：報警歷史記錄、操作履歷
    CNC遠程控制
      顯示各種機床參數
      設置各種機床參數
      顯示NC程序各種信息：如內存大小，程序數等
      選擇NC程序：選擇當前加工程序、查找任意NC程序
      編輯NC程序：編輯CNC系統中的NC程序
      刪除NC程序：直接刪除CNC系統中的NC程序
      清除報警歷史記錄
      清除操作履歷
      系統復位：通過遠程CNC復位
      遠程啟動：通過遠程啟動加工
      遠程暫停：通過遠程暫停加工

    四、數控機床網絡 DNC發展方向

    數控機床DNC網絡技術將在單項技術的基礎上，應用計算機網絡通信技術，實現信息的高度集成，并向CIMS方向發展。DNC網絡今后發展的要點如下：

    1) 新型網絡通訊技術：正如上面討論的那樣，新型網絡通訊技術有兩種，即以太網絡和現場總線方式，對數控系統制造商來說，向開放式系統發展，即將PC微機技術融合到數控系統中，應用界面MS-WINDOWS化，充分利用PC微機主流操作系統MS-WINDOWS龐大的軟件資源，使數控系統聯網通信更加便捷。目前越來越多的CNC制造商為其CNC提供了以太網絡接口和現場總線接口。開放式數控系統有兩種方式：
    PC-CNC：在PC微機的基礎上融合CNC功能。
    CNC-PC：在CNC系統融合PC微機的功能。

    2) 無線通信技術：采用無線通信技術，實現計算機與數控機床間通訊無線化，以減少現場施工，縮短工期。無線Modem技術指標如下所示：
    帶RS-232C接口
    2.4GHZ，無需辦理頻率申請。
    高速（119Kbps）、高可靠性。
    有效通信距離100～200m。

    3）信息的高度集成：
    采集更完備的機床信息，為車間生產管理提供第一手信息。
    智能分析采集的信息。
    對設備進行實時控制。
    與ERP，PDM，MES等系統真正無縫聯結。

    五、總 結

    上面所介紹的幾種DNC模式，近十年來筆者都曾進行了大量的實驗、開發，有些模式已形成了成熟的產品。以上所述內容如有不當之處敬請批評指正。

    總之，在我國，數控機床網絡DNC經過十多年來的發展，經歷了艱難曲折的發展道路，如今在高新技術不斷發展的年代取得了長足的進步，但是，目前除了基于RS-232C串口通訊的模式下出現了有限的幾款優秀DNC產品外，在局域網絡和現場總線方式下只是作了一些有限的探討，還未出現成熟的產品，還需要廣大同仁再接再勵，為我國制造業作出更大的貢獻！衷心祝愿數控機床網絡DNC之花在廣袤的制造業市場上燦爛地開放！#p#分頁標題#e#