基于工业以太网的网络数控系统设计及实现

1 引言

　　从企业实际需求来看,对于制造业,目前企业的MIS和ERP仅仅局限于通常的管理、设计开发等上层部分的信息化,是远远不够的,工厂、车间的最底层数控机床不能够连成网络,就必然成为制约制造业企业信息化的瓶颈,不能充分提高生产效率。对于面临全球化竞争的现代制造工厂,数控机床必须达到一定的数量或比例;其次就是把所拥有的数控机床组建成一个双向、高速的制造体系,彻底解决信息孤岛问题,构成数字化车间,以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。

2 网络数控技术的发展

　　2.1 DNC系统及网络结构

　　DNC(Direct Numerical Control, DNC)系统是指多台数控机床由一台计算机统一分配控制程序和进行管理。现在的DNC系统从内容和意义上已发展成为分布式数字控制(Distributed Numerical Control, DNC)系统。从数控技术的发展分析,分布式数控系统是由直接数控系统发展而来的,是针对当时数控设备内存小、处理能力弱而产生的。以后出现的计算机数控(Computer Numerical Control, CNC)设备使DNC系统增加了程序编制和编辑功能,并且有一定的通讯能力。随着局域网、数据库、工作站的发展以及零件加工系统发展的需要,出现了分布式数控系统,它是针对车间的生产计划、技术准备、加工操作等基本作业的集中监控与分散控制相结合而产生的车间生产控制系统。系统的目标任务通过局域网分配给各子系统,子系统之间信息相互交换以协调完成任务。这种系统的优点是易于扩充、灵活、可靠性高,具有良好的开放性。

图1 传统DNC结构

　　一般DNC系统通常具有两级计算机分级结构形式,即主控计算机加CNC系统群组成(见图1)。对于通信距离短、组成DNC系统的数控机床数量少的小型系统可采用这种方式联接。该联接方式结构简单,但连线多、易出故障、通信距离短(RS-232通讯距离一般为15m以内),不适宜较大范围的DNC系统。

　　2.2 现场总线系统及网络结构

　　鉴于以上通信方式存在的缺陷,一些研究单位提出了基于现场总线技术(主要有BitBus和CAN总线)的改进型DNC通信系统,可实现远距离通信,具有操作方便、开放性好的特点,其网络拓扑结构如图2所示。每台数控机床配备一台通信前端单元,各通信前端单元与DNC主控计算机间采用现场总线进行连接。通信前端单元与数控系统集成在一起,可靠性高。系统具有良好的扩展性,设备更灵活,但是车间级网络是总线协议,工厂上层网络都是基于TCPPIP的以太网,这样还不能方便地实现信息共享。

图2 基于总线的DNC结构

3 工业以太网

　　普通以太网( Ethernet)是为IT应用而开发的,在工业自动化领域只得到有限的应用,这是由于: 1)以太网采用CSMAPCD碰撞检测方式,在网络负载较重(大于40%)时,网络的确定性(Determinism)不能满足工业控制的实时要求: 2) Ethernet所采用的接插件(connector)、集线器(hub)、交换机( switches)和电缆等是为办公室应用而设计的,不符合工业现场恶劣环境的要求; 3)以太网抗干扰性能较差; 4)以太网满足本安型应用有一定的难度等。随着工业以太网技术的发展,上述问题正在迅速得到解决。

　　工业以太网是基于IEEE 80213( Ethernet)的强大的区域和单元网络,工业实时以太网对普通以太网作了如下改进:

　　1)采用交换式以太网,仅在发送站和接收站之间直接交换信息,克服了时延和碰撞,提高了实时性;

　　2)采用全双工(Ful-l duplex)网络,端口上媒体段的长度不受CSMAPCD的制约,可以延伸距离;

　　3)网络速度的提高(已全面从10M过渡到100M,甚至1000M),使以太网能提供足够的带宽,又减少了冲突;

4)所采用的接插件(connector)、集线器(hub)、交换机(switches)和电缆等已有为工业环境而设计的。至于以太网存在的不确定性和实时性能欠佳的问题,已由于智能集线器的使用、主动切换功能的实现、优先权的引入以及全双工的布线等,基本上得到解决。通过提高数据传输速率,仔细地选择网络的拓扑结构及限制网络负载等,可将发生数据冲突的概率降到最低。工业以太网经过上述改进措施后,典型的工业应用中, 10M Ethernet峰值负载为10%, 100M Ethernet峰值负载为015% ,而Ethernet只有当负载达40%以上时才会有明显的延时现象;在100M Ethernet网中,发送一个信息包延时超过2ms的状况五年也不会发生一次,美国电力研究院(EPRI, Palo Alto. , Calif)的实验结果表明,可保证延时在4ms以内。网络数控就是建立在上述工业以太网的基础之上,而且采用工业以太网作为网络数控的底层有多方面的优势: 1)成本低。因普遍应用所形成的硬件、软件资源和广泛的支持, Ether-net是世界上应用最多的网络,超过93%的网络节点