无线Intranet的网络制造实验室DNC系统通信技术研究

    0引言
   
    计算机技术、网络技术以及数控设备的快速发展，给制造业带来了一场新的变革和重大影响。数控加工越来越趋向于网络化、集成化。网络化制造已经成文先进制造技术中一个机器重要的发展方向，网络DNC系统更是近些年制造企业进行网络化制造的重点建设内容。为了适应当今制造业对网络化制造人才的需求，我校机电综合工程训练中心建设了自己的网络DNC系统。
   
    分布式数控或计算机直接数控(Distributed Numefical Control或Direct Numerical Control，DNC)，其最初含义是一台中央计算机同时控制多台数控机床。随着计算机技术、通信技术和CIMS技术的发展，DNC的内涵和功能不断扩大，它已经开始着眼于车间的信息集成，针对车间的生产计划、技术准备和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。DNC强调信息的集成与信息流的自动化，物料流的控制与执行，可大量介入人机交互。相对柔性制造系统(FMS)，DNC是投资少、见效快，并具有较好柔性的多个数控加工设备的集成制造系统?，是车间自动化的重要组成形式，对工厂自动化具有十分重要的意义。
   
    其中通信技术是DNC系统最关键的技术，是DNC系统实现设备集成和信息集成的基础。本文将对我校DNC系统的通信结构和通信技术进行分析研究。
   
    1 DNC系统的通信网络结构
   
    1．1 DNC系统通信基本原理
   
    计算机的RS232串口与数控设备上面的RS232串口通过以太网按照相关数据传输协议实现远距离的数据传输，在传输过程中需要进行两次数据转换，第一次是通过计算机把RS232信号转换成以太网的RJ45，这个过程通过计算机本身的转换模块就能完成；第二次是将以太网的RJ45转换为数控设备所能接收的RS232信号，这一步通过协议转换来完成。
   
    1．2 DNC系统的网络结构
   
    1．2．1系统通信硬件介绍
   
    DNC通信系统除了数控设备、计算机和以太网络以外，还需要以下几种硬件。
   
    1)智能终端：将数控设备的RS232接口转换为以太网络的RJ45接口的设备，其内部具有CPU、内存和系统软件。智能终端的大小和香烟盒类似，可以直接安装在数控设备的控制机柜内，有1口和2口不同规格。本系统采用Moxa公司生产的Moxa4511或Mox．5210或NC601智能终瑞。
   
    2)串口交换机：可同时将多个RS232串口数控设备接入以太网络的交换机，有8口和16 口等规格。串口交换机与智能终端比，其优势在于价格低廉。
   
    3)无线网桥：将智能终端有线网络桥接到无线网络的设备。本系统采用Linksys公司生产的WET11无线网桥。
   
    4)无线交换机：与有线交换机功能相同，区别在于其无线方式。本系统采用Linksys公司生产的WAP54G无线交换机。
   
    1．2．2系统联网方案
   
    网络DNC支持的数控设备的接入方式主要有以下四种：多串口卡、智能终端(串口交换机)、无线方式和电力网。其中多串口卡因其传输距离过短而受到很大的限制，其应用范围非常有限；电力网主要用于异地通信；智能终端(串口交换机)适用于局域网且车间分布比较集中的情况。而无线方式适用于数控设备较多且分布比较分散的情况。基于实验室数控设备较多且分布的车间比较分散的实际情况，本系统采用无线方式，如图1所示。
   

    系统运用协议转换联网控制方案，使DNC系统的主服务器通过以太网，借助无线方式把RS232信号传给数控设备，即在数控设备端形成一个虚拟的RS232串口与之相连。目前以太网TCP／IP与RS232串口协议转换已模块化，采用模块化后的产品，管理和维护均较为方便，从而可提高系统的稳定性与抗干扰性能。
   
    1．2．3系统无线通信设备布局及连线
   
    使用Linksys套件(WAP54G+WET11)无线通信，前端需要配有Moxa公司生产的Moxa4511或Mox-a5210或NC601。无限交换机WAP54G的安装，最好放在车间内部的高处，天线向下辐射，放置越高辐射范围越广。无线网桥WET11尽量放在机床金属外壳外的顶部，以避免WETll信号干扰机床系统。Moxa公司生产的智能终端安置在数控设备内部一端与WET11通过数据线相连，另一端与数控设备的RS232串口相连。具体的系统联网方式如图1所示。智能终端与数控设备之间的连接情况如表1所示。
   

    NC设备与DNC服务器的通信DNC系统通信过程中最关键的问题就是如何创造性地应用通信技术、NC设备与服务器各自通信参数的设置以及通信的稳定性和实时性。分页
    
    2．1 DNC系统通信技术
   
    DNC主机与数控系统的通信主要有串行通信、计算机局域网和现场总线三种方式。本中心的DNC系统采用的是串行通信方式。串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根线上，以每次一个二进制01为最小单位进行传输。串行通信的传输速度要比并行通信慢得多，但串行通信可显著降低通信线路的价格，简化设备，并可利用现有的电话电缆线路，在任何两点通话的设备之间，配置适当的通信接口实行串行通信。串行通信通常可采用并行或串行两种传输方式，并行传输抗干扰能力差，不宜用于长距离传输，尤其是在环境较恶劣的加工车间。串行方式使用线路少，单向的串行传递只要一条信号线，而并行传递方式中传送的每一位都要一条信号线，在较长距离的数据传递中采用串行方式比较经济，而且可避免在远程运输时，多条线路的线间干扰和祸合。因此，对如NC加工程序等可靠性要求很高的长距离传输，多采用串行方式。
   
    为实现串行通信并保证数据的正确传输，要求通信双方遵循其中约定的规程。目前在Pc机及数控系统中最简单、最常用的规程是异步通信控制规程，或异步通信协议，其特点是通信双方以帧作为数据传输单位。每一帧从起始位开始，后跟数据位(位长度可选)、奇偶位(奇偶校验)，最后以停止位结束。l帧的数据格式如图2所示。
   

    图2中，起始位通常使用I位表示；数据位使用5-8位表示一个字符内容；校验位使用奇或偶表示，有时也可用无校验位；停止位常用1或2位表示，有时也用其他方式表示；空位为时间间隔，没有一定限制。每一位的0或I代表电平的低或高，每一位的时间长度由传输速率，即波特率决定。一帧的传输大致有以下步骤。
    
    1)无传输：通信线路上处于逻辑I状态，或称传号，表明线路无数据传输。
    2)起始传输：发送方在任何时刻将通信线路上的逻辑l状态拉至逻辑0状态发出一个空号，表明发送方要开始传输数据。接收方在接收到空号后，开始与发送方同步，并希望收到随后的数据。
    3)数据传输：起始位跟着要发送或接收的一串位序列，即表示一个字符代码(5、6、7或8位不等，由双方协议确定并保持不变。数据位传输规定最低位在前，最高位在后。数据的确定是根据实际需求以获得最佳传输速度。
    4)奇偶传输：数据位之后是可选择的奇偶位发送或接收。奇偶位的逻辑状态取决于奇偶校验类型是一致的。
    5)停止传输：奇偶位之后是发送或接收的停止位，其逻辑状态恒为I，位时间可在I、1．5或2位选择，且必须保证在每帧传输间均相同。
   
    发送方在发送完1帧后，可连续发送下一帧，也可随机发送下一帧。在这两种情况下，当接收方收到传号后，双方取得同步。通信双方除遵循相同的数据传输帧格式外，为确保传输数据的正确性，双方还要具有相同的数据传输率：每秒传输的二进制位数。在不使用调制解调器的通信线路上，其导数就是所谓的波特率(Baud Rate)。常用的波特率为300、600、1200、2400、4800和9600等。
   
    2．2通信参数的设置
   
    串行通信参数包括：波特率、数据位、奇偶校验、停止位数、反馈字符、握手方式、结束代码和换行符等。设置时要求相应参数必须和数控设备(数据机床等)自身的串口通信参数相同，否则无法进行数据传输。
   
    2．2．1机床系统参数设置
   
    本中心的数控设备有五种操作系统，分别为SIEMENS-802C、FANUC OiMate-Tc、MTSUBISHIE60、GSK980TA和华中21世纪星。下面就以SIEMENS-802C为例，其数控设备通信参数的设置如表2所示。
   

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    2．2．2 DNC服务器参数设置
   
    本系统采用北航海尔公司开发的CAXA软件DNC通信模块。在该模块中，用鼠标点击参数设置区的"添加机床"按钮，系统会弹出一个新的"传输参数设置"对话框(如图3所示)，用户只需要按照对话框中的要求把通信参数填好即可。
   
    在对数控设备的通信参数进行设置时必须要保证与DNC服务器之间的一致性，此外波特率的设定要根据系统的具体情况进行设置，不能为了提高速度而一味地提高波特率，过大或过小的波特率都可能导致通信效率的下降。
   

    2．3系统的通信规范
   
    任何一种系统都有自己特殊的程序头格式，例如SIEMENS-802C的程序头，就必须按以下格式书写，否则机床不接收。
   
    第一行："％_N_M11_MPF"。
   
    注释：％为起始符号，N为程序名起始符，M11为程序名称，MPF为程序文件格式(扩展名，MPF及西门子默认的加工代码)。
   
    第二行(也可以不要)："；$PATH=／_N_MPF_DIR"。
   
    注释："；"为西门子注释，"$PATH"为路径起始符号，N为名称起始，此处的MPF为目录名称，DIR为类型(西门子系统中DIR代表目录)。此外代码中注释行可以使用中文，但是不允许使用全角的标点符号。
   
    3 结语
   
    本文对我校机电综合工程训练中心DNC系统的通信结构和应用的通信技术进行了研究，实践表明，该系统的通信部分运行良好，可靠性和实时性均能得到保障。