网络数控系统及其关键技术分析

3 网络数控系统研究中的关键技术

　　从网络化的角度分析网络数控系统的组成,其包含2个方面:内部网络和外部网络。

　　3.1 内部网络

　　内部网络是指数控系统内CNC单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等单元以现场总线网络连接。

　　3.1.1 内部网络硬件

　　对于数控系统硬件,开放性主要是指其计算机、网络、伺服系统及I/O逻辑控制等单元,应该具有统一的互联标准,以实现互换性。为使数控系统硬件具有互换性,目前欧洲CNC制造商在其产品中广泛应用SERCOS ( Serial Real2time Communication System,一种适于高速伺服控制的网络接口协议,于1995年成为IEC1491国际标准)现场总线作为与数字驱动单元的接口,采用Profibus现场总线等作为与I/O逻辑控制单元的接口。

　　3.1.2 数据缓冲区的优化

　　当数控系统加工复杂零件时,程序较为庞大,特别是复杂零件的加工程序,一般以兆字节(MB)为计量单位,如一个普通的柴油机缸体模具的程序量就达到几十兆。在网络数控通信系统中,由于Internet网络的不均衡和复杂多样,网络传输中有阻塞和阻断的情况发生,这就有可能出现数控加工设备因暂时缺乏程序而加工停顿的现象,这在实际生产中往往是不允许的。这就涉及到数据通信缓冲区的优化问题。

　　解决方案就是构建数学模型,优化各通信设备专用通信单元数据缓冲区Buffer的大小。设数控系统程序消耗率为P,数控系统通信数据缓冲区Buffer的大小为Q;各数控设备通信设备的通信传输速率为V ,传输效率为E,通信单元数据缓冲区Buffer的大小为S;网络的传输速率为v, 传输效率为c,传输阻塞时间为T。则优化目标S ,使之达到最大:

　　3.2 外部网络

　　外部网络是指数控系统通过Internet与系统外的其他控制系统或外部上位计算机以网络连接。通过网络对设备进行远程控制和无人化操作、远程加工程序传输、远程诊断和远程维修服务、技术服务,并实现资源共享。

　　3.2.1 支持多操作系统的工作平台

　　网络数控系统是一种支持全球制造的资源,其最基本的要求是能够支持跨平台操作。利用Java提供的功能实现硬件和操作系统的无关性,可以构建开放式控制平台。Java语言比C和C + +语言的可靠性高,尤其适合网络自动化,它使得通过网络实现远程诊断、远程服务、远程监控、远程加工变得更加容易,因此美国、日本、欧洲等国都在积极研究基于Java语言的网络数控系统。但是, Java并不能完全满足需求。它存在着2个方面的缺陷:

　　(1) 内存的动态管理。Java为用户自动清除内存中已经不使用的内存空间,使得GC算法的不确定性与实时计算相矛盾;

　　(2) 不能对底层内存硬件访问。用户一旦直接访问底层设备,势必破坏Java的跨平台特性。

　　目前,通常是将操作平台体系结构中融入Browser/Server体系结构(B/S体系结构) ,这也是和传统数控系统的重要区别。为了实现在异构环境下的可移植性,即监控计算机和网关采用不同的操作系统时,网络数控系统应口以Web的方式实现:从现场获得的数据经网关通过Web服务器以HTML页面的形式提供给监控计算机;监控计算机以浏览器作为访问的客户端工具实现交互过程,加工指令或程序以HTTP消息的形式通过Web服务器经网关传送至现场节点,实现对数控机床的控制。

　　3.2.2 网络数控系统的网络通信功能

　　网络数控技术的关键问题在于研究数控系统的网络通信功能。为了共享计算机网络的资源,就需要实现不同数控系统中各实体间的通信。这里的实体包括计算机终端和各种网络数控系统及其它相关设备等。为了实现不同制造厂商通信网络设备的兼容,并为计算机网络标准的开发提供一个框架。国际标准化组织( ISO)制定了开放性数控网络互联标准通信模型(OSI) 。它是连接异种计算机的标准框架,其目的是为系统互联标准的制定提供一个共用基础,并引导计算机网络和数据通信系统产品的开发,同时对网络技术的发展起着一定的指导作用。

　　在OSI模型的应用层和传输层得到广泛运用的TCP /IP协议是当前流行的Internet网络所使用的网络协议,已经成为计算机网络事实上的标准。TCP / IP协议体系为传输层制订了TCP协议(传输控制协议)和UDP (用户数据报协议) 。与UDP协议相比, TCP协议是一个可靠的全双工字节流的面向连接的协议,提供无差错、无重复的数据发送服务,而且发送的数据是按顺序接受的。对于数据的稳定性和正确性要求严格的网络数控来说十分适用。

　　值得注意的是,支持全球制造的网络数控系统并不一定要求车间的每台数控机床都直接连接到Internet上。一般情况下仍然是通过车间局域网服务器连到Internet再经过防火墙连接到Internet上。网络数控系统的核心是要求从设备级支持异地制造和全球制造。这就要求从全球联网的角度重新审视数控系统的设计,使得任何一个数控系统都对应于开放系统互联协议( ISO /SI)的相应层次(链路层、网络层) ,都能支持Intranet/ Internet标准,从而达到开放性、互联性、互换性和互操作性的要求。从这个意义上讲,当前各种商品化的数控系统的联网能力都还十分薄弱。