基于工业以太网的网络数控系统开发及实现

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%的网络节点为Ethernet。2)为了促进Ethernet在工业领域中的应用,国际上成立了工业Ethernet协会( Industrial EthernetAssociation)。美国电气工程师协会(IEEE)正着手制定现场装置与Ethernet通信的新标准。3)全球主要自动化厂商和组织加强了工业Ethernet的实现,如德国SI-EMENS公司于1998年发布了工业Ethernet白皮书,于2001年发布了其工业Ethernet规范,称为ProfiNET.2004年奥迪(Audi)、宝马( BMW)、戴梅勒克莱斯勒(DaimlerChrysler)和大众(Volkswagen)四家主要的德国汽车公司一致同意支持ProfiNET工业以太网标准。

4 基于工业以太网的网络数控

　　网络数控系统(Networked Computer Numerical Con-

　　数控加工技术现代制造工程2006年第1期trol System)是网络控制系统的一个分支。近几年国内比较高端先进的数控系统上都配备了标准以太网的接口,比如华中数控的世纪星系统,这样可以方便地进行联网,即使没有标配以太网接口的数控系统,由于都有RS-232接口,笔者也提出了RS-232到以太网的转换解决方案,专用通信单元用AT89S8252单片机和AT24C512 Serial EEP-ROM,以支持Internet应用。此通信单元还有数据缓冲的功能,可以解决老式数控系统内存太小,不能一次装下复杂加工程序的问题,这样就解决了加工停顿的问题,此装置也符合工业标准,安装方便。

　　本文以华中数控系统为例,说明基于工业以太网的网络数控系统的实现。华中数控系统具有开放化、模块化的优点,支持Microsoft Network Client V310 forMS- D0S, Microsoft Network Client V310,包含了TCPPIP协议、DHCP功能,使构建数字化车间非常地便利和稳定,每台华中数控系统都采用TCPPIP协议,如图3所示,各车间HUB采用交换式集线器,再通过交换机联到服务器,其中交换机高速接口联到服务器端。系统开机以后,远程的服务器自动分配给数控机床一个固有的IP地址,出于网络安全的考虑,此IP地址是私网地址,一个网段内可以容纳254台数控机床,如果数控机床数量多,可以划分几个网段,可以为每台数控机床设置各自的名称,由于采用DHCP技术,避免了设备冲突,可以很便利地增加或减少数控机床。每台数控机床分配到IP地址以后,就可以实现机床和机床之间、机床和服务器之间的双向资源共享,可以利用服务器上的海量磁盘空间存储复杂的加工程序,解决了数控系统存储容量上的瓶颈问题。服务器又可以和上层企业级网络联网,使车间级网络和企业级网络很好融合。由于网络的双向性和数控机床的名称确定性,可以很方便地给每台机床的数控系统进行升级,改变了以前的用软盘逐台升级的方式,大大提高了效率,减少了系统升级带来的生产停工时间。如果服务器接入Internet,这样无论在什么地方,都可以通过自己公司搭建的VPN网络连接到公司内部网络,实时查看各数控机床加工的程序和工作状态。利用成熟的网络技术,可以实现所有的数控机床无论分布在何处,只要连接到Internet,便可以把这些机床虚拟为一个很大的内部网络,机床是否开机和运行,状态一目了然。举例来说,如果有足够的权限,完全可以实现在北京的设计人员把加工程序实时发送到深圳的生产基地的某台特定的数控机床上进行加工,大大改变了繁琐的人工流程。

图3 以太网数控系统结构

　　华中数控的网络数控系统在实际中已经得到很好的应用。江苏常柴股份有限公司,采用华中数控的网络数控系统将其模具车间的5台加工中心和一台仿形数控机床联网,可在远程异地设计、编程,然后通过Internet网络传送和共享零件加工程序,实现CADPCAMPCNC的网络集成,大大提高生产效率和设备的利用率。常柴股份有限公司的北厂模具车间的所有数控机床通过内部局域网(NT网)连接,模具车间的NT网络上的服务器,通过Internet与5km外的常柴总厂计算中心连接。总厂计算中心由UGò或其他CADPCAM软件生成的数控程序可通过Internet和服务器传送到模具车间的任何一台数控机床的控制系统中。由于华中网络CNC具有较大的内存和外存空间,其资源可共享到计算机网络上。因此,每台配华中数控系统存储器上的数控程序,可通过网络共享到其他任何一台华中数控系统上,这使得数字化仿形测量所生成的数控加工程序可共享到其他非仿型功能的数控机床上加工模具。由于计算机局域网络的数据传送速度极快(约为10~ 100MBPs以上,而DNC接口的速度约为916kBPs) ,对于复杂模具的大容量程序的传送速度非常快捷、可靠。

5 结语

　　基于工业以太网的网络数控系统使得管理人员可以通过网络实现对数控系统的操作和管理。在很大程度上克服了数控系统内存较小、缺少网络功能、没有大容量存储的不足,同时,还可以实现远程监控与诊断、系统升级等多种功能,具有广阔的市场应用前景。作者简介:梁志锋,高级工程师,享受国务院特殊津贴专家,主要从事机电一体化、数控设备的研究及开发。