（机械电子工程专业论文）基于网络的数控技术研究.pdf

基于网络的数控技术研究 机械电子工程专业 研究生邓英指导教师张恕远 基于网络的数控技术研究是现代数控技术的重要内容之一。本文作者将 i n t e m e t i n t r a n e t 网络技术应用于数控加工系统，设计了一个基于w e b 的网络化 数控加工系统，旨在为企业进行自动化、柔性化、集中化制造提供一个基础平 台。 在这个系统中包含了内部网络环境、外部网络环境和资源共享平台。本 论文选择现场总线作内部网络环境，采用i n t r a n e t 技术构建外部网络环境，选 择一系列的安全管理措施如操作系统安全、v l a n 技术、防火墙技术等进行网 络安全管理，从而构建了安全的网络环境；在此基础上，搭建了一个资源共享 平台，在该平台的资源共享数据库中，存放大量的数控程序，车间操作员可以 通过网络将这些程序下载到车间控制计算机上，准备进行数控加工；为了实现 了车间操作员将数控文件由控制计算机通过现场总线接1 2 1 传输到数控机床，在 五章进行了基于v c + + 的数控文件的串口通信编程；由于存在个性化设计，需 要对数据库中现有产品设计的数控程序进行适当修改或补充，同时要保证在网 络故障时仍能进行数控加工生产，因此，本论文也对基于u g 的数控编程技术 进行了初步研究，以便于在车间控制计算机上直接进行简单数控程序编制，从 而保证生产的正常进行。 通过本课题的研究，为实现企业内部网络化管理、企业间相互合作管理搭 建了基础平台，同时也为实现数控机床的网络化加工，满足生产线、制造系统、 制造企业对信息集成的需求提供了基础环境。 关键词：i n t e r n e t i n t r a n e t 、虚拟局域网( v l a n ) 、w e b 、网络安全、数控技术、 串口通信 r e s e a r c ho fn c t e c h n i q u e b a s e do nn e t w o r k a b s t r a e t t h er e s e a r c ho fn c t e c h n i q u eb a s e do nn e t w o r k i so n eo ft h ei m p o r t a n tc o n t e n t o fm o d e r nn c t e c h n i q u e i nt h i sp a p e r i n t e r n e t i n t r a n e tn e t w o r kt e c h n i q u ei sa p p l i e d i nt h en c m a c h i n i n gs y s t e ma n d an e t w o r kn c m a c h i n i n gs y s t e mb a s e do nw e b i s d e s i g n e d ，w i t hi t s a i ma t p r o v i d i n gab a s i cp l a t f o r mf o rt h ee n t e r p r i s et or e a l i z e a u t o m a t i z a t i o n , f l e x i b i l i t y , a n dc e n t r a l i z a t i o nm a n u f a c t u r e t h i s s y s t e m i n c l u d e st h ei n t e r n a ln e t w o r ke n v i r o n m e n t ，e x t e m a ln e t w o r k e n v i r o n m e n ta n dr e s o u r c es h a r e dp l a t f o r m t h i st h e s i ss e l e c t sf i e l db u sa st h e i n t e r n a ln e t w o r ke n v i r o n m e n t ，a d o p t si n t r a n e tt e c h n i q u et oc o n s t r u c tt h ee x t e r n a l n e t w o r ke n v i r o n m e n t ，a n ds e l e c t sas e r i e so fs a f e t ym a n a g e m e n tm e a s u r es u c ha s o p e r a t i n gs y s t e ms a f e t y , v l a nt e c h n i q u e f i r ew a l tt e c h n i q u e t oc a r r yo u tn e t w o r k s a f e t ym a n a g e m e n t ，c o n s e q u e n t l ye s t a b l i s h e s s a f en e t w o r ke n v i r o n m e n t ；a b o v e 也i sf o u n d a t i o n ，t h et h e s i sb u i l d sar e s o u r t 七s h a r e dp l a t f o r m a n dd e p o s i t sag r e a t d e a lo fn cp r o c e d u r ei nt h i s p l a t f o r m sr e s o u r c es h a r e dd a t a b a s e t h ew o r k s h o p o p e r a t o r sc a n _ d o w n l o a dt h e s ep r o c e d u r e st h r o u g hn e t w o r k o n t ot h ec o n t r o lc o m p u t e r o ft h es h o p ，a n dg e tr e a d yt o c a r r yo u tn cm a c h i n i n g ；i no r d e rt o r e a l i z es h o p o p e r a t o r sp a s s i n g t l l en cf i l e sf r o mt h ec o n t r o lc o m p u t e rt ot h en cm a c h i n et o o lv i a f i e l db u si n t e r f a c e ，i nt h ef i _ e t hc h a p t e r , s e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o np r o g r a m m i n g o fn cf i l e sb a s e do nv c + + i sc a r r i e do u t ；b e c a u s eo fi n d i v i d u m i o nd e s i g n ，i ti s n e c e s s a r yt oa m e n da n ds u p p l e m e n t t h en c p r o c e d u r ep r o p e r l y , w h i c hi sd e s i g n e d b y t h ep r o d u c t i o ni ne x i s t e n c ei nt h ed a t a b a s e ，a tt h es a m et i m e ，i ti sg u a r a n t e e dt h a t t h en cm a c h i n i n gm a n u f a c t u r ec a ns t i l lb ei m p l e m e n t e dw h e nn e t w o r kt r o u b l e o c c u r s ，t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sa l s op e r f o r m sp r i m a r yr e s e a r c ho nn cp r o g r a m m i n g t e c h n i q u eb a s e do nu g i no r d e rt op r a c t i s es i m p l en c p r o c e d u r e sp r o g r a m m i n g d i r e c t l yo nt h ew o r k s h o pc o n t r o lc o m p u t e r , a c c o r d i n g l ye n s u r et h em a n u f a c t u r eo n t h er a i l s t h r o u g h t h i s r e s e a r c h ，b a s i cp l a t f o r i l l h a db e e nb u i l tf o rr e a l i z i n g t h e e n t e r p r i s e s i n t e r n a ln e t w o r km a n a g e m e n ta n dm u t u a lc o o p e r a t i v em a n a g e m e n t a m o n ge n t e r p r i s e s a tt h es a m et i m e ，t h eb a s i ce n v i r o n m e n tw a s a l s op r o v i d e df o r r e a l i 五n g o fn cm a c h i n e sn e t w o r k p r o c e s s ，s a t i s f y i n g t h e p r o d u c t l i n e ， m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，a n d d e m a n dw h i c hm a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e s h a v ef o r i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n k e y w o r d s ：i n t e r a c t i n t r a n e t ：v i r t u a ll a n ( v l a n ) ；w e b ；n e t w o r k s a f e t y n c t e c h n i q u e ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 睡华火学硕士学位论文 第一章综述 1 1 研究的背景 制造是人类经济活动的重要基础，是历史发展和文明进步的动力，随着人 类工业文明的不断进步，制造业已发展成为一个国家经济发展的支柱，成为国 民经济收入的重要来源。 2 0 世纪7 0 年代，随着世界经济的发展，先进的制造技术与作业管理方法 在制造业中得到了广泛的应用。同时，市场环境日益全球化，产品竞争同趋自 热化。虽然企业采取了许多单项先进制造技术和管理方法，如c a d c a m 、f m s 、 m r p 等并取得了一定的成效，但实践证明，任何一种单一制造技术和管理方法 都不能适应市场的巨变。 2 0 世纪9 0 年代，通过对传统制造技术和生产管理模式的置疑、反思、扬 弃和更新过程，各工业发达国家在探索先进的生产管理模式方面殊途同归，形 成了一种先进制造与现代化生产管理相结合的制造模式潮流。 随着2 l 世纪脚步的前进，计算机技术、信息技术和通信技术得到了长足的 发展，在这三者基础之上建立起来的计算机网络技术一一特别是 i n t e m e t i n t r a n e t 技术也得到了空前的发展，这也使得制造业进入了信息化、集 成化、自动化、智能化、敏捷化的新时期。 在这一新时期，市场需求变化迅速，对于工业企业来说，要想在激烈的市 场竞争中求得生存和发展，必须以顺应市场需求的导向，这样就导致产品的寿 命周期大幅度缩短，产品的高额利润期也相应缩短，某种产品市场的存在也是 有限的。为此，企业必须不断的搜索和发现新的消费需求，通过技术创新，增 强竞争实力。国外实践证明，快速产品创新要求实现制造模式的历史性变革， 这些变革包括从传统的大量生产方式和“钢性”制造系统转向现代的小批量生 产方式和“柔性”制造系统。 在“柔性”制造系统中，必须改善过程控制和产品制造模式，依靠虚拟制 造、虚拟企业和大大提高自动化水平来实现规模经营和灵活经营，从而降低产 品成本，提高企业经营效益。企业通过组建内部网实现了企业各部门之间以及 企业与外界之间的有效联系，实现了现场控制网络与管理信息网络之间的有效 联系，为虚拟制造和虚拟企业的建立创造了条件。以现场总线为基础的现场控 制网络使过程控制满足了准确性、可靠性、开放性的要求，大大提高了其自动 荫华大学硕十学位论文 化水平。 在现代制造系统中，数控加工设备是制造系统的核心设备，是现代机械制 造系统的重要组成部分。以数控机床为核心设备的现代机械制造系统具有控制 规模大，自动化程度高和柔性化强、敏捷化的特点。由于制造系统的结构越来 越复杂、价格愈来愈昂贵，如何提高机床的利用率就成为人们所关注的问题。 多数数控机床都存在同样的问题：内存容量小，不适应复杂、大型面、高精度、 长程序零件的加工，而且数控加工程序主要由手工输入。随着网络技术的发展， 如果能够通过网络，查找到适合自己的数控机床，并且直接将加工程序实时的 传输到机床上进行数控加工，这样就可以提高机床的利用率，实现企业敏捷化 制造。近年来，计算机网络技术的发展，为现代集成制造系统打破地域局限、 建立异地制造系统提供了强有力的技术支持。通过网络传输数控加工程序和数 控程序仿真，可以使产品设计人员、工艺规划人员、相关产品开发和系统维护、 组织、调度人员的劳动强度大大降低，为生产调度与运行仿真系统、设备维护 与故障诊断系统提供了必不可少的信息，为数控编程系统有效补偿各种加工误 差、提高加工精度以及虚拟制造系统初始化提供数据，为高级专家和高级管理 人员指导生产提供了更加有效的手段。 同时，随着i n t e r n e t i n t r a n e t 网络的发展，人们对网络的使用也越来越 普遍对网络操作的人机界面要求也越来越友好，在此基础上，我们研究了基 于w e b 的网络化数控系统。 1 2 技术发展综述 1 2 1 数控技术的发展 数控技术从发明到现在已经有近6 0 年历史。最早是在2 0 世纪4 0 年代初就 提出了采用数字控制技术进行机械加工的思想。1 9 4 9 年帕森公司在麻省理工学 院伺服机构试验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作，经过二年时间的 研究，于1 9 5 2 年试制成功世界第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲 乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。以后， 数控系统的硬件发展经历了几代的变化：第一代从1 9 5 2 1 9 5 9 年，采用电子元 件构成的专用数控系统：第二代从1 9 5 9 年开始，采用晶体管电路的数控系统： 第三代采用中、小型集成电路的数控系统；第四代从1 9 7 0 年开始，采用大规模 集成电路的小型通用电子计算机控制系统( n c ) ：第五代从t 9 7 4 年开始，采用 西华大学硕士学位论文 微型电子计算机和微处理器组成的控制系统( c n c ) 。进入9 0 年代，数控技术的 典型应用是f m c f m s c i m s 。现代意义上的网络化数控系统以通信与资源共享 作为手段，本身具有网络功能，基于i n t e m e t i n t r a n e t 使得车间、企业乃至全球 的制造系统联为一体，支持远程控制，使得远程用户能够实时利用自主数控系 统。网络数控系统支持i s o o s i 网络互联规范，具有很强的开放性。它的联网 功能通过标准网络设备来实现，而不需要其它的接口部件或者上位机。它支持 标准的总线型、星型、环型等拓朴结构。从客户服务器的角度看，传统c n c 系统仅通过接口与外界进行部分数据交换，是封闭的；网络数控系统从内部支 持开放式系统互联规范，它是开放的。 近几年为使数控装备满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求， 使之成为实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元，目 前世界各国的一些研究机构和生产厂商都在积极研究具有模块化、可重构、可 扩充的特征的开放式数控系统。 美国是最早提出开放式数控系统概念的国家，在1 9 8 7 年就提出了n g c ( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 计划，意在通过实现基予相 互操作和分级式软件模块的“开放式系统体系结构标准规范”( s p c i f i c a t i o nf o r a n o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r es t a n d a r d s o s a s ) 找到解决传统数控系统存在的“专 用、封闭”的问题。该计划已在1 9 8 9 年秋开始实施。n g c 实现过程包括s o s a s 的开发、技术推广、n g c 实现三个阶段。其最有效的优点之一是外部接口的公 用性，通过这个公共接口，可以降低用户的操作费用，缩短编程时间，容易使 用操作接口、公共语言和公共通信接1 3 。欧洲各国也在积极进行开放式数控系 统的研究，1 9 9 0 年，欧共体国家的2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制系 统集成商和科研机构联合发起了o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l w i t h i n a u t o m a t i o ns y s t e m ) 计划，并予1 9 9 2 年5 月正式得到欧盟的认可。o s a c a 的目标之一。也是使自己成为自动化领域的通用标。与此同时，日本也提出了 o s e c ( o d e l l s y s t e m e n v i r o n m e n t f o r c o n t r o l l e r ) 计划，其目的是建立一个国际 性的工厂自动化控制标准。 在国内国家经贸委于2 0 0 0 年6 月开始组织实施国家技术创新重点项目新 一代开放式数控系统平台开发，经过两年通力协作，共同完成了国家标准开 放式数控系统总则的制定，并于2 0 0 2 年1 2 月颁布，在2 0 0 3 年1 月正式实施。 开放式数控系统国家标准的正式颁布，加速突破了对我国制造业制约最为严重 西华大学硕士学位论文 的数控技术瓶颈，也为网络数控技术的发展提供了良好的机遇和条件。一些高 等院校和科研单位也对此进行了积极的研制开发工作。在“八五”期间，我国 的数控科技联合攻关，开发了具有我国自主产权的数控系统。珠峰公司和华中 理工大学利用i p c + 数控卡构成硬件平台，开发了中华i 型和华中i 型数控系统， 与此同时，航天数控利用通用p c 机的体系结构设计了与通用p c 机兼容的微机 加数控通用专用模板，构成了单机数控系统，并作为普及型推向市场，并一次 为基础与通用p c 机互联构成了典型的前后台结构的多机系统。 总的来说，现代数控技术的正向高速化、高精度化、高效加工、多功能化、 复合化、智能化、模块化、小型化及开放式结构方向发展。 1 2 2 计算机网络技术的发展 计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物。它最早出现于2 0 世纪 5 0 年代，是通过通信线路将远方终端资料传送给主计算机进行处理，形成一种 简单的联机系统，称为面向终端的第一代计算机网络；到2 0 世纪6 0 年代，美 国国防部高级研究计划局成功研制出具有4 个结点的计算机试验网络 a r p a n e t ，实现了计算机与计算机之间的通信，标志藿第二代计算机网络的形 成，第二代计算机网络是以资源共享为羁的的计算机通信网络；随着微型计算 机、广域网和局域网的广泛应用，形成了由路由器互联的大型的、具有层次结 构的网络i n t e m e t ，这就是现代计算机网络。 在计算机网络的发展历程中，各种各样的遥信形式、交互式的数据对话、 批量数据传输、文件文本传输、声音或传真以致会议都逐渐在网络中实现。现 阶段网络技术在以下几个方面有很大的发展： ( 1 ) 数字技术的发展，使得部分传统的模拟传输改为数字传输。 ( 2 ) 局域网技术快速发展，传输带宽从1 0 兆升级到千兆，目前正在研发 万兆以太网。局域网技术被广泛用于办公自动化，通过高速局域网能同时传送 多种类型的信息。 ( 3 ) 广域网技术发展，9 0 年代出现百万个设备接入网的巨型网络，典型 的代表是i n t e r n e t i n t r a n e t ( 4 ) w e b 技术发展，使得网络的可用性大大提高。 ( 5 ) 加密技术的发展，使得网络的安全性和信息的保密性能得到了保障。 ( 6 ) 网络能支持大量的智能工作站。 两华大学硕士学位论文 ( 7 ) 网络的标准化工作进一步完善，i s o o s i 协议标准、t c p i p 协议标 准都在逐步完善。 ( 8 ) 网络的访问、服务、管理进一步改善，网内和网间的信息交换及合作 广泛的实现。 随着计算机技术在制造业应用的不断深化，设备自动化水平越来越高， 控制也越来越复杂，设备与控制计算机之间需要交换的数据越来越多，需要集 成在网络上的设备也越来越多，计算机网络技术逐步被运用于机械制造领域。 数控机床作为一种加工精度高、自动化程度高的机床，具有高效率、高质量、 柔性好等特点，在生产中所占比例与日俱增。随着计算机网络的迅速发展，网 络技术与虚拟技术、宽带网技术等新兴的技术将紧密结合在一起，被运用于机 械制造领域，促进现代机械制造技术的飞速发展。 1 3 本课题研究的内容 本课题研究的内容包括以下几个方面 ( 1 ) 、构建安全的网络环境。该部分工作主要是为网络化数控的实现进行网络 链路建设。 ( 2 ) 、基于w w w 的服务层数控资源共享平台的设计与制作。该部分主要工作是 建立w w w 服务器和建立数控资源等数据库等，为企业内外提供数控资源及其他 管理信息等。 ( 3 ) 、进行串口通信编程，实现通过串口进行信息传输。这部分任务在于实现 车间工作人员将数控信息通过现场总线传送到数控机床进行生产。 ( 4 ) 、基于u g 的图形交互自动编程应用系统 本课题的前3 项内容总的目标是实现通过网络中现有的数控资源进行数控 加工。但在实际工作中，由于电子商务的广泛应用，使得用户的需求存在个体 差异，可能需要对数据库中现有产品设计的数控程序进行适当修改或补充：同 时由于网络安全的复杂性，考虑到网络出现故障时仍然需要进行生产，因此， 本论文还作了第( 4 ) 部分的初步研究。 1 4 课题研究的意义 我国数控技术起步于2 0 世纪5 0 年代代末期，经历了发展初期的封闭式发展 5 西华火学硕士学位论文 阶段，“六五”、“七五”期间的消化吸收和引进技术阶段，“八五”期间国 产化体系阶段，以及“九五”期间产业化阶段，现基本掌握了现代数控技术， 建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控专业人才，初步形成了自己的数 控产业。目前较具规模的有广州数控、航天数控和华中数控等。具有中国特色 的经济型、普及型数控系统经过几十年来的发展，产品的性能和可靠性有了较 大的提高，它们逐渐被用户认可，在市场上站稳了脚跟。但是我国的大部分企 业的生产管理与制造仍存在孤岛信息的问题，对企业内部资源利用率不高，和 合作企业的资源共利用率更低。为了提高这些企业的市场竞争力，我们研究开 发了本系统。其意义在于： 1 加强企业的网络化管理，实现企业内部网络化管理、企业间相互合作管 理。 2 实现数控机床的网络化加工，满足生产线、制造系统、制造企业对信息 集成的需求，同时实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的 基础单元。 6 两华大学硕士学位论文 第二章：基予w e b 的网络化数控系统总体设计 2 1 网络化数控概述 网络化数控就是通过网络( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 将制造单元和控制部件相连， 或将制造过程所需资源( 如加工程序、机床、工具、检测监控仪器等) 共享。 网络化包括两个方面：内部网络和外部网络。 内部网络是现场级设备网络，也称现场级设备网为控制网络，内部网络是 指数控系统内c n c 单元与数控机床等以网络连接，实现对被控对象的有效控 制，使系统安全稳定地运行。控制网络直接面向生产过程，因此要求很高的实 时性、可靠性、数据完整性和可用性。 外部网络是以传输信息和资源共享为目的的网络，也称为信息网络，指数 控系统与系统外的其他控制系统或外部上位计算机以( i n t e m e t t m r a n e t ) 网络连 接。通过网络实现对设备的远程控制和无人化操作、远程加工程序的传输、远 程诊断和远程维护服务、技术服务，并提高机床生产率。 2 2 基于w e b 的网络化数控技术 2 2 1 基于w e b 髓络化数控的要求 网络化数控是以数字化、柔性化和敏捷化为基本特征的新型数控技术。柔 性化和敏捷化是快速响应客户需求的前提，表现为结构上的快速重组、性能上 的快速响应、过程中的并行性与分布式决策。因此网络化数控系统应具有集成、 分布和广义的特征，同时必须具有高速网络带宽的支持。基于w e b 的网络化 数控技术的应具有如下要求： 1 是数控加工信息集成系统 要求能够实现数控机床和上层( 车间调度员、c a d c a m 人员、工艺编制 人员、企业资料管理人员、企业合作伙伴等) 进行交流。 2 能实现数控数据的网络共享 要求实现企业内部或合作企业的中心数据服务器与现场数控设备之间的信 息共享。一方面要实现数控设备可以共享企业内部中心数据服务器上其他加工 程序代码，另一方面，数控设备的一些制造数据也可以通过网络传送到企业中 西华大学硕士学位论文 心数据服务器，为其他数控设备服务。数据共享的实现可以通过i n t e r n e t 的 w w w 服务来实现，共享数据的各方通过浏览器进行数掘浏览。 3 具有远程监控能力 该系统能够通过网络实时发布机床状态信息，反映机床的运行历史同时通 过w e b 摄像机实时发布现场生产。 4 能支持跨平台操作的功能 由于合作企业的计算机软硬件、数控加工设备、数据库系统以及应用等具 有多样性，因此基于w e b 的网络化数控系统应该具有开放性，能够为合作企 业提供友好、开放的界面，支持不同区域的多用户同时操作和共享信息。 2 2 2 基于w e b 的网络化数控系统的通信模型 目前企业中应用的数控机床提供的主要是串行通信接口，因此本文主要研 究实现串行通信接口的数控机床的网络化控制。 要实现数控机床与i n t e m e t 的通信可以采用点对点式的结构。其构建原理 是： ( 1 ) 构建局域网络，应用交换机实现车间局域网与i n t r a n e t 或i n t e r n e t 的连 接 ( 2 ) 应用串行通信实现控制计算机和数控机床的连接 ( 3 ) 机床操作人员在控制计算机上通过浏览器从车间内部网络服务器或者器 上获取数控程序、作业计划等数据，把需要下载的数据如数控程序、零件图形 等下载到当地，并通过串行传输通信软件把数控程序传输给相应数控机床。其 结构 f i g u r e2 1n e t w o r k c o n s t r u c t i o n so fw o r k s h o p 图2 1 车间网络结构 西华大学硕士学位论文 2 2 3 基于w e b 的网络化数控系统框架 请求 回应 f i g u r e2 2n e t w o r kn cs y s t e mf r a m eb a s e do i lw e b 图2 2 基于w e b 的网络化数控系统框架 该框架的主要工作流程是： 1 ) 客户端一侧的控制者通过w e b 浏览器测览到需要的主页后，利用一定 的方式提交控制信息，并通过h t t p 协议( 超文本传输协议) 向w e b 服务器发 出请求。h t t p 定义了w e b 的通信交换机制、请求及响应消息的格式等，可以 传输包括超文本的各种数据对象。 2 ) 服务器端的h t t pd a e m o n ( 守护进程) 将请求的参数通过标准输入和环 境变量传递给主页指定的c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) ，c g i 是外部应用 程序与w e b 服务器交互的一个标准接口，这些环境变量包括服务器的名字、 c g i 和服务器使用协议的版本号、客户端的i p 地址和域名地址、客户端的请求 方式、请求内容及编码方式、访问信息的合法性以及用户的输入信息等。 3 ) c g i 将交互主页中用户输入的信息提取出来，负责调用相应的处理程序， 并启动此应用程序进行处理。c g i 应用程序可以完成客户端与服务器的交互操 作，它打破了服务器软件的局限性，允许用户根据需要采用各种语言去实现无 法用h t t p 、h t m l 实现的功能，例如，一个能够访问外部数据库的c g i 程序 可以使客户端用户通过w e b 服务器进行数据库的查询。同时，c g i 也为如何在 不同的平台之间进行沟通提供了范例。 4 ) 处理程序将处理信息输入到控制软件，控制软件根据要求，控制相应的 现场模块。 5 ) 现场模块的反馈信息经控制软件通过h t m l 文件返回给用户，最终结果 显示在用户面前。 6 ) 现场数据与w e b j 务器之间双向传输进程结束。 在这个结构中用户无法直接操作数控设备拥有者的数控机床，但可以把加工 9 西华大学硕士学位论文 信息通过网络提交给数控设备拥有者，数控设备拥有在接收到这些信息后，按 照计划要求组织生产，因此，该结构的实施层次可以分为四层，如图2 3 所示， 分别称之为用户层、服务层、代理层和设备层。用户层为企业内部的数控编程 人员或调度人员，也可以是把握市场机遇但没有拥有合适数控加工设备的企业， 用户层可通过浏览器访问服务层寻找合适的数控加工设备。服务层提供数控资 源集成服务平台，平台一方面为用户层提供数控机床的静态信息和动态信息， 另一方面接收来自代理层的机床实时信息，反馈代理层的请求。代理层是实现 数控机床通信的平台，接收来自服务层的制造数据并传输给设备层，同时采集 来自设备层的数据并传输给服务层。代理层的含义就是指其用作设备层的代理， 实现数控设备和外界的信息交互。设备层是指数控机床。 用户层( 编程人员、管理人员等) i jl i j l 努- e - ( w w w p 瓣，f t p 服务等) i 代理层( 数控计算机、操作员等) n l设备层( 数控机床) f i g u r e2 3i m p l e m e n ta r r a n g e m e n t o f n e t w o r kn c s y s t e mb a s e do nw e b 图2 3 基于w e b 的网络化数控系统实施层次 本论文在后面的章节中将会实现代理层到设备层的信息传送以及服务层数 控资源的共享平台的集成。 2 3 基于w e b 的网络化数控系统的实现步骤 ( 1 ) 构建安全的网络环境 ( 2 ) 设计、制作基于w w w 的服务层数控资源共享平台。 ( 3 ) 设计通过串口通信实现代理层到设备层的信息传输。 ( 4 ) 在用户端设计生成数控程序文件，将传送到服务器资源共享平台。 ( 5 ) 代理层车间操作员通过w w 浏览下载数控程序，进行数控加工。 西华大学硕士学位论文 第三章构建安全的网络环境 要实现网络化数控，关键是要建立一个稳定可靠的网络环境，为此本章专 门就如何构建安全的网络环境进行讨论。 3 1 安全网络环境的整体构架 根据第二章的数控系统总体设计，我们的企业网络一方面要实现车间内部对 机床的数字化控制，另一方砸又要与外界的信息交流，实现资源共享，那么我 们组建的网络必然要和i n t e r n e t 实现有效的连接。因此我们设计构建如图3 1 的一个企业网络系统。 企业核心交换机部门级交换机部门内交换机屏蔽子网边界路由器 ( 三层交换机)( 二层交换机) ( 二层交换机) 型防火墙 f i g u r e3 1s a f et o t a lc o n s t r u c t i o no f e n t e r p r i s en e t w o r k 图3 1安全的企业网络总体结构 西华大学硕士学位论文 在该系统中，车间的数控机床通过数控系统通讯接口和控制计算机进行信 息交换( 这部分称之为内部网络环境) ：控制计算机通过车间交换机与企业核心 交挽机建立连接从而接入企业内部网络i n t r a n c t ，实现和企业内部其他部门的信 息交换；企业内部核心交换机通过边界路由器接入至1 i n t e m e t ；为了保护企业 内部网络不受i n t e r n e t 用户的非法攻击，在核心交换机和边界路由器之间架设一 台防火墙，以割断内部网络和外部网络的直接连接，从而实现对内网的有效保 护( 这部分统称为外部网络环境) 。下面对该系统的内部网络环境的实现、外部 网络环境构建以及安全性加以分析。 3 2 搭建内部网络环境 内部网络环境是现场级设备网络环境，是指数控系统内控制计算机的c n c 单元与数控机床等的网结连接，实现相互问的数据通信。 3 2 1 通信方法的实现 目前，数控系统使用的通讯接口主要有r s 一2 3 2 c 接口，r s 一4 4 9 及r s 一4 2 2 与r s 一4 2 3 接口，现场总线接口和以太网接口，以下分别做一简要说明。 3 2 1 1 r s - 2 3 2 c 接1 ：7 在串行通讯中，广泛应用的标准是r s 2 3 2 c 标准，它是美国电子工业协会 ( e l a ) 在1 9 6 9 年公布的数据通讯标准。该标准定义了数据终端( d t e ) 和数 据通讯设备( d c e ) 之间的连接信号的含义及其电压信号规范等参数。 r s 一2 3 2 c 的电气特性规定逻辑“1 ”的电平为1 5 至一5 伏，逻辑0 的电平为+ 5 至+ 1 5 伏，也即r s 一2 3 2 c 采用+ 1 5 伏和1 5 伏的负逻辑电平，+ 5 伏和5 伏之间 为过渡区域不做定义。r s 2 3 2 c 接口的电气特性见图3 2 ，其电气表示见表3 】。 r s 一2 3 2 c 电平高达+ 1 5 伏和1 5 伏，较之o 5 伏的电平来说具有更强的抗干 扰能力。但是，即使用这样的电平，若两设备利用r s 一2 3 2 c 接口直接相连( 即 不使用调制解调器) ，它们的最大距离也仅约1 5 m ，而且由于电平较高、通信速 率反而受影响。r s 2 3 2 c 接口的通信速率 2 0 k b p s ( 标准速率有1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、 1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 b p s 等几档) 。 2 两华大学硕十学位论文 t a b l e3 1r s - 2 3 2 c e l e c t r i c i t ys i g n a ld e n o t a t i o n 表3 1r s - 2 3 2 c 电气信号表示 靠r 匕、l+ i ：、 窖_ l ；1 足舅 ， nj ：i 足，j i ，ji j j j 可二i ：争r ：1 f 1 0 + ； i f 吃 f i g u r e3 2r s 2 3 2 ce l e c t r i c i t yc h a r a c t e r i s t i c 图3 2r s 2 3 2 c 电气特性 r s 一2 3 2 c 的工作过程是在各根控制信号线有序的“0 n ”( 逻辑“o ”) 和 “o f f ”( 逻辑“1 ”) 状态的配合下进行的。在d t e d c e 连接的情况下，只有 c d ( 数据终端就绪) 和c c ( 数据设备就绪) 均为“o n ”状态时，才具备操作的基本 条件：此后，若d t e 要发送数据，则须先将c a ( 请求发送) 置为“0 n ”状态，等 待c b ( 清除发送) 应答信号为“o n ”状态后，才能在b a ( 发送数据) 上发送数据。 3 2 1 2r s 一4 4 9 及r s 一4 2 2 与r s 一4 2 3 接口 由于r s - 2 3 2 c 标准信号电平过高、采用非平衡发送和接收方式，所以存在 传输速率低( 2 0 k b p s ) 、传输距离短( 1 5 m ) 、干扰信号较大等缺点。1 9 7 7 年底， e i a 颁布了一个新标准r s 一4 4 9 ，次年，这个接口标准的两个电气子标准： r s 一4 2 3 ( 采用差动接收器的非平衡方式) 和r s 一4 2 2 ( 平衡方式) 也相继问世。这些 标准在保持与r s 一2 3 2 c 兼容的前提下重新定义了信号电平，并改进了电路方式， 以达到较高的传输速率和较大的传输距离。 r s 一4 9 9 对标准连接器做了详细的说明，由于信号线较多，使用了3 7 芯和9 芯连接器，3 7 芯连接器定义了与r $ - 4 4 9 有关的所有信号，而辅助信道和信号 在9 芯连接器中定义。 r s 4 4 9 标准的电器特性有两个标准，即平衡式的r s 一4 2 2 标准和非平衡式 的r s - 4 2 3 标准。 r s 一4 2 2 电气标准是平衡方式标准，它的发送器、接收器分别采用平衡发送 器和差动接收器，由于采用完全独立的双线平衡传输，抗干扰能力大大增强。 又由于信号电平定义为6 伏( 2 v 为过度区域) 的负逻辑，故当传输距离为1 0 m 时，速率可达l o m b p s ：而距离增长至1 0 0 0 m 时，速率可达到l o o k b p s 时，性能 远远优于r s 一2 3 2 c 标准。 r s 一4 2 3 电气标准是非平衡标准，它采用单端发送器( 即非平衡发送器) 和差 硅华大学硕士学位论文 动接收器。虽然发送器与r s 一2 3 2 c 标准相同，但由于接收器采用差动方式，所 以传输距离和速度仍比r s 一2 3 2 c 有较大的提高。当传输距离为i o m 时。速度可 达成i o o k b p s ；距离增至1 0 0 m 时，速度仍有i o k b p s 。r s - 4 2 3 的信号最平定义 为6 伏( 其中- - + 4 伏为过渡区域) 的负逻辑。 3 2 1 3 现场总线接口 由于在数控车间控制计算机连接的c n c 设备较多，r s - 2 3 2 串行通讯接口就 存在着连线多、通讯复杂的问题，而且串行接口可靠性差、速度低，基于这些 问题，迫使人们去寻求更好的解决方案。 现场总线( f i e l db u s ) 是应用在工业现场、在微机化控制设备之间实现双 向串行多节点数字通信的系统，是国际上2 0 世纪9 0 年代蓬勃发展起来的新技 术。它的应用形成了新型的网络集成式分布控制系统。它能同时满足过程控制 自动化和制造自动化的需要。由于现场总线是基于数字通信的，因此在现场与 控制室之间能进行多变量双向通讯。为解决数据大量高速传输、实时性、通讯 距离等问题，发展高速化数据通讯技术及大量使用现场总线( f i e l db u s ) 就成 为必须。未来十年集成系统将是f i e l db u s 时代。现场总线采用了三层网络结 构物理层、数据链路层和应用层。目前现场总线已有较多种类，应用较多 的有c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、 p r o f i b u s 等。下面仅以c a n 总线方式说明现场总线在数控网络中的应用。 作为工业现场控制的网络系统，可靠性和实时性是最主要的要求，c a n 总 线在这方面有很多独到的特点：首先为满足可靠性要求，c a n 总线采用了循环 冗余码校验、框架检测、确认信号出错检测、总线监控、位填充等几种错误检 测和纠错措施，从而达到了很高的可靠性，平均误码率小于l o 1 3 ；其次，c a n 采用了独特的位仲裁技术，比c s m a c d 网( i e e e 8 0 2 3 ) 和令牌网( i e e e e 8 0 2 4 ) 具有更高的实时性；此外c a n 总线传输速率可达i m b p s ，远距离传输可达l o k m ， 接口简单，安装方便，系统成本低。传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光导 纤维。 3 2 1 3 以太网接口 随着计算机应用技术和网络技术的迅速发展，数控系统的功能也得到了极大 的提高。在分布式数控( d n c ) 领域，为了实现单台微机对多台数控机床的集中 监控，各大数控生产商纷纷推出了各自具有以太网接口功能的数控系统。 以太网( e t h e r n e t ) 是 9 7 6 年由美国x e r o x 公司研制开发的一种基带局域网 技术，采用载波多路访问和冲突检测( c s m a c d ) 机制。由于以太网成本较低，性 4 两华人学硕士学位论文 价比很好，目前在数控机床网络监控中得到了广泛的应用。 3 2 2 通信协议的确定 由于本课题是以国产的m t c 2 m 数控系统为基础构建的实验系统，而 m t c 2 m 数控系统只有r s