（机械电子工程专业论文）数控加工网络化及dnc集成技术的研究与应用.pdf

哈尔滨理丁大学工学坝上学位论文 数控加工网络化及d n c 集成技术的研究与应用 摘要 计算机网络与信息技术的飞速发展带来了制造业的不断变革，数控加工 的网络化成为企业提高竞争力的重要手段之一。本文通过对相关技术的国内 外研究现状的分析比较。以数据库、局域网、现场总线等技术为基础，研究 了数控加工网络化及d n c 集成系统的组成结构、通讯方式，设计了可以实 现与c a d c a m 系统集成、数据库管理及通讯功能的平台软件，并提出了具 体的实旌方案。 本文实现的系统硬件部分是以高性能通用微机为主体，c a n 总线适配 卡、c a n 转换器及网络适配器为通讯接口。既考虑到目前使用较多的经济 型数控机床，又兼顾了具有d n c 接口的数控机床，实现了数控机床与d n c 主机，主机与局域网乃至互联网的通讯。 系统操作软件从辅助数控编程、数据库管理、实时通讯三个方面加以实 现。该软件以w i n d o w s2 0 0 0 为操作平台，c + + b u i l d e r 6 0 为前台开发工具， m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 为后台数据库，实现的平台软件能够集成其它 c a d c a m 软件，并能对其自动生成的数控程序进行编辑、录入数据库，通 过对c a n 智能接口卡的编程及对转换器参数的设置，实现了c a n 网络通讯 功能，使主机与工业现场数控设备间实现双向数据传输，同时，该系统还具 有n c 文件管理、设备管理、系统初始化等功能。 本文实现的操作软件人机界面友好，操作简单，能有效地提高企业的生 产效率和自动化水平。系统的可扩展性强，可移植性好，为以后进一步与其 它系统的集成打下了很好的基础。 关键词c a n 现场总线；系统集成；d n c ：实时通讯 哈尔滨理工大学工学硕1 j 学位论文 n c m a c h i n i n go nn e t w o r ka n d r e s e a r c h & a p p l i c a t i o no fd n ci n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r ka n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y b r i n g sc o n f i n u a li n n o v a t i o no fm a r i a f a c t u r i n g n cm a c h i n i n go nn e t w o r kh a s b e e no n eo fi m p o r t a n tm e t h o dt oe n h a n c ec o m p e t i t i o n t h ea r t i c l ea n a l y z e sa n d c o m p a r e sd o m e s t i c - o v e r s e a sp r e s e n ts t a t u so f t h ec o r r e l a t i o nt e c h n i q u e ，b a s e so n d a t a b a s e ，l o c a la r e an e t w o r k ，f i e l db u st e c h n i q u ee t c ，r e s e a r c h e st h ec o n s t i t u t i o n a n dc o n t a c tm e t h o do fn cm a c h i n i n go nn e t w o r ka n dd n c i n t e g r a t e ds y s t e m ， d e s i g n s t h e p l a t s o f t w a r et h a tr e a l i z e st h ef u n c t i o no fi n t e g r a t t i n gw i t h c a d c a ms y s t e m ，d a t a b a s em a n a g e m e n ta n dc o m m u n i c a t i o n ，a n dp u t sf o r w a r d e x e c u t i v ep l a n n l es y s t e mh a r d w a r eo ft h ea r t i c l er e g a r d sh i g h p o w e r e dm i c r o c o m p u t e ra s m a i nb o d y ，c a nf i e l db u s a d a p t e r a n dc o n v e r t e r ，n e t w o r k a 6 a p t e r a s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e i ti n c l u d e sb o t ht h ee x t e n s i v eu s e de c o n o m yn c m a c h i n i n gt o o l a n dp o s s e s s e dd n ci n t e r f a c en cm a c h i n i n gt 0 0 1 r e a l i z e s c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn cm a c h i n i n gt o o la n dd n cc o m p u t e r , b e t w e e nd n c c o m p u t e ra n dl a n o re v e ni n t e r n e t 2 t h es y s t e mo p e r a t i n gs o f t w a r ei sr e a l i z e df r o mt h r e ea s p e c t s ：a s s i s t a n tn c p r o g r a m m e ，d a t a b a s em a n a g e m e n t ，a n dr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n t h i ss o f t w a r e r e g a r d sw i n d o w s2 0 0 0 a s o p e r a t i n gd e c k c + + b u i l d e r 6 0 a s f o r e g r o u n d d e v e l o p m e n tt o o l ，m i c r o s o f ts q l s e r v c f2 0 0 0a sb a c k g r o u n dd a t a b a s e p l a t f o r m s o f t w a r ec a l li n t e g r a t eo t h e r sc a d ，c a ms o f t w a r e e d i ta u t o m a t i cg e n e r a t e dn c p r o g r a m m ea n dl o gt h e mi nd a t a b a s e a tt h es a m et i m e ，t h es o f t w a r er e a l i z e s c a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb ym e a n so fp r o g r a m m i n gt oc a ni n t e l l i g e n t i n t e r f a c ec a r d ，s e t t i n gt h ep a r a m e t e rt oc o n v e r t e r ，t h a tm a k e sd n c c o m p u t e rg a n t r a n s i td a t aw i t hn u m e r i e a lc o n t r o le q u i p m e n ti ni n d u s t r ys c e n ee a c ho t h e r t h i s s y s t e ma l s oh a sf u n c t i o n s ，s u c ha sn c f i l em a n a g e m e n t ，e q u i p m e n tm a n a g e m e n t ， i n i t i a l i z i n gs y s t e m ，c t c t h eo p e r a t i n gs o f t w a r eh a sf r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e + o p e r a t e ss i m p l y ， 哈尔滨理t 大学丁学碗上学位论文 i m p r o v e st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e sa n da u t o m a t i cl e v e le f f e c t i v e l y t h es y s t e mh a ss t r o n ge x p a n s i b i l i t y , f i n ep o r t a b i l i t y , w h i c hl a y sav e r yg o o d f o u n d a t i o nt oi n t e g r a t ew i t ho t h e rs y s t e m ss u c ha sf m s ，c i m s ，e t ca f t e r w a r d s f u r t h e r i th a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dh i g h e rp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s c a nf i e l d b u s ；s y s t e mi n t e g r a t e d ；d n c ；r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n 哈尔滨理工人学工学硕士学位论史 第l 章绪论 1 1 先进制造技术与制造业自动化 制造业是一个国家的工业基础，其发展水平直接体现了综合国力。近年 来，世界范围内出现了研究、应用先进制造技术的浪潮，它的水平高低，在很 大程度上反映了一个国家工业发展的水平。 传统的制造观是机械制造观，注重物料流和能量流的描述：现代制造系统 是有大量决策变量和多个优化目标的复杂系统，以生产率最高为优化目标【1 l 。 信息技术的应用已经深入到各个方面，信息技术与制造技术的融合是机械制造 技术发展的主要方向。网络正改变人们的生活，也在改变制造业的组织模式和 生产理念，网上培训、网上服务、通过网络进行产品的再常8 造，正在将生产的 全过程全球化，新世纪的制造技术将是网络化的全球制造技术，通过网络不断 更新和增大产品的知识含量，将成为制造和再制造的一种重要方式1 2 1 1 3 l 。 制造自动化的概念是一个动态发展的过程，它的发展与制造业的发展是密 不可分的。分析制造自动化的发展历史和发展趋势，可以看出，制造自动化的 历史和发展可分成五个阶段 4 1 1 5 1 ： 1 刚性自动化，包括剐性自动线和自动单机； 2 数控加工，包括数控( n c ) 和计算机数控( c n c ) ； 3 柔性制造，包括计算机分布式数控( d n c ) 、柔性制造单元( f m c 、柔性 制造系统( f m s ) 、柔性加工线( f m l ) 等： 4 ，计算机集成制造系统( c i m s ) ： 5 智能制造系统o m s ) 。 总之，先进制造技术的形成和发展与科技进步和市场需求密切相关，世界 各国，尤其是经济发达国家，都把先进制造技术作为本国制造业的高新技术来 研究自动化、柔性化、集成化和智能化是它的主要发展趋势；高生产率和高 质量是它的两大追求目标。 1 2 数控加工网络化在先进制造技术中的重要地位 采用先进制造技术是企业提高市场竞争力，迎接知识经济时代挑战的重要 哈尔滨理工大学丁学硕j ：学位论文 选择，数控加工作为先进制造的典型技术，应随市场的全球化、竞争的激烈 化、需求的个性化、生产的人性化而体现出制造技术的信息化、科学化和服务 化。目前，由于我国数控机床的使用存在着开动率和利用率低、使用范围有限 等问题，造成数控资源的极大浪费，阻碍了企业竞争力的增强，削弱了先进制 造技术的优势。 数控机床的使用技术不是简单的设备使用问题，而是一项具有一定规模的 系统应用工程【6 】，不仅要在数控系统软硬件上提高技术的可靠性和稳定性，还 要在生产模式上发生改变。随着遍布全球的计算机网络和制造业的数字化，使 网络化制造成为可能，网络化制造为企业的发展提供了前所未有的广阔舞台， 同时，又使企业在使加工设备向高精度、高效率和高自动化水平发展的同时， 更应注意其信息表示的标准化和数字化、信息交换的网络化、信息处理的智能 化，网络化制造，即将计算机和网络技术与制造技术相融合，以数字化信息为 基础，实现产品全生命周期的制造，其实质就是通过网络信息实现不同企业之 间或企业内部资源的优化组合，这种资源包括组织、技术、设备、具有技术和 技能的人等，其表现就是企业的联盟，共同组成虚拟企业以获得最大的效益。 一个完善的网络制造系统是集生产管理、工艺设计、设备调度、d n c 网 络控制为一体的具有开放式体系结构的集成化生产管理系统，在数控加工网络 系统中，把与制造过程有关的设备f 数控机床等) 与上层控制计算机集成起来， 从而实现制造设备的集中控制管理以及制造设备间、制造设备与上层控制计算 机问的信息交换，中央集成计算机对多台制造设备集中控制管理，除传送制造 数据外，d n c 计算机还是设备过程监控的数据采集节点和与车间计算机网络 进行信息通讯的节点，这样可以有效利用企业局域网乃至广域网进行信息共 享，实现企业的经营管理和生产操作的无缝结合。 在计算机开放式数控系统产生之前，我国生产的数控系统及现有的数控改 造系统一般没有网络功能，且大多都不拥有大容量存储设备( 如硬盘) 。随着各 种计算机辅助设计脯0 造( c a d c a m ) 系统的完善与发展，这些c a d c a m 系统 越来越快地进入实际加工系统，并需要方便快捷地与数控系统进行大容量信息 的通信与交换，这些辅助系统生成的复杂零件加工g 代码程序量一般以兆字节 ( m b ) 为计量单位，如一个普通的柴油机缸体模具的程序量就达几十兆，而大部 分正在使用的数控系统的内存只有1 0 0 多千字节( k b ) t ”。对于大容量程序，一 般不得不另配1 台微机进行d n c 控制，或只能将其分割成若干小容量的程序 块，然后依次输入到数控系统中，这种方法不仅非常繁琐，且在背景干扰强烈 的工厂环境中易对数据传输产生干扰。因此，如果能实现网络加工功能，共享 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 远程环境洁静的办公室中大容量数据资源，如硬盘等，c a d c a m 系统只需将 其生成的g 代码加工程序通过网络传输给加工设备，并存储在本地硬盘中，然 后即可由数控加工系统读取硬盘中的g 代码，进行加工：数控系统也可以直接 通过网络读取远程数据存储媒介中的大型程序，这将大大提高数控系统对大容 量数控程序的控制能力，具有重大的实用价值。 先进制造装备与网络制造技术相结合，使各种数控技术资源集于一体，与 i n t e r n e t 相连，实现资源共享与信息集成，在全球制造环境下，各企业问实现 互通信息，共享资源，互相合作，共同提高生产能力，快速响应市场，数控加 工网络化是车间实现设备集成、信息集成、功能集成的一种重要方法【8 】 ”。 1 3 相关技术现状及发展趋势 1 3 1 相关技术现状 柔性制造系统f m s 是自动化机械加工车间的重要组成形式之一，过去的 十几年中，人们在对自动化机械加工车间的研究中，将大量的精力投向 f m s 。因其特殊的历史原因，f m s 不仅注重信息流的集成，更强调物料流的 集成与自动化，使物料流自动化设备的投资在整个f m s 的投资中占有相当大 的比例，且f m s 的运行可靠性在很大程度上依赖于物流自动化设备的证常运 行情况”o i 。1 0 年来的实践证明，f m s 虽然具有运行效率高和自动化程度高等 优点，但投资风险大、见效慢、可靠性较差。相对f m s 来说，d n c 投资小、 见效快。是具有较好柔性的多个数控加工设备的集成控制系统，它强调信息的 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。因此，近 几年国内外对d n c 集成系统的研究相当活跃。 目前，世界各著名数控系统制造商纷纷投资研制d n c 集成系统，人们对 d n c 集成系统的研究重点由过去的通信技术转向d n c 集成化生产管理软件技 术。由于国外生产环境比较好，且数控系统大都采用带d n c 通信接口的高档数 控系统，目前已有一些d n c 集成制造软件出现，! 【n v i s u a ld n c 等】。这些先进 的软件和技术都是为了提高数控机床利用率，缩短加工辅助时间，提高整个 d n c 系统的柔性，提高可靠性，降低工人劳动强度。 国内的数控技术起步晚于国外，且数控系统有的是国内自主开发的，有的 是国外进口的，数控系统的种类多，功能差别大，并且各数控制造商生产的数 控系统在通讯接口、通讯协议方面存在一定的差异，所有这些都给我国的数控 哈尔滨理工大学1 = 学硕士学位论文 加工网络化与d n c 集成技术的研究带来了复杂性和难度。通过调研发现，就我 国目前大多数的数控机床使用厂家来看，普遍存在着应用水平不高，生产准备 ( 数控程序和机床刀具的准备) 周期长，失误率高，数控机床功能，尤其是特殊 功能的开发应用不够，机床利用率低等问题，究其原因是多方面的，其中主要 原因是对数控机床的集成管理认识不足，未能实现数控加工的网络化与d n c 集 成管理2 1 【i 虬。随着c a d c a m 集成管理软件的成熟，以及对柔性制造系统的需 求的增加，数控机床的使用，从单机使用到实现d n c 集成管理是生产加工业技 术发展的方向，而且数控机床在我国的推广使用已近二十年的历史，目前主要 还是集中在单机使用上，在单机使用积累了一定的经验后，研究适合我国制造 企业特色的d n c 系统已成为现代制造系统发展的必然要求。 1 3 2 发展趋势 根据目前的技术发展，d n c 集成系统的研究内容主要包括工厂所需自动 化程度、信息流分配、计算机控制结构层次等内容，这些要求要依靠d n c 系 统的硬件构成和外设配置。d n c 通信结构的研究主要包括数控系统的接口通 信功能和数控系统与计算机问的物理连接、通信协议、数据组织及联网能力 等，这些因素反映在d n c 系统的软件设计和运行管理的功能要求上，因此， d n c 集成系统的发展趋势主要体现在以下几个方面【1 4 ”5 1 ： 1 研究重点从通信技术向生产管理软件转移； 2 协议的实现从智能硬件技术向软插件技术转移； 3 柔性制造技术的大量移植； 4 通信协议m a p 的推广及d n c 平台产品的研制； 5 高速数据通讯技术的发展及现场总线的大量应用。 总之，d n c 技术将与高度集成化c a d c a m 系统集成，使信息从设计分 析到制造管理高度集成：d n c 集成系统的功能也由单纯的通信向生产管理方 面倾斜，使制造设备、装运设备及存储设各高度自动化和柔性化；一套新型的 d n c 集成系统将即包含了f m s 的所有信息上的功能，又能避免因物料流自动 化的大量投入所带来的投资风险。这种d n c 集成技术的研究及d n c 平台产品 的研制对我国的c i m s 推广应用将发挥重要的作用。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题来源于哈尔滨市学科后备带头人基金项目“数控加工网络化与 哈尔滨理工人学丁学硕士学位论义 d n c 集成技术的研究与应用”。 本课题通过对当前国内外信息集成技术、d n c 接口技术、计算机网络技 术等进行研究的基础上，提出了结合网络通信技术，建立面向数控加工的网络 化系统，实现网上设计、网上制造、网上监控、网上数据传输、网上管理等功 能，使先进制造装备更好地发挥其作用。具体有如下研究内容： 1 探讨了先进制造技术及制造业自动化对制造车间变革所起的作用，从而 明确研究的必要性，并对本课题的相关技术的研究现状及发展趋势进行了评述 和分析。 2 分析了实现数控加工网络化的几种通信结构模式，在对比不同的通信结 构的优缺点的基础上，确定通过c a n 现场总线方式，以c a n 现场总线适配器 和转换器作为硬件，实现网络数控加工功能，并对目前企业现有的不同种机床 接口采用不通的连接方式，使企业在尽量减少对原有硬件改动的前提下，方便 的连入加工网络。 3 使用c + + b u i l d e r 6 0 作为前台开发工具，m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 作为 后台数据库，运用模块化的设计思想，开发出系统维护模块、加工设备管理模 块、作业调度模块、程序管理模块及刀具管理模块。并可查询加工相关信息和 生成作业报表，同时，数据库采用c s 结构，易于实现数据共享。 4 使用多线程技术对加工设备的加工状态进行显示，实现了自动将相关信 息录入数据库的功能；使用动态链接库技术实现通过c a n 网络的数据传输功 能，利用自行开发的通讯软件使主计算机能与多台n c 机床进行同时通讯。 5 实现面向车间制造过程信息集成和数控设各集成控制结构的总体框架， 实现从产品设计到制造加工的全过程集成运行。 6 应用本论文提出的理论和方法建立的操作软件，具有可视化的人机交互 界，操作方便、便于掌握，并且建立了一套具有示范作用和推广应用价值的数 控加工网络化操作平台。 啥尔滨理r t 大学工学颂：l 学位论空 第2 章相关关键技术的研究 2 1 面向对象的程序设计 以前，人们把程序看成是处理数据的一系列过程，过程或函数定义为一个 接一个顺序执行的一组指令，数据与程序分开存储，编程的主要技巧在于追踪 哪些函数调用哪些函数，哪些数据发生了变化，为解决其中可能存在的问题， 结构化编程应运而生。这种方法成功地为处理复杂问题提供了有力的手段，然 而到8 0 年代末，它的一些缺点越来越突出，而且，人们发现每一种相对于老 问题的新方法都带来额外的开销。 在面向对象的程序设计( o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，o o p ) 方法中，将 “对象”作为系统中最基本的运行实体，“对象”中封装了描述该对象的特殊 属性( 数据) 和行为方式( 方法) 。这种方法的特点体现在：以“对象”或“数 据”为中心；引入了“类”( c l a s s ) 的概念。o o p 方法的模块性与继承性保证 了新的应用程序设计可在原有对象的数据类型和功能的基础上通过重用、扩展 和细化来进行，而不必从头做起或复制原有代码。 c + + 语言完全支持面向对象的程序设计，c + + b u i l d e r 是b o r l a n d 公司( 现已 改名为i n p r i s e ) 针对c + + 所开发的快速应用程序开发工具( r a p i da p p l i c a t i 0 1 1 d e v e l o p m e n t ，r a d ) 。i n p r i s e 将原有的b o f l a n dc + + 加入许多可视化控件( v i s u a l c o m p o n e n tl i b r a r y ，v c l ) ，这些现成的对象使得程序设计不再是从零开始，而 是从现有的对象出发，能以编写最少的程序代码来建立高执行效率的w i n d o w s 应用程序( 3 2 位) 1 1 6 j 。 c + + b u i l d e r 包含的所有r a d 开发工具都是集成在i d e ( i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) l 勾， i d e 的操作环境如图2 - 1 所示，利用这个集成 开发环境就可以完成应用程序的设计，而不需要再依靠其它零碎的工具程序， 让程序开发环境能够简单一致，提高整体的工程开发效率。本课题正是利用了 这一优点开发了软件程序，详细开发过程将在第五章介绍。 2 2 计算机网络技术 近年来，在机械、化工、能源、材料、信息等领域内部涌现了一批高新技 哈尔演理1 = 大学工学硕士学位论文 圈2 1c 十+ b u l l d e ri d e 的操作环境 f i g u r e 2 】c + + b u i l d e ri d eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n t 术成果，其中以微电子技术为基础，以计算机与网络技术为主体的信息技术发 展很快，并越来越多地渗透到人类生产与社会发展的各个领域，形成信息产 业，成为知识经济的一个重要支柱，因此发展以信息技术为代表的高新技术必 将成为2 1 世纪初的战略重点。 2 2 1 计算机网络体系结构 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合产生的新的技术领域，在其发 展过程中，人们提出了不同的定义，这些观点可以分为3 类：广义的观点、资 源共享的观点与用户透明性观点【i ”。综合各方面的资料可以认为计算机阿络 是：把分布在不同地点的多个计算机系统物理上互连，按照网络协议相互连网 通信，并以共享硬件、软件和数据资源为目标的系统。 在社会生活中有多类型的网络，如交通网、通信网等。这些网络可能有不 同的规模，但是不管什么网，多大的规模，为了能让其高效、可靠地运作，都 要制定它的各种规范，而且由于世界各部分联系日益密切，这些规范必须是具 有丌放性的国际标准，以便能更好的相互连通运作。现代网络采用分层的体系 结构方法，将网络按照功能分成一系列的层次，每一层完成一个特定的功能。 层与层之问通过接口规则相互连接、请求和提供服务。在国际标准化组织0 s o ) 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 提出的“开放系统互连”s i ) 的参考模型中，网络系统结构划分为7 层，从 上到下依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理 层”础。在实际中，使用的网络协议与这个模型多少有些差异，要看实际需要而 定，例如，c a n 现场总线就只被划分成物理层和数据链路层了。下一节中将 详细介绍。 2 2 2 计算机网络在制造类企业中的应用 计算枧网络在人类生产活动和制造业领域中都有广泛应用，而且技术翻新 速度很快。这里我们主要讨论在制造领域中的应用。 在企业内部，需要依靠计算机网络将经营决策、计划管理、监控调度以及 检测控制等各功能层次以及各类人员联系起来，形成一个集成的系统。现代企 业与市场及外界的信息交往越来越密切，网络互联以及国际互联的需求也在增 长，一个企业计算机网络框架在某种意义上代表了企业组织与运营的框架。制 造类企业的计算机网络的共性需求包括资源共享、实时通信、高可靠性、异构 系统互连、开放性以及多媒体通信等f 1 9 1 。 企业中计算机网络的应用促进了企业经营管理体制以及生产制造监控机制 的改变，各种自动化系统与装置之间的联系更灵活快捷，系统集成更具有实际 意义。计算机网络的发展简化了传统的递阶控制与管理结构，使之趋向于“扁 平化”。纵向功能层次减少，横向( 同层) 功能之间的交互更方便，这种通信体系 结构的变化也必然为控制与管理方式的变革创造更多的途径，也将对控制科学 与技术的发展起积极的影响。 2 0 世纪8 0 年代兴起的计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) ，以及随之发展的企业资源规划e r e ( e n t e r p d s e r e s o u r c ep l a n n i n g ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟制造( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) t 2 0 i 等都是在计算机网络技术发展的基础上建立起来的，这些企业 中的管理信息网络不同程度地与生产现场的控制网络互连并与外界信息沟通， 从而构成各种类型的企业网络( e n t e r p r i s en e t w o r k ) ，正是在这种环境下。提出 了对数控加工网络化及d n c 集成技术的研究。 2 3 现场总线技术 随着计算机软、硬件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已经 成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了很大的进步。由于 哈尔滨理1 = 大学工学硕士学位论文 一个系统的高可靠性和灵活性是它生存的必要条件，工业控制系统的发展主要 表现在：控制面向多元化，系统面向分散化i 甜1 。传统的控制系统难于实现设各 间以及系统与外界间的信息交换，是一个“信息孤岛”1 2 ”。为满足自动控制技 术现代化的要求，同时实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，就必须设 计出一种能在工业现场环境中运行、性能可靠、造价低廉的通信系统，完成现 场自动化设备之问的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外 界的信息交换，现场总线就是在这种实际要求下产生的。工业自动化控制的现 场范围可以从一台家电设各到一个车间、一个工厂，受控设备和网络所处的环 境可能很特殊，对信号的干扰往往是多方面的，而要求控制必须是实时性很 强，这就决定了现场总线区别于一般的网络特点。 2 3 1 现场总线的发展 2 0 世纪8 0 年代现场总线技术才开始形成和发展，在十几年的时间中，已 经出现了几种现场总线日趋走向成熟并逐步推广应用，显示了其特有的优势和 生命力。目前国际上主要的现场总线标准有f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、 p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、d e “e e n e t 、i n t e r b u s 、w o r d f i p 、c a n 等p ”。各现场 总线有各自的特色和特定的应用环境，例如：c a n 主要应用于汽车自动化控 制领域，w o 心l p 适用于过程控制，而l o n w o r k s 总线可以在各行业中应用。 用户要根据本行业的需求和特点选择。 在西方国家，现场总线广泛应用在过程控制、机械设备控制、立体仓库、 智能楼宇等方面。国内现场总线的应用起步较晚，但目前也获得了很大的发 展已经在国内的一些工业企业、交通工具、智能楼宇中得到了广泛的应用， 并取得了很好的经济效益。 2 3 2c a n 总线通信模型及其性能 c a n 全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ”( 即控制器局域网) ，由于c a n 技 术应用的普遍推广，导致了要求c a n 协议的标准化，目前c a n 技术规范包括 a 和b 两个部分。由于c a n 总线是一种小规模的面向工业现场和恶劣环境的 现场总线通信系统，并且强调低成本和高可靠性，因此按照o s i 模型，它只采 用了数据链路层和物理层，其中数据链路层又分为逻辑链路控制子层( l l c ) 和媒体访问控制子层( m a c ) ，物理层按照i e e e s 0 2 3 l a n 标准规范构造【2 ”。 c a n 总线是一种多主方式的串行通讯总线基本设计规范要求有高位速 略尔滨埋工人学工学硕j ：学位论文 率，高抗电磁干扰性而且能够检测出产生的任何错误，c a n 总线能够使用多 种物理介质，例如双绞线、光纤等，最常用的就是双绞线。信号使用差分电压 传送，两条信号线被称为“c a nh ”和“c a nl ”，静态时均是2 5 v 左右， 此时状态表示为逻辑“1 ”，即“隐性”位。用c a nh 比c a nl 高表示逻辑 “0 ”，即“显性”位，此时通常电压值为：c a nt - i - - 3 5 v 和c a nl = i 5 v 。 c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备 的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之 一，c a n 总线的优越特性主要表现在【2 5 】： 1 赢性价比； 2 高总线利用率； 3 优先级枧制，实时性好； 4 数据传输距离长1 0k m ( 速率5 k b p s 以下) ，数据传输速度快i m b p s ( 此时 通信距离最长为4 0 m ) ； 5 连接节点多，目前最多可达1 1 0 个； 6 根据报文的标识符( i d ) 决定接受或屏蔽该报文； 7 可靠的错误处理和检错机制； 8 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能； 9 发送的信息遭破坏时具有自动重发功能： 1 0 采用短帧结构，传输时间短、受干扰概率低，保证了数据出错率极低。 2 3 3c a n 总线节点间的通信过程 每个c a n 总线节点内都有一个总线通信控制器( 例如8 2 c 2 0 0 ) ，在通信系 统开始工作之前，首先要初始化每个节点的通信控制器，初始化的内容包括： 设置通信控制器的接收码和接收屏蔽码，因为只有接收码和接收屏蔽码相吻合 的节点才可以相互通信：设置波特率在一个通信系统中所有节点必须具有相 同的波特率；设置工作方式，一般工作方式包括：时钟输出方式、正常输出方 式、双相位输出方式和测试输出方式；设置各种硬件中断。每个节点都完成这 四个步骤的初始化后，这个系统才可以正常工作1 2 6 】。 c a n 总线通信系统的数据传输和数据接收的过程如下：每个发送节点的 通信控制器在自己的数据缓冲区内写入数据。这些数据包括标识符、数据长度 位以及等待发送的数据，然后，该发送节点设置自己的状态寄存器从而把这些 数据发送出去：当每个接收数据的节点正确接收到数据后，这些数据就被通信 哈尔滨理工大学工学砸上学位论文 控制器送入接收数据缓冲区，同时如果用户在初始化时已经开放中断，则该 接收节点的通信控制器的接收中断即可发出一个中断信号，得到信号后，该通 信控制器即可进入中断处理程序，在中断处理程序中，首先要读一下中断寄存 器才能复位，然后用户可以根据自己要求处理接收数据缓冲区中的数据，最后 要清空接收数据缓冲区。 另外，节点之间还可以进行主从式通信，即某一个节点可以为主节点，另 一个节点为从节点，当主节点需要得到从节点的数据时，它可以给从节点发一 个远程帧，从节点接收到主节点发送的远程帧后，立即对主节点做出应答。 2 4 数据库m i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 4 1m i c r o s o f ts q ls e r v e r 简介 数据库技术是信息技术的一个重要部分，它先后经历了人工管理阶段、文 件管理阶段和数据库管理三个阶段。数据模型是描述记录问联系的数据结构形 式，在数据库发展历史上，主要有三种数据模型：层次模型、网状模型、关系 模型，现在大多数数据库管理系统都是使用关系型的数据模型，m i c r o s o f ts q l s e r v e r 就是一个相当不错的关系型数据库管理系统，虽然出现的较晚，但是现 在已经和o r a c l e 、i b m 、s y b a s e 等公司菇同占据着数据库管理系统的市场。 m i c r o s o f ts q l s e r v e r 2 0 0 0 是微软公司继s q ls e r v e r7 0 之后最新推出的， 它在扩展7 0 版本的基础上，增加了新的功能，由此成为大规模联机事务处理 ( o l l p ) 、数据仓库和电子商务应用程序的优秀数据库平台1 2 ”，可以满足各种 类型的用户和软件独立供应商的要求，m i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 0 是面向新世纪 的关系型数据库，用户越来越多，成为越来越广泛的数据仓库解决方案。 2 ，4 2 s q l 查询基础 s q l 是一种数据库查询和编程语言，其全称是s t r u c t u r eq u e r yl a n g u a g e ， 即结构化查询语言，它是对数据库中的数据进行组织、管理和检索的工具，主 要由以下四个关键字来实现： i n s e r t ：向数据库中插入新数据行； d e l e t e ：从数据表中删除数据行； u p d a t e ：刷新数据表中的数据； 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 s e l e c t ：从数据表中检索数据行和列： 数据库应用程序执行的过程实际上就是一系列s q l 查询语句执行过程，应 用程序用来指定或生成查询的方式和查询的内容，a d o ( 或b d e ) 实现应用程序 与数据库的连接：它的命令行对象( c o m m a n d ) 传递并执行查询语句，用数据集 对象( r e c o r d s e t ) 代表返回的查询结果。 以下是一个基本的查询语句( s e l e c t ) 语法： s e l e c t 【p r e d i c a t e j t a b l e * t a b l e 】f i e l d l a sa l i a s l ， t a b l e f i e l d 2 a sa l i a s 2 ，】 f r o mt a b l e e x p r e s s i o n 】【i ne x t e m a l d a t a b a s e w h e r e g r o u pb y 】 h a v i n g 】 o r d e rb y 】 m t h o w n e r a c c e s so p t i o n 各符号的详细说明可参见参考文献2 7 。 2 5 本章小结 本章在充分调研的基础上，提出了数控加工网络化与d n c 集成操作系统 所涉及的关键技术，包括：面向对象程序设计方法、数据库基础知识、计算机 网络技术及现场总线技术。从本课题需求的角度，分析了相关技术的发展情 况、特点、在本课题中能实现的功能、本课题对这些技术的要求等，并简要介 绍了这些关键技术的实现方法，为以后的开发工作打下了很好的基础。 哈尔滨理工火学工学硕士学位论文 第3 章数控加工网络化及d n c 集成系统分析 3 1 系统的主要功能 数控加工网络化及d n c 集成系统的长远目标是实现车间信息的集成管理， 并实现数据通畅传输，实现d n c 通讯系统只是底层基础。d n c 通信系统是与车 间生产管理中信息通讯系统的一部分，在现有数据库和数据传输系统的基础上 建立远程自动化加工系统，研制出适合异构型数控设备的集成系统，能实现计 划输入、任务分配、工艺信息文件处理、车间服务器与d n c 主机以及d n c 主机 与数控机床的双向通讯。 数控加工网络化操作系统需要集成的信息包括：向上与公司层计算机( 或 其它企业服务器) 交互信息；向下与加工设各双向传送信息。其主要功能包 括： 1 d n c 主计算机通过车间服务器直接与外部企业相连，作为一个独立的制 造单元与外界交换信息，如发布本制造单元加工信息网页，从网上下载、上传 数控程序等。为了确保数控加工程序的正确性，可以利用仿真加工软件进行验 证。 2 d n c 主计算机可以通过车间服务器与本企业的c a d c a m 计算机相连， 并且通过本机操作平台应用软件下载本企业的生产任务及数据加工程序等信 息，并可以通过车间服务器上传信息。 一3 操作软件能够根据各个数控设备的情况，分配加工任务，通过调用相应 的通信模块，将n c 加工程序分配给数控机床或加工中心；可以采集、接收设 备层的各种信号，并自动反馈控制信息；在屏幕上显示所申请的程序名、申请 程序的机床号及正传送的程序内容和字节数，可对系统的配置参数进行修改； 在无申请时，可进行通信日志管理或n c 程序管理。 4 在原有数据库系统基础上，实现生产计划、生产任务、工艺文件、n c 程序和加工设备的管理。对数据库中信息具有录入，查询、修改、插入和生成 自动报表功能，具有一定的数据处理能力。 5 具有通信竞争处理功能。由于d n c 主机同时控制多台数控机床，因此通 信竞争不可避免，结合c a n 总线通信竞争位仲裁的特点，应用d n c 通信竞争优 化调度模型及算法，实现通信资源优化管理，系统动态配置，完成n c 程序的 哈尔滨理工人学工学硕j 二学位论文 分配，保证实时性及可靠性。 6 系统具有一定的安全管理机制。用户具有不同的操作权限，由数据库统 一管理用户；登记申请程序韵机床号、申请程序的名称、时间及传递程序的状 态，并可输出每天的报表或查询。 7 系统界面直观，具有易操作性并提供一定的帮助功能。 3 2 数控加工网络化及d n c 集成系统的特点 “集成”是数控加工网络化及d n c 集成系统区别于传统d n c 系统最主要 的特征1 2 8 肛，因此，应充分考虑“集成”的特点与要求。d n c 系统的“集成” 主要体现在：首先，d n c 系统的集成不仅是设备的集成，也是功能的集成，信 息的集成，控制与管理的集成，是一种“广义的集成”。其次，d n c 系统的集 成可以是车间内不同品牌、不同协议的智能设备之间的集成，也可以是不同车 间、不同系统之间的集成，甚至是厂内与厂外或远程设备之间的集成，即是一 种“开放式的集成”。最后，d n c 系统的集成