（电气工程专业论文）数控机床联网系统技术开发.pdf

北京交通大学硕士论文 摘要 本文以数控机床作为中间层较系统地研究了数控机床联网组织结构特点，n c 程序控制工作流程以及d n c 计算机与数控机床通信的具体过程，并分析了系统实 现的关键技术。 研究结果表明，数控机床联网系统形成过程可分为三个阶段：( 1 ) 联网机床布 局布线及接口设置；( 2 ) 机床联网系统调试：( 3 ) 机床联网系统管理及应用。整个机 床联网系统受控于中央服务器。根据机床联网的组织结构特点，联网可分成三个 形式：( 1 ) 点到点式；( 2 ) 现场总线式；( 3 ) 局域网式。所采用联网形式取决于所联数 控机床的数量、通讯距离的长短和通讯速率的高低等因素。机床联网通讯和管理 对机床联网系统成功应用具有重要影响，试验获得的最佳通讯方式为串行通讯， 数据通信功能实现主要依赖于串口的连接，各数控机床通信协议的不同，使得各 设备间的串口连接方式也就不同。数控机床管理网络实现客户朋匮务器货箱类似的 管理方式，既所有机床端的数据传输工作均可由操作工在数控机床端进行操作， 计算机作为数据存储服务器实现自动化管理。操作： 可在数控机床端访问计算机。 分析数控机床联网的各种基本形式及其特点，确定适合长客股份公司生产工 况的最佳机床联网控制方案。根据我厂数控机床的现状，分析并提出了车问现场 布线、各种接口设置、程序设置等关键技术。通过实施数控机床联网，将数控程 序、数控系统参数以及p l c 程序( a s c i i 代码文件) 都备份到计算机中，从而保护 了系统资源；通过网络传输程序，既保证了数据的准确性又大大地提高了工作效 率，并且通过d n c 控制，解决了部分系统内存太小的数控机床不能执行较大的数 控程序的问题；通过将h u b 连接到上位c a d 网，使c a d 网中的任意一台计算机均 可以根据权限管理任意一台数控机床，从而实现c a d c a m 设计和数控加工整个过 程的计算机管理。完成程序通讯、设备管理、程序编辑、仿真以及程序的数据库 管理、人员权限设定等功能，能够实现高效、安全生产与管理，并实现设备网络 化、程序管理科学化。 关键词：数控机床联网通讯管理 北京交通大学硕：b 论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l er e s e a r c h e d s y s t e m i c a l l y t h eo r g a n i z a t i o ns t r u c t u r e f e a t u r e sf o rn u m e r i c a lc o n t r 0 1m a c h i n et o o l sn e t w o r k 。n cp r o g r a mc o n t r o l p r o c e d u r e ，m a t e r i a l c o m u n i c a t i o nc o u r s eb e t w e e nd n c c o m d u t e ra n d n u m e r i c a lm a c h i n et o o l s ，a n da n a l y z e dt h ek e yt e c h n o l o g yt or e a l i z et h i s s y s t e m ，w h i c ht h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l sw e r er e g a r d e da sm i d d l e 1 a y e r t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w e dt h a tf o r m i n gc o u r s ef o rn u m e r i c a lc o n t r o l i i l a c h i n et o o l sn e t w o r kc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep h r a s e s ： ( 1 )t h el a y o u t ， w i r i n g i n t e r f a c es e t u pf o rm a c h i n et 0 0 1 sn e t w o r k ：( 2 ) t h ec o 咖i s s i o n i n g f o rm a c h i n et o o l sn e t w o r ks y s t e m ： ( 3 )t h em a n a g e m e n ta n da p p l i c a t i o nf o r m a c h i n en e t w o r ks y s t e m t h ec o m p l e t em a c h i n et o o l sn e t w o r ks y s t e i s c o n t r o l l e db yc e n t r a ls e r v e r t h en e t w o r kc a nb es e p a r a t e di n t ot h r e ef o r m s b a s e do nt h ef e a t u r e s o ft h eo r g a n i z a t i o ns t r u c t u r ef o rm a c h i n et o o l s n e t w o r k ：( 1 ) f r o mp o i n tt op o i n t ：( 2 ) g e n e r a ll i n ei ns p o t ：( 3 ) l o c a la r e a n e t w o r k t h en e t w o r kf o m sc a nb ea d o p t e dd e p e n d i n go nt h en u m b e r o f n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l sc o n n e c t e d c o 姗u n i c a t i o nd i s t a n c e c o 唧u n i c a t i o ns p e e dr a t ee t c t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o n0 fm a c h i n et o o l s n e t w o r ks y s t e mi sa f f e c t e ds t r i c t l yb yi t sc o m m u n i c a t i o na n dm a n a g e m e n t ， t h eo p t i m u mc o 脚u n i c a t i o nm e t h o da c h i e v e db yt e s ti ss e r i a lc o 姗u n i c a t i o n ， t h er e a l i z i n go f d a t ac 0 i m u n i c a t i o nf u n c t i o ni sm a i n l yb a s e do nt h e c o n n e c t i o no fs e r i a li n t e r f a c e s t h ec o 玎u n i c a t i o nd r o t o c o l sb e t w e e n n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l sa r ed i f f e r e n tw h i c hb r i n g sd i f f e r e n ts e r i a l i n t e r f a c ec o n n e c t i o nm e t h o db e t w e e ne q u i p m e n t s t h em a n a g e m e n tn e t w o r kf o r n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l sc a nr e a l i z et h em a n a g e m e n t1 1 1 e t h o ds o m e t h i n g l i k ec l i e n t s e r v e rc a s e s ， n a 皿e l y ， a 1 1 t h ed a t at r a n s m i s s i o na te n do f m a c h i n et o o l sc a nb eo p e r a t e db yo p e r a t o ra tt h ee n do fn u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n et o o l s ，t h ec o m p u t e rr e g a r d e da sd a t as t o r a g es e v e rc a nr e a l i z e a u t o m a t i cm a n a g e m e n t t h eo p e r a t o rc a nv i s i tc o m p u t e ra tt h ee n do f n u m e r i c a lc o n t r 0 1m a c h i n et o o l s i no r d e rt oa s c e t a i nt h eo p t i m a lm a c h i n et o o ln e t w o r kc o n t r o lm e t h o dw h i c h m e e t st h ep r o d u c t i o ns i t u a t i o no fc r c ，w e 咖s ta n a l y z ea 1 1k i n d so fb a s i c f o r m sa n dp r o p e r t i e so fc nm a c h i n et o o ln e t w o r k b a s e do nt h ec nm a c h i n e t o o ls t a t u so fc r c ， a n a l y z e da n dp u tf o r w a r da 1 1k i n d sk e yt e c h n o l o g ys u c h a s w o r k s h o ps p o tp i p e li n e ，a l lk i n d si n t e r f a c e ss e t u pa n dp r o g r a ms e t u p e t c t h r o u g hi m p l e m e n t a t i o nc nm a c h i n et o o ln e t w o r k ，c np r o g r a i i l ，c ns y s t e m p a r a m e t e ra n dp l c ( a s c i ic o d ed o c u m e n t s ) a r ec o p i e di nc o m p u t e r ，t h es y s t e n r e s o u r c e sa r e p r o t e c t e da c c o r d i n g l y ：t h r o u g h n e t w o r kt r a n s m i s s i o n p r o g r 砌，n o to n l yd a t aa c c u r a c yi se n s u r e db u ta l s ow o r ke f f i c i e n c yi s e n h a n c e d ， a n db a s e do nd n cc o n t r o l ， s e t t l e dt h ei s s u et h a tp a r t i a lc n m a c h i n et o o le m sm e m o r yi st o os m a l lt oi m p l e m e n tb i g g e rc np r o g r a m ；t h r o u g h h u bc o n n e c t e dt ot h eu p p e r ( ：a dn e t w o r k ，a n yc o m p u t e rb e l o n g i n gt oc a d n e t w o r k i i c a nm a n a g ea n yc nm a c h i n et o o lb a s e do na u t h o r i t y ，a c c o r d i n g l y ，( 、a d c a m d e s i g na n do v e r a l lp r o c e d u r eo fc nm a c h i n i n ga r em a n a g e db yc o m p u t e r b e c a u s ep r o g r 踟t e l e c o 姗u n i c a t i o n ，f a c i l i t ym a n a g e m e n t ，p r o g r a m c o m p i l a t i o n ，e m l u a t o r p r o g r a ma r e a u t h o r i t i e sa r es e t u p ，e f f e c t i v ea n d m a n a g e db y d a t a b a s ea n dp e r s o n e l s a f ep r o d u c t i o n m a n a g e m e n te n a b l e r e a l i z e 。f u r t h e r m o r e ，f a c i li t i e sm a n a g e m e n to n li n ea n ds c i e n t i f i cp r o g r 鲫 m a n a g e m e n ta l s oe n a b l er e a l i z e k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r 0 1m a c h i n et 0 0 1 s n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n m a n a g e m e n t i i i 北京交通大学硕士论文 1 、绪论 1 1 本课题的研究背景与意义 近年来，随着计算机技术、通讯技术和数控技术的发展以及制造自动化的需 要，机床联网技术得到越来越广泛的应用。目前，以c “s 为代表的企业信息化 理念已经受到越来越多的重视，机床联网也逐渐由单一的程序传输演变为集数据 管理、生产信息监控等功能的扩展系统，成为c d 江s 集成的关键一环。并且随着 c a d c a m 系统新技术新概念的引用，m i s 系统，e r p 系统的不断引进，车问底层的 信息集成是重中之重。 我厂拥有相当数量的数控机床，这些数控机床或加工中心投资巨大，但由于 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，造成这些昂贵的设备得不到充分利用，甚至闲置， 使企业的投资回报率较低。这些设备大多处于单机运行状态，随着计算机网络和 通讯技术的发展以及制造自动化的需要，单台数控设备联网运行的要求越来越迫 切。如果采用数控设备网络系统集成，不仅可以提高数控设备的利用率，而且对 促进诸如敏捷制造等先进的管理制造模式在我厂的具体实践，对顺利完成今后面 临的多品种、小批量和高档车的生产具有重要意义。 随着大量数控机床的普及应用，长期以来大多采取操作人员在机床操作面板 上手工输入n c 程序的方式工作，这种方式机械而烦琐，出错几率较大，工作效率 低。虽然近年来采用了计算机进行通信，但所用的通信程序是基于d o s ，晰n d o w s 操作系统的单机通信程序，必须在机床端和p c 机端交替操作才能完成通信，浪费 很多时间，不利于提高工作效率，且通信距离十分有限，大大限制了零件的转移 加工。并且频繁的热插热拔容易烧坏机床接口，给操作带来许多不便。 部分老的数控系统，内存空间有限，程序一多，机床的内存空间就不够了， 大量的加工程序不得不进行反复的删除和键入，频繁重复的零件准备工作浪费了 大量的工作时间，直接影响到数控机床的效率，加工程序反复编制也影响了程序 的稳定性。 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，对于拥有多台数控机床的用户，其单台 机床与外界计算机或不同数控机床之间的信息交流很少，数控n c 程序与机床之间 的交换，由最初的纸带阅读机，进而发展到利用软盘驱动器的储存在软盘上的n c 程序输入计算机。最新的发展是由外接计算机与数控机床通过r s 一2 3 2 c 串行口直 接连接，直接进行n c 程序的快速，准确的传输，并且外接计算机可与多台具有相 同的或者不同控制系统的数控机床相连接，进行信息共享，并能管理多台机床组 绪论 成的数控工段内的生产过程中的信息，以减少生产准备，尤其是数控n c 程序的准 备时问。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，从单机使用到计算机集成管理是生产加工业技术发展的方 向。 本课题研究的主要目的是，研究数控机床联网技术的理论及方案，实现数控 机床集中控制管理。它对于：# 富数控机床联网基本理论，促进低层网络进一步推 广应用具有重要意义。当今，数控机床己成为工厂主要的生产设备，本课题对提 高设备利用率也具有重要意义。 1 2 数控机床联网国内外研究进展 机床联网研究开始于本世纪六十年代。它指的是将若干台数控设备直接连接 在一台中央计算机上，由中央计算机负责n c 程序的管理和传送。当时的研究目的 主要是为了解决早期数控设各( n c ) 囚使用纸带输入数控加工程序而引起的一系列 问题和早期数控设备的高计算成本等问题。 七十年代以后，随着c n c 技术的不断发展，数控系统的存贮容量和计算速度 都大为提高，机床联网不但具有直接数字控制的所有功能，而且具有系统信息收 集、系统状态监视以及系统控制等功能。 八十年代以后，随着计算机技术、通讯技术和c i m s 技术的发展，机床联网的 内涵和功能不断扩大，与六、七十年代的机床联网相比已有很大区别，它开始着 眼于车问的信息集成，针对车间的生产计划，技术准备，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，提高生产率，又节省了成本。 1 9 8 7 年美国计算机集成制造公司副总裁d l f i r n l 提出的“b m a ds c o p e d n c ”，认为在c i m 的推动下，机床联网已不仅仅作为编程系统( d n c 主机) 和 c n c 机床的一种连接方式，而是可扩充到支持车问级数据的人工采集( 通过键盘 录入) 、半自动采集( 使用条形码) 和全自动采集( 通过全闭环系统的离散信号 采集) 。1 9 9 0 年南京航空航天大学方水良博士提出的“柔性d n c ”( f d n c ，f 1 e x i b i e d n c ) ，认为随着d n c 的不断发展，d n c 系统与f m s 系统的界限越来越模糊，d n c 己成为f m s 必不可少的一部分，并将d n c 系统用作f m s 的通信和控制模块。 1 9 9 8 年重庆大学张旭梅博士提出“集成d n c ”( i d n c ，i n c e g r a t e dd n c ) ，强 调“扩展d n c 的管理功能和与d n c 系统外的信息集成”。笔者将其定义为：“集 成d n c 是现代化机址加工车i 日j 的一种运行投式。它以数控技术、通讯技术、计算 机技术和网络技术等先进技术为基础，把与制造过程有关的设备( 如敛控机床等) 与一f ：层控制计算仉集成起来，从而实现制造乍问制造设备的集中控制管理以及制 北京交通大学硕：f ：论文 造设备之间、制造设备与上层计算机之问的信息交换”。d n c 集成的模式可根据 车问的规模大小不同，构成不同的结构层次，有( a ) 工作站层和设备层2 层控制结 构，( b ) 车间层、工作站层和设备层3 层控毒j 结构，( c ) 车间层、单元层、工作站层 和设备层4 层控制结构，( d ) 跨车间控制结构。 田内始于7 0 年代在机床联网方面进行研究，有一定影响的单位是北京机床研 究所、清华大学、重庆大学、南京航空航天大学、中科院自动化研究所、北京航 空航天大学、西安交通大学、西北工业大学、长春五五研究所等。 口外机床联网技术的发展方向主要表现在d n c 与c d 以s 的集成、d n c 系统的 模块化和商品化、基于现场总线和计算机局域网的d n c 产品丌发以及d n c 产品与 数控系统的配套开发与生产等方面。我国由于起步较晚，有关d n c 的研究与欧荚 日等目相比，还有较大的差距。除以上发展方向外，现有d n c 系统只能集成一种 或有限的两三种数控系统，在一定程度上限止了机床联网系统的推广应用。 1 3 数控设备联网研究现状 数控机床联网的基本功能足下传h c 程序。随着技术的发展，现代联网还具有 制造数据传送( n c 程序上传、n c 程序校正文件下传、刀具指令下传、托盘零点值 下传、机器人程序下传、工作站操作指令下传等) 、状态数据采集( 机床状态、刀 具信息和托盘信息等) 、刀具管理、生产调度、生产监控、单元控制c a d c a p p c a m 接口等功能。 目前，关于数控机床联网技术的研究，主要集中在以下几个方面：( i ) d n c 接 口技术研究，其通讯功能主要有下传c 程序：上传n c 程序；系统状态采集和远 程控制。国外各大数控公司都非常重视专用d n c 通讯接口软硬件的研究。如日本 的f a n u c 公司研究了两种接口：d n c l 和阱c 2 。( 2 ) d n c 结构和d n c 通讯结构研 究，d n c 结构是指d n c 主机与数控系统的接口形式，而d n c 通讯结构则指d n c 主 机与数控系统的通讯拓扑结构。( 3 ) d n c 通讯技术研究，d n c 主机与上层控制计 算机的通讯以前主要足串行通讯，随着网络技术的发展，现在主要采用计算机局 域网技术。这部分的技术发展与网络技术的发展密切相关，主要有以太网( e t h e m e t ) 和m a p 3 0 等。( 4 ) d n c 应用系统研究，d n c 应用系统一直是各国研究的重点。最 早的d n c 系统是美国1 9 6 8 年研传j 成功的0 m n i c o n t r o l 系统和同本19 7 0 年研 制成功的c o m p u t r o l 一4 5 系统。目前国外典型的d n c 系统主要有关曰a u t o f i 】a t i o n i n t e l l i g e n c e 公司n u m e r i d e xc a m 分部的s h o p n e t d n c 系统、关口波音公司军机 分部配置的c i m l i n i c s 的d ? i c 系统、f i 本f a x u c 公司9 0 年代推出的d n c l 和d n c 2 系统。 绪论 1 4 本文主要研究内容 本论文研究内容为长春轨道客车股份公司“科技开发”项目数控机床联网 控制研究的一部分，其主要内容为： 1 4 1 分析数控机床联网的各种基本形式及其特点，确定适合我厂生产工况的 最佳机床联网控制方案。 1 4 2 最佳联网方案确定后的实施，根据我厂数控机床的现状，分析并提出了 车| 日】现场布线、各种接口设置、程序设置等关键技术。 l f4 3 数控机床联网后的系统管理及应用技术。网络系统可完成程序通讯、设 备管理、程序编辑、仿真以及程序的数据库管理、人员权限设定等功能，能够实 现高效、安全生产与管理，并实现设备网络化、程序管理科学化。 北京交通大学硕士论文 数控机床联网通信理论分析 2 1 数控机床具备联网功能 现代c n c 装景都带有标准串行通信接口，能够方便地与编程机及微型计算机 相连，进行点对点通信，实现零件程序、参数的传送。随着工厂自动化( f a ) 和现 代集成制造系统( c 讧s ) 的发展，c n c 装置作为分布式数控系统( d n c ) 及柔性制造 系统( f m s ) 的基础组成部分，都具有与d n c 计算机或上级主计算机直接通信功能或 网络通信功能。例如，f 州u c l 5 系列的c n c 装置配有专用通信处理机和r s 一4 2 2 接 口，并具有远距离缓冲功能。当采用+ h d l c ( 高级数据链路控制) 协议时，传送速率 可达9 2 0 k b ，s 。该系列c n c 装置还配置m a p 3 o 接口扳，接入m a p 工业局部网络中。 s i n u m 喇k 8 5 0 8 8 0 系列的c n c 装置，除了配置r s 2 3 2 c 接口外，还配置了s i n e c h l 网络接口和s i n e c h 2 接口。s i n e c h 】网络类似e 伯e m e t ( 以太网) ，遵循匿e e 8 0 2 3 协议。s i n e c h 2 网络遵循m a p 3 0 协议( 与i e e e 8 0 2 4 相符合) 。 2 2 数控机床数字通信结构 在现代制造系统或各加工单元之间进行数据通信时，要通过有关通信设备和 传输媒体交换信息。而这些通信设备和传输媒体构成了连接各加工设备的数据通 信系统，从数据通信的角度出发其结构如下图2 + 1 所示。 、。、r 一、。、+ 一、7 、r 一、。、一 d t d c d c d t e 图2 1 数据通信系统的一般结构 c h a r t2 1g e n e r a ls t r u c t u r eo fd a t at e l e c o 哪u n i c a t i o ns y s t e m a p 为应用程序；- _ 表示逻辑通信；一表示物理通信 a pi sa p p l i c a t i o np r o g r a m ： 一i m p l i e sl o g i c t e l e c 伽町l 坩i c a t i o n ；一i m p n e sp h y s i c a lt e l e c o 舢u n j c a t i o n 图2 1 中的a 和b 表示进行通信的双方，a p 表示进行通信的应用程序( 如数据 系统中的通信功能子程序) 。例如制造单元计算枧a 将控制信息和数据加工程序送 往数据系统b ，在数据系统b 进行加工的过程中，再将有关的加工状态和过程传送给 数控机房：默网通信理论分析 维j 造单元计算机a 。这个双通信的过程用图中虚线来表示，即逻辑上的通信。而实际 上双方之问的通信要经过有关的通信装置和通信信道( 即通信线路) 才能完成。 图2 1 中发送、接受信息的篷j 造单元计算机和数据系统在通信系统中我们称之 为数据终端设备d t e ( d a t a t 锄i n a le q u i p m e n t ) 。d t e 是时信息进行收集和处理的设 备，它们是信源( 信息的发送端) 或信宿( 接收信息的一端) 或两者兼有，例如一台 计算机、终端或制造系统中进行通信的菜个设备。 在通信过程中要通过信号变换器将准备传输的数据( 即标准的二进制代码信 号) 转换为适合信道传输的信号。在通信系统中，将信号变换器等类似的装置称为 数据电路终接设备d c e ( d a t ac i r c u i t t e n n i n a t i n ge q u i p m e n t ) 或数据通信设备( d a t a c o m m u n i c a t i o ne qu i p m e n t ) ，它们作为d t e 和通信信道的连接点。例如，在远距离 传输时，可将二进制脉冲信号通过调制解调器m o d e m ( m o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n ) 转换( 调制) 为音频载波信号后再送到信道上，在接收端，再将接收到的音频载波 信譬通过m o d e m 转换( 解调) 为原数据的脉冲序列。 有了上述概念，图2 1 中数据通信系统的通信过程( 以a 到b 的通信为例) 可以 理解为：a 地的d t e 作为信源发出信息，经本地连接( 如r s 一2 3 2 c 接口) 到d c e ， 将数据转换为适合信道传输的信号，再通过通信信道传输到b 地的d c e ，并转换 为原来的数字信号，经本地连接最后传输到b 地的信宿d t e ，完成一次通信任务。 2 3 数据传输方式 基本的数据通信方式有两种，并行通信方式和串行通信方式。在并行通信方 式中，每一位传输数据同时传送，但当距离较远、位数又多时，导致了通信线路 复杂且成本高。而在串行通信方式中，数据一位接一位顺序传送。其特点是通信 线路简单，只要一对传输线就可以实现通信，并可利用电话线，从而大大地降低 了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度慢。并行传送的突出优点是速度快、 效率高。但是在计算机控制的集散系统中，通信的距离较远，采用并行传送方式 将导致网络硬件复杂、投资昂贵，为此当今的数控设备联网通讯方式，一般都采 用串行传送方式。 串行通信方式分类：分为异步通信与同步通信两种。 2 3 1 异步方式 异步通信是指通信中两个字符间时间间隔是不固定的。一组数据一般由多个 字符组成，而一个字符又由若干位数码所组成。一个字符称为一帧。在异步通信 联络方式中，放掘被分为一帧帧地传送。其每帧的格j 如下图所示。除了有效数 掘位外，加了一位“o ”电平起始位、一位奇偶校验位和一位“l ”电平终止位。 其中起始位硇：一组有效数掘的前面，有效数据的后面是奇偶饺验位，最后一位是 终止位，它们作为异步通信地址的联络信号。 北京交通大学硕士论文 异步通信的主要优点是灵活性好，不需要专门的同步时钟控制，便于处理实 时性强的串行数据。缺点是速率低，仅适宜于中低速传送。c n c 系统的串行通信一 般采用异步通信。 起雌靴位 奇偶位 图2 2 异步通信联络格式示意图 c h a r t2 2s k e t c hm a pf o ra s y n c h r o n o u sc o 栅u n i c a t i o n t w o r kf o r a t 2 3 2 同步方式 同步通信是指在通信过程中每个字符间的时间间隔是相等的，而每个字符中 的两个相邻位代码的时间间隔也是固定的，它适用于信息量大的远程通信系统。 同步通信联络的传送方式如下图所示。 在数据块前面设置共同规定的同步字符“s y n 字符1 ”和“s y n 字符2 ”。同 步通信方式要求发送和接收的两站用同步时钟保证其两站工作同步。 一般来说，当进行数据块的串行传送时，采用同步联络方式。这样可以节省 大量的起始位、终止位所需要的时间，大大提高了数据传送速率；其缺点是需用 同步脉冲协调，因而灵活性较差。 鉴于工业现场的集墼型丕笙盟塞盟丝要壅弦高：国面垄旦星垄查式a 怨i 幺二z ， # 矩 图2 3 同步通信联络格式示意图 c h a r t2 3s k e t c hm a pf o rs y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o r m a t t h e o r ya n a l y s isf o rc nm a c h i n en e t w o r kc o 嗍u n j c a t i o n 垩 口illl 祀一 忡j f 1 l p 、u ri 口r；-il一 铷一l一 州、一 _二。一 数控机床联网通信理论分析 2 4 数据传输原理 串行通信一般要涉及两个问题： 4 1 计算机发送信息时，必须将并行数据转换成串行数据( 拆字) ； 4 2 计算机接收信息时，必须将串行数据转换成并行数据( 拼字) 。 拆字与拼字离不开移位寄存器的支持。拆字与拼字的过程便是数据通信。移 位寄存器的拆字与拼字功能如下图所示。 1 湫谓船滞叫籼 北京交通大学碾士论文 3 、数控机床联网结构 通过一个开放的适合于企业活动的异构数控系统网络集成，才能完成动态控 制和管理的各功能分系统的互连，实现信息传输和交流，使互连系统共享工程资 源、数据库和存储空间。 3 1 网络结构特点 该网络是一种面向制造业，支持专用工业计算机网络系统。因此，有别于一 般商品化的计算机网络，它必须根据企业用户建网的目标、企业环境、可采用的 建网技术以及相关约束因素，进行专用网络系统的自行设计、组建和工程实施a 3 1 ，1 局域网是该网络的基本组成形式 该网络在一个企业单位内运行，它与企业的地理环境、区域大小以及设备配置位 置有关，通信距离短，一般可不经过公用交换网络而直接处于局域网控制之下运行a 3 1 2 局域子网的互连 该网络集成的分系统包括工程设计、胄4 造自动化、经营管理和质量保证等功 能不同的部门，各个分系统对通信要求不同，相应的通信协议、拓朴结构、存取 控制及网络介质都不可能一致，因而该网络必须建立在各种应用服务类型的局域 网上，而又必须是能同时满足企业各类数控机床互连通信要求的综合性网络。 3 1 3 对递阶控制系统的适应性 对于离散型动态系统的控制不宜采用高度集中( 或分散) 控制的结构。因此常 采用递阶控制的结构，其控制的功能有明显的层次性。下图为一般制造企业常见 的4 层结构和相应的数据流关系。该网络的子网和通信技术必须满足这种系统结 构层次上不同的特点，因而产生通信实时性和非实时要求并存的情况，其单元层 和设备层之间数据交换( 如上层对下层的作业计划、命令、n c 代码以及反向的反馈 状态信息) 要有很强的实时响应能力，而在工厂层咖r pi i 有及c a d c a p p c a m 环 境中的文件传递和数据库查询则无实时要求。 国l 【一 图3l 网络层次结构及数据流 c h a r t3 1n e t w o r ka d m i n i s t r a t i v el e v e l ss t r u c t u r ea n dd a t ac u r r e n t 9 数控机床联网结构 3 1 4 异构环境下的通信 企业实现数控系统联网是一个过程。企业的计算机应用一般是由单项应用向 系统集成发展，新系统总是建筑在原有设备基础上。为了实现网络所要求的生产 经营全过程一体化的信息高度集成，就必须对各分系统子系统所采用的异构设备 进行互连。从另一角度看，通信连网技术产品的竞争是长期存在的，难于统筹计 算机和通信连网接口所有类型。这样“异构”“异质”子网和通信接口互连的集 成是该网络的特点之一。 3 1 5 分区自治和统一运行 新设备和控制软件接入网络或因维修、保养而从网络上暂时分离设备的情况 是经常存在的，这时不应中断现行生产。该网络不论在运行状态或在维护状态都 应满足这一要求。此外，企业总是处于发展变化之中，对通信的要求会不断更新； 加之通信系统本身也在发展，新产品不断涌现，这就要求该网络具有相应的灵活 性和可扩展性。 3 1 6 开放陛 一个开放式的适合于工厂自动化和办公自动化的异构网络是可以把不同厂家 的各种设备集成起来，并提供互操作和集成管理的功能。实施网络开放性的主要 途径是遵循标准。 3 1 7 适应企业环境 一个制造型企业环境中存在工业电网和行车电源切换等各种干扰源，因此该 网络应有很强的抗干扰能力。 3 2 网络互连结构分析 3 2 1 以主机为中心的点一点的层次结构( 见图3 2 ) 在这种结构中，各类计算机设备基本上以点一点连接方式，分层逐级连向中央 主机。同层上的计算机设备的信息交换也需上层主机介入。这是一种早期的传统 式结构，主要适用于层内通信少而各层之间通信量大以及主机具有多终端的场合， 在各类计算机集散型控制和管理系统中曾被广泛采用。 工程设计蠹摄蛀理，调度和计划 幽3 2 以主机为中心的点一点的层次结构 c h a r t3 2h o s tc o m p u t e rc e n t r a li z e dp o i n t p o i n ts t r u c t u r e 北京交通大学硕士论文 3 2 2 多层异构子网互连结构( 见图3 3 ) 这是一种公认的典型网络系统结构。可根据网络的层次、应用服务对象和网 络运行环境的不同，分别采用具有不同结构但最适合本层连网需求的子网，如基 带e t h e r n e tt o p 子网、宽带令牌总线m a p 主干网以及各类现场总线i o 子网。同 层的各类计算机设备连接在各个子网上，各层子网通过桥路由器互连成一个多层 次的异构、异质的总线型子网的互连结构。其优点是适应网络的需求，可以反映 不同层次上计算机设备的连网的要求，并在单元子网系统之间进行有效的互连。 这种结构也有不足之处，如要增设桥路由器进行异质子网的互连，在一个单元控 制层间存在通信延迟，不利于实时性要求，甚至会造成总线堵塞现象；也不利于 应用虚拟单元控制技术。 工程设计数据处理调度和计划 i 网络管理，控翻计算机l 桥路由器髟纫 工厂单元级通信 翻 宽带主干网络 h a p ) i 申槲篡载遗带子固舳器i! 加工制造 图3 3 多层次异构总线型子网结构 c h a r t3 3m u l t i d l el a y e r si s 啪e r o u sg e n e r a ll i n e ss u b n e t w o r ks t r u c t u r e 3 2 3 集成型网络结构( 见图3 4 ) 这种结构中用一条高速共享介质和一种网络访问控制技术，来互连网络办公 自动化设备和工厂自动化控制设备，即将t o p 姒p 予网集成在单一的总线型网络 上。其优点体现在：网络系统结构简单，可省去桥路由器，便于引入虚拟单元控 制技术，提高了系统动态性能和柔性，因此，它是一种适合于中小企业实现的网 络结构方案。 数控机床联网结构 工程设计数据处理调度和计划 l 主计算机l截小型机lc a d 工作站1 1| 徽小型机网络管理控制计算机 办公室通信 装配j c 测试) 图3 4 集成型网络结构 c h a r t3 4i n t e g r a t e dn e t w o r ks t r u c t u r e 对于一个具体企业而言，在其选择网络系统互连结构方案时，应充分考虑本 企业具体的需求和特定的环境，其中包括网络结构的层次、组成子网的类型和互 连要求、选用的通信协议标准以及可获得的网络技术设备的支持条件等。 3 3 网络拓扑结构分析 网络的拓扑可以分为广播结构和点到点的顺序结构两类。 3 3 1 广播通信结构 在广播系统中，每个站点都要发送足够大的信号以到达所有其它站点。因此 需要大功率的收发设备，能容许很宽范围的信号电平。广播结构包括总线结构、 树形结构和具有非智能中心的星形结构，它们的结构形式如下图3 5 所示： # 黼 黜 圈3 5 广播通信网络的拓扑结构 c h a r t3 5t o p 0 1 0 9 ys t r u c t u r eo fb r o a d c a s tc 0 咖u n i c a t i o n t w o r k 北京交通大学硕士论文 3 3 2 点到点的川页序结构 网络中含有大量电缆或电话线，每一条连接一对网络站点，每个网络站点只 发送到另一个站点。如果不在同一段电缆两端的网络站点要通信时，只能通过网 络上的中间站点逐步存储一转发。其拓扑结构有：具有智能中心星形、环形、雪 花形、网形等。如下图3 6 所示： 星形结构 雪花形结构 环形结构 网形结构 图3 6 点一点网络的拓扑结构 c h a r t3 6t o p o l o g ys t r u c t u r ef o rp o i n t p o i n tn e t w o r k 网络的拓扑结构的形式是多样的，但较为常用的只有4 种，即为总线结构、 环形结构、星形结构和树形结构。如著名的以太网( e t h e m e t ) 就是总线结构网络。 3 3 3 几种拓扑结构比较 ( 1 ) 总线结构 这种结构采用称作“总线”的单根传输线作为传输介质。所有的站点都通过 相应的硬件接口连接到这根总线上。由于所有站点都共享总线，任何一个站点发 送的信号都沿总线传播，并且能被所有其它的站点接收，但是一次只能由一个站 点占用总线。由于数据通信的阵发性，因此总线一般都用分组形式传送数据。每 一分组包括目的地址和源地址的分组。由于各站点共用一条总线，因此通常需要 采用某种总线访问控制策略。 总线拓扑的优点如下：利用总线可以减少电缆长度，布线容易；可靠性高； 易于扩充；每个站点可充分利用总线的最高传输率。但是总线拓扑也有一些缺点 如：由于每个站点必须有能力以总线的最高速率收发数据，这使得企业不得不放 弃使用一些低速设备；每个站点必须在小于数据传输时川内识别出数据：为了使 数控机床联网结构 信号可以到达最远站点，要求每个站点配蜀大功能收发器或者配置中继器；此外， 总线的保密性能差，每个站点都能“看”到所有数据。 ( 2 ) 树形结构 整个网络分布成树状分 支结构，可连接许多分支。它与总线结构样，也属 于多点式广播网方式。树形结构还有它特有的优王奄点。其优点是故障隔离容易， 某一分枝或线路发生故障不会影响其它分支工作。但缺点也很显然，即旦“根 发生故障，全网鄙不能正常工作，因而在根上设备常常需增加相应