（机械制造及其自动化专业论文）面向车间的异构dnc集成控制系统的研究和应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文系统介绍了d n c 的相关技术及其发展现状，在分析和借鉴了车间控制 结构、现场总线技术、和国内外d n c 发展现状的基础上，建立了面向车间的异 构d n c 集成控制系统并开发了一套d n c 软件。本文重点论述了如何实现车间 数控设备的联网、d n c 主机与数控机床的通信以及d n c 软件的基本功能等关 键技术。 系统在硬件上采用r s 4 8 5 总线技术为支持，研究并实现了数控机床和d n c 主机之间的通讯模块。通讯共分为三层：物理层、数据链路层和应用层。物理 层参照r s 2 3 2 串行通信标准连接，数据链路层要针对不同机床的控制方式采用 不同的协议，应用层要根据不同的机床命令格式来写不同的函数。 在d n c 系统软件中，其d n c 主机和车间信息控制网络的信息通讯模块主 要是以t c p i p 协议为基础并结合了服务器客户机模型，采用m i c r o s o f l 的 w i n s o c k e t 来实现：其d n c 系统软件的信息管理模块中，采用m i c r o s o r 的a c c e s s 实现数据库的建立，结合v c + + 的0 d b c 数据库开发技术实现了对d n c 系统 的部分数据管理：其数控程序编译模块是以编译原理中的词法分析为主要手段， 实现数控程序的词法查错。 本课题的编程工作主要是在v c 环境下完成，并以三个典型机床：f r 3 m 数控铣床、高精密高速数控车床和激光加工机为例进行了验证，达到预期的效 果。本课题的研究为面向车间的异构d n c 集成控制奠定了坚实的基础。 关键词：d n c 技术，现场总线，网络通信，串行通信，数据库，词法分析 江苏大学硕士学位论文 a b s t 戳氅c t t h ec o f r e l a t i v et c c h n o l o 芷i e s 鞠莲斑es t a t u so fd n ea r ei l m 蛩d u e e di n 缓s 氇e s i s 。 b a s e do nt 1 1 ea n a l y s i so f d e v e l o p m e n t o f c o n t r o i l i n gs t r i j c t u r ei nw o r k s h o p ，f l e l d b u s t e c h n o i o g y a n dt h es t a t u so fd n ca th o m ea n da b r o a d ，t h ed n ei n t e 轳a t i v e c o n 扫o l l i n gs y s t e mi nw o f k s h o pi sp f o p o s e di nt h i sp 印e ra i l dad n cs o f 懈h a s b e e np r o g r a m m e d h o wt oc o 衄e c t 也en cm a c h i n e si nw o r k s h o p ，c o m m u n i c a t e 泌溆e e 建d n c 泌s c o 印u 把fa n dn e | 鞋鞋e h 矗撞sa n di m p l e m e 藏to fe o 髓n o 矬d n c m n c t i o n sh a v eb e e nd i s c u s s e dd e c p l yi nt h i s 也e s i s s u p 弦髓e db yr s 4 s 5b u s 把c 赫e l o g y 畦豫c 0 船n 秘i e 越i o 娃瓣娆臻e 幻s 毫 c o 埘【p u t e ra n dn c m a c h j n e si ss m d i e d t h ec o i l l ：【n u 堇1 i c a n o nc a l lb ed i v i d e di n t ot h r e e l a y e r s ：t h ep h y s i c a ll a y e r ，t h ed a t a l i 磕l a y e ra n dt h ea p p l i c 撕o nl a y e r t h ep h y s c a l l a y e rc o n n e c t sa c c o r d i n gt or s 2 3 2s t 跹d a r d ，t h ep r o 贼o la d o p t e di n 也ed a 扭l 址 l a y e ri s d e t e m l i n e db yt l l em a c h 赫eu s e d i nt l l e a p p l i c a t i o nl a y e r ，m em n c t i o n s s h o u l db e i 撒p l e m e n t o da c c o 穗巍g 协斑em a m 越o f m a c 艇粒。 b a s e do nt c p i pp r o t o c o la 1 1 dc ，sm o d e la n dl l s e db ys o c k e t st e c h n o l o g y ，也o e o 珏蕊糯i e a t 至o nm o 氐l e & 撤e 托羚n c 魏o s te o 热p 墩。f 戚i 洳舔雠e o 矗黝l l l n g n e 似o r ki nw o r k s h o ph a sb e e n i m p l e m e n t e d i ni n f b m a t i o nm a n a g e m e m m o d u l eo f d n cs o f h 张r es y s t e m ，s o m ei m p o f t a n td a t am a n a g e db ym i c r o s o 叠o 缳c ea c e e s s w i 也o p e nd a t 曲a s ec o n n e c t i v 姆u s i n gv c + 十t h ec o l p i l e r m o d u l eo fn c p r o g r a m c a nc o r r e c tm ee r r o r si np r o 铲蛳b y s y n t a c t i cp a r s i n g a l l 妇p 鳓g 潮a m i n g 踟嫩i s 妇瑶w i 耄 l v i s 渊c 抖t h ep f a c 垃捌d n cs y s t e m i s d e v e l o p e d t ot h r e en cm a c h i n e s i n c l u d i n g f & 3 mn cm i l l i n gm a c h i n e ， 羲i g h p 羚e i s i o 酸h 逗h s 弦e dn el 毫壤e 强dl 曩s e r 搬豳i n e 。t h 拳e x f i m e n t 基括氇e p u r p o s e w e l l 丁h er e s e a r c h 1 a y s a s t r o n g f o u n d a t l o nt om ed n ci n t e 铲a t i v e c o n 订o j l i n gs y s t e m o f w o r k s h o p 0 蛀e n t e d 。 麟yw o r d s ：d i s 瓴h 姆dn u n 侧c a lc o n 拄o l ，掇e l d b u s ，n e t w o r k m m u n i c a t i o n ，s e r i e sc o m m u n i c a t i o n ，d a t a b a s e ，s y n t a c t i c p a r s 魏g i l 学位论文版权使用授权书 s 2 3 0 2 8 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密回，在三年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名： i 1 构指导教师签名： 妒；年易月手日 豫凯 如弓年g 月乒日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其人个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 ，；和确 日期：印；年6 月争目 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着以信息技术为代表的高新技术在制造业的广泛应用，制造企业面临的竞 争日趋加剧，经受着比以往更为严峻的挑战【1 】。企业必须能适应品种更多、批量 更小、生命周期更短的产品生产要求，以最少的在制品量、库存量和最短的上市 时间提供价廉质优的产品。因此，为了在激烈的生产环境下赢得竞争优势，企业 必须不断地适应市场的变化，抛弃旧有系统的不足之处，变革和建立相应的生产 模式。 为适应现实及未来需要，国内外越来越重视制造企业生产系统的研究，提出 了许多先进的制造概念和生产系统，如计算机集成制造( c i m s ，c o m d u t e r i n t e g r a t e dm a l l u f a c t 嘶n gs y s t e m ) 、敏捷制造( a m ，a g i l em a n u t 谢n g ) 、精益 制造( l e a np r o d u c t i o n ) 、智能制造系统( i m s ，i m e l l i g e n tm a l l u t 曲n gs y s t e m ) 、 全球制造( g m ，g 1 0 b a l m a n u f a c t 嘶n g ) 、分散网络化制造( d n m ，d i s p e r s e d n e t w o r k m a l l u f a c t 嘶n g ) ，区域性网络化制造系统( r m s n ，r e g i o n a lm a l l u f a c t u r i n gs y s t e m b a s e do nn e t 、v o r k ) 等等【2 】【3 】【4 】。 其中，分布式数控系统( d n c ，d i s t r i b u t e dn 岫e r i c a lc o n 订0 1 ) 是组成计算 机集成制造系统的一个重要子系统，是负责数控机床底层通讯和相关车间制造信 息集成的模块。本课题的工作主要集中在面向车间的异构d n c 集成模式的研究和 实现。 1 2 本文课题的来源 本项目来源于温州市科学技术局项目制造业信息化中的网络d n c 技术研 究，项目编号：g 2 0 0 2 0 3 4 1 1 以及温州大学科研项目网络化d n c 技术的研究。 本课题就是要针对实验室和加工车间现有的设备实现面向车间的异构d 咐c 集成 控制。 1 3 国内外现状研究 机械制造业一度是工业界的领袖行业，但是在这个计算机技术、信息技术风 靡的时代，单纯的机械制造业已不再是工业界的主角。但是机械制造业也并非是 “夕阳工业”，计算机、网络、通信等技术与机械技术的结合给机械制造业提供了 新的机遇和挑战。对传统的车间结构及其制造模式的变革是必然的。 江苏大学硕士学位论文 1 3 1 车间控制结构的现状研究 据调查表明，国外许多制造企业能够成功的很大原因是因为“其组织结构， 更多的倾向于联邦式或群组业务单元”【5 】。因此，就有必要研究如何有效组织制 造车间的内部结构，增强车间控制和管理的能力，以提高车间的敏捷性和结构的 灵活性，实现车间的集成控制，为企业的生产提供有力保障。 车间控制结构和企业、工厂的控制体系密不可分，是其中一个极其重要的单 元。 早期的车间控制结构一般表现为刚性、静态、鲁棒性差等特点。目前的企业 一般采用涨阶控制结构，将复杂的任务化成一系列简单的子任务，形成若干个控 制层完成特定的子任务【6 】。而与此不同，分布式控制结构将系统分解为近乎独立 的实体，实体通过预先定义的通信接口进行合作，目前这种方式处于应用探索阶 段 7 1 。 1 3 1 1 车间结构的典型形式 柔性制造系统( f m s ，f l e x i b l em a n u f a c t 嘶n gs y s t e m ) 柔性制造系统f m s 是由若干台加工中心以及清洗、检测设备组成，具有完善 的刀具和工件输送和存储系统，还配置有主控计算机和分布式数控终端等，是能 根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造模式。 f m s 强调集成控制制造车间的物料流和控制流。如典型的f m s 物流系统中一 般包括能自动装卸的运输装置，以进行刀具储运和工件及原材料储运。因而f m s 一般都具有投资巨大，控制复杂等特点。 独立制造岛( a m i ，a u t o n o m o u sm a l l u f a c t i l r i n gi s l a i l d ) 独立制造岛是依据我国国情，由同济大学的张曙教授提出的一种先进制造模 式。 独立制造岛是以成组技术为基础，以数控机床为核心、数控技术与普通机床 并存、强调信息流的自动化、以软取胜和以人为中心的自动化生产方式。 独立制造岛提出一些独到的观点：在机床布局方面，独立制造岛根据工艺相 似性将机床聚合成组；在软件方面，利用计算机辅助工艺设计、作业计划编制和 在制品的管理等软件，提高技术准备和生产管理的工作效率和信息流的连续性， 形成相对独立的基层生产组宝 【w 。 单元化制造系统( c m s ，c e i l u j a rm a i l u 矗l c t i l r i n gs y s t e m ) 制造车间可以看作由若干个相对独立的单元实体组成，每个实体都能完成各 自的生产任务，如一组零件在某个实体内完成全部或大部分加工任务，而其他的 实体向此实体“订购”这种零件成品进行进一步加工和装配，从而就组成一个满足 订单交货期资源约束的有机集合【9 】。 以这种单元方式组织而成的制造系统称为单元化制造系统。如成组制造单 2 江苏大学硕士学位论文 元、柔性制造单元、智能制造单元、虚拟制造单元等。 但是这几秘典型形式选有务叁数不是。在实嫁热工孛，毽由予热王任务骢多 变性和制造资源的多样性，各种单元化制造系统在实际应用中都有一媳局限。 1 3 1 2 辜阍控制鳍椅的现状研究 睾闼控制结构是企救和工厂机构浆一个骞规组成部分。强兹在藿豁上有影响 的制造系统结构裔国际信息处理协会( i f i p ) 的w g 8 1 工作组提出的i e i p w 0 8 1 俸系结擒”秘、欧黎钵e s p r 疆计划提强熬e l m 0 s a 体系结构、i 转醚公嚣提凑翡 i b m ，c i m 体系结构【“j 以及德国s a a r l a n d 大学提出的集成信息系统体系结构a 舭s 等 “l 。c i 垤体系结构的研究怒这些俸系的蒸体表现方式。 c i m 的控制结构中比较典型的是美国国家标准技术研究院所属的a m r f 提 出的5 层控制结构和国际标准化组织( i s o ) 的自动化工厂控制结构l l 孔。a m r f 控制续构搀c i m s 分藏设套层、工终嬷层、单元瑶、车阉鼹和工厂层等纛级。l s o 提出六层众业控制模型分成公闭控制层、工厂控制层、车间控制层、单元控制朦、 工俸蜒控铡落、设备等六级。鼗藩，遥稼土使雳较多斡是愆滋潆控赣模式。 德国通过研究w o p ( w o r ks h o po r i e n t e dp r o d u c t i o n ) 技术，提出面向车间 的新鳌生产方式，萍迸符了新型生产缀缓和余韭结祷理论磷究戳及面向车阉生产 的各种软件的开发1 1 4 】。 s i e m e n s 公司在s i m a ：r i cp c s 7 网络中将车间结构分为四层：车间级、单元 级、现场级、变邀黝执行器级l _ 1 5 l 。 北方交通大学何大勇等针对多品种小批蹙型生产车间提出三层控制模式：决 策交持层、管理溺爱层秘设冬控制层。决策支持臻受麦翱订基霉阁魏缎营霆舔； 管理调度屡着重在生产镣理、产品设计、工麓规则上，将燕生产计划转化为具体 豹垒产运行过程；设备掇铽瑟鬟点在辩生产运行静簸俸实藏，薨及对商上反浚垒 产组织过程中的管理和设备状态信息【1 6 】。 很多阐家的研究机构把先进的制造技术和各种各样的车间控箭结构结合在 一起，研究出多釉灏模式。 在和通讯技术的缩含方面：欧洲5 4 7 8 车间控制计划是建立夜一种现场总线、 数摄淳窝m r p 数据失主戆车耀实封控剩络橡【1 魂；上海交大麴菠文疯提出基予 c 0 r b a 的车间层控制系统体系结构，车间控制结构分三腠：底屡为系统支持层， 中阕蘑为嚣放式分布处壤层，土层为信怠集成瑟f 18 】；鸯索航空靛天大学c l m s 研究中心牛兴华提出一种基于客户服务器技术的攀间控制结构。车间中各制造 资源的控蒂器被看作是客户梳，车闻静生产计掰生成、生产调度、在翩龉管瑗等 功能模块被看作是独立磁又楣蠢关联的服务器，通过请求响应服务再请求的联 系模式来管理车间f 搦。 在和磐能控制技术豹结合方嚣：韩国豹k i mk 薹 等人提出7 一秽嚣定枣场、 江苏大学硕士学位论文 基于代理机制的车间调度控制方法1 19 】；北京航空航天大学的蔡元龙提出并建立 a g e 嫩( 智戆代理体) 摸型的器剃，并在戴基继上建立了纂手多絮毙鑫浚体系绫 的车间运行控制框架结构川。 农i 衽重缀菝术麓缀合方嚣：孛科院沈阳鑫淤纯掰熬雯海波等磷究了耱嚣离 重组的车间控制系统。其核心是在控制系统中加入了重组功能，模块在生产计划 下这聪对生产任务和制造资源避行重新分配，达黉生产任务优仡的舀的 碉。 1 3 。2 d n c 技术蛉现状磷究 d n c 是d i r e c tn 哪e r i c a lc o n 订o l 或d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n 廿o l 的简称，慧 为直接数字控制或分布式数字控制。 上世纪聂十年代出现了第一台数控机床，用控割单元( m c u ) 来控制机搦毛 的伺服电机，从而极大的提高了生产率，并可以完成以前人工无法完成的工作。 接整，逶过搜髑一台诗算凝来代替m e u ，这载楚诗冀秘数控( e n c ) 。e n c 能够记忆程序，多次加工，从而提高效率。但是c n c 不足的地方也很明驻，其中 最突戮黥藏楚纸带瓣管理帮维护。 其后出现了直接数字控制( d 沁c tn c ) 解决了这个问题。玄是指将若干螽 数控设备直接连接在一台中央计算梳上，由中央计算杌负赏n c 稷序的镑理和传 送。这样不但避免了使用纸带，题且可以显著降低机床的准备时间【2 3 】。 随着计算机技术、通讯技术和c i m s 技术的发展，d n c 的内涵和功能不断扩 大，与六、七卡年代豹d n e 提比已有缀丈区剃，现在嚣谫豹丑 n c 攫戆楚一秘分 布式数控系统( d i s 仕i b u t e dn c ) 。随着数控系统的存贮容凝和计算速度的提高， 数控竣冬翼备一定静耋我羧裁攘工戆力。它开始注意鸯羹工设备静绩惠集袋。分黧 加工任务给器个加工单元 对加正准备、加工过程等基本你业进彳予集中搬控与分 散控籁，搜集、交换帮分耩各个鞠工单廷豹信意。这样d n c 就扩袋了原寄直接数 字控制的功能，使之具备系统信息收集、系绕状态监视以及系统控制等功能【2 4 】。 而对街流及远程监控等系统可以在条件成熟时再扩充，既适用予现有的生产环 境，撼离生产率，又节省了戒本f 2 5 】1 2 6 1 。 1 9 8 7 年美国计算机集成制造公司副总裁d l f i m l 提出的“b r o a ds c o d e 黼c ”，认力焱c l m 鑫冬接动下，d n e 己不稷仅俸蔻编援系统( d 蠢配主撰) 穗c n c 机床的一种逡接方式，而且是可扩充到支持车间级数据的人工采集( 通过键盘录 入) 、事鸯动采集( 使用条形码) 和全舞动采集( 逶避全 l l 环系统豹离散信号采 集) 【2 7 】。 1 9 9 0 年南京航空航天大学方水良博士提洳的“柔惶q c ”( f d n c ，f l e x i b l 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 系统灼界限越来越模糊， d n c 醋成为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。认为f d n c 是f m s 不霹缺少静一郝分f 2 副。 4 江苏大学硕士学位论文 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 t 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”。其定义为：“集成d n c 是现代化机械加工车间的一种运行模式。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( 如数控机床等) 与上 层控制计算机集成起来，从而实现制造车间制造设备的集中控制管理以及制造设 备之间、制造设备与上层计算机之间的信息交换”。d n c 集成的模式可根据车间 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 层控制结构，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【2 9 】【3 们。 1 9 9 9 年熊斌提出“敏捷d n c ”概念。敏捷d n c 是将敏捷的思想和方法融入 d n c 思想系统中，使之符合敏捷制造企业的要求，适应现代制造技术的发展趋 势。在d n c 系统中的具体表现，它是企业针对某一个或多个经营机遇与合适的 某一个或多个盟友进行虚拟合作结成的动态联盟；企业借助网络媒介与盟友进行 信息交换，直接或间接地对分散在各地的盟友的n c 设备进行远程控制而形成的 一种新型的d n c 系统 3 l 】。 上海交通大学唐文虎提出的基于c 0 j a 的d n c 标志着d n c 技术朝着分 布式控制技术的方向发展。基于c 0 r b a 的d n c 在时间和空间上都开放的车间 层控制系统，并运行于不同的硬件环境的异构计算机系统中f 1 8 】。 从仅指一台计算机对若干机床的集成控制发展到车间级通讯网络的控制技 术，d n c 经历一个演变的过程。其中网络技术的发展极大的促进了d n c 技术的 发展，融入了敏捷制造等崭新观点的d n c 技术使d n c 更适应现在制造业的发 展，基于c o 砌j a 的d n c 以实现控制结构的分布、数据库的分布以及系统功能 的分布，使得其与其他系统的集成非常方便。现在所指的d n c 技术已成为制造 车间实现信息集成和设备集成的有效方法。借助于网络技术、通讯技术和计算机 技术的发展，实行远程控制一发展功能强大、全面可靠的车间信息网络，是实现 c a d c a p p c a m 一体化的纽带和f m s 、c i m s 实现设计集成和信息集成的基本 手段，在车间自动化和工厂自动化中具有越来越重要的作用。 国内关于d n c 系统的研究开始7 0 年代后期。为实现车间c n c 机床的集成 研制了数控机床集成器：国家c i m s e r c 的d n c 系统，是由清华大学和北京机 床研究所共同研制的基于b i t b u s 结构的工作站级的d n c 控制系统【3 2 】；由国家 c i m s e r c 与北京第三机床厂合作开发的d n c 系统，可由一台3 8 6 微机控制四 台加工中心的工作【3 3 j ：成都飞机公司的f d n c l 系统，是由西北工业大学与成都 飞机公司合作开发基于以太网的点对点式d n c 系统【3 4 】；上海交通大学的基于 c o r b a 的d n c 系统，它是建立在车间局域网上基于软总线技术来实现车间设 备和功能集成【i 。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题的意义 如上文所述，先进制造模式是机械制造业发展的必然趋势。其中分布式数控 系统( d n c ) 既可以作为工厂中独立的一个制造单元模块，也可以成为f m s 、 c i m s 中的一个重要的基本执行模块和信息集成模块，因此在先进制造模式中有 很重要的地位。国外已经有了比较成熟的d n c 软、硬件产品，但是其价格、维 护、调试等费用超出了我国一般中、小企业可以承受的范围。而且我国目前也在 d n c 研究领域投入了很多的力量，可以摆脱对外来产品的依赖。研制和开发适 合我国国情尤其是中小型企业的d n c 产品，这将大大提高车间设备的利用率和 车间制造信息的集成性，最终提高企业的竞争能力。 综上所述，本课题的研究意义主要体现在： 提高制造企业对加工设备、生产过程的控制和管理水平，以便更主动地 适应外部环境的变化，满足市场不断变化的需求。 一定程度上解决机械加工设备集成控制和信息共享的问题，增强车间的 制造柔性。 可充分利用现有的数控机床( 加工中心) ，在我国企业规模小、资源有限、 技术储备少等情况下，有效地提高企业的核心竞争力。 1 5 本课题研究的内容 本文将对下述内容进行研究： 探讨先进制造模式在制造业所起的作用，对国内外研究现状进行分析， 从而明确研究的必要性。 以车间控制结构为对象，建立面向车间的异构d n c 集成控制模式。 建立一套面向车间的异构d n c 集成控制的软、硬件应用系统。 本课题要实现对实验室和加工车间现有设备的进行联网，并开发出一个d n c 系统软件，该软件具备了d n c 系统的基本功能，并在现有设备上得到验证。 本文将在以下章节中就课题所研究的内容展开讨论： 第二章在分析了面向动态联盟、面向工厂的d n c 系统的基础上，建立面 向车间的异构d n c 集成控制结构。着重分析了d n c 系统的网络运行平 台，在此基础上确定本系统选用的网络平台。 第三章通过几个典型d n c 软件的剖析和理解，归纳出d n c 软件应具有 的主要功能，由此构架了本课题所要实现一个d n c 软件系统的全部功 能。 第四章着重剖析了加工设备的硬件集成方式、机床通信协议和机床监控 的实现，据此实现本课题的d n c 系统中车间加工设备的集成通讯模块。 6 江苏大学硕士学位论文 第五章着重分析了d n c 主机与车间信息控制系统中其他计算机之间的 信息集成及传输的方式，据此实现d n c 系统中信息通讯模块。 第六章简要分析了数据库技术和v c + + 开发数据库技术，与a c c e s s 数据 库结合实现d n c 软件中的信息管理模块。 第七章着重分析了文件编译中词法分析的实现过程，并结合数控g 代码 的特点实现了d n c 软件中数控程序编辑及编译模块的词法查错功能。 江苏大学硕士学位论文 第2 章面向车间的异构d n c 集成控制模式的建立 制造车间作为整个制造过程的最终执行者和实时信息的采集者，在制造系统 中是个重要环节。车间控制体系充分反映了车间自动化的发展水平，是集生产 管理、加工制造、设备控制于一体的高度自动化的一种车间表达形式口。如何在 车间控制模式中采用d n c 技术并结合到车间应用环境中，使其控制更加可靠、 效率更加高效、使用更加充分，对于任何形式的加工车间都有重要的意义。 本章分析和探讨了现有各种基于d n c 技术的车间集成控制模式、车间与工 厂层的信息交换及控制模式、d n c 技术与先进制造技术的结合以实现敏捷制造 企业和动态联盟等，并在此基础上建立了针对中小企业的面向车间的异构d n c 集成控制模式。 2 1 制造系统集成模式的研究 随着先进制造系统模式的提出必然促使制造车间集成模式的变革。计算机集 成制造系统、敏捷制造、智能制造、分散网络化制造等这些先进制造模式都是使 制造系统向大致相同的目标发展，如提高制造信息的集成度，充分利用企业资源； 增强柔性，适应多品种小批量的生产；管理更加灵活适应市场的竞争；增强制造 系统适应外界的能力。 2 1 1 面向先进制造模式的d n c 集成控制模式 其他车间局域网 车间局域网 二二 d n c 主机 _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 设备局域网 数控机床 c a d k = = e r p 图2 1面向敏捷、动态联盟的d n c 车间集成控制模式 一|一一轳一一一一一一一一 113lll土上友散网络化制造亘删 堰憎至一 江苏大学硕士学位论文 车间作为制造单元既可以从本地获得制造信息，也可以通过i m e m e t 从本地、 异地的其他制造单位获得制造信息并进行信息交换。c a d 、c a p p 、c a m 、e r p 等模块可以根据具体情况分配给相对能力较强的地方，灵活而迅速地把分散在各 地的资源组合成联盟，以快速推出高质量、低成本的产品。工厂局域网负责全厂 信息的集成和流动方向，合理调配本厂资源的分布。车间服务器负责整个车间网 络的正常运行和数据库的管理工作，是工厂局域网和车间局域网的纽带。其集成 模式如图2 1 所示 2 1 2 面向工厂的d n c 车间集成控制模式 图2 2 基于工厂的d n c 车间集成控制模式“叫 图2 2 是面向工厂的d n c 车间集成控制模式。车间服务器把来自工厂级的 加工信息下达到各个车间，对于有单元层设置的车间，生产计划和调度由单元层 自行拟订车间内部的生产计划和进行生产调度。对于没有单元层设置的车间则由 车间服务器和其他计算机来管理1 3 5 】。d n c 主机负责与数控加工设备网的控制和 上层工厂局域网或其他车间局域网的信息传递。 2 1 3四种不同的d n c 车间集成控制模式 针对不同规模和大小的车间，d n c 车间集成控制可以有四种不同的结构： 1 二层控制结构：工作站层和设备层；2 三层控制结构：车间层、工作站层和设 备层：3 四层控制结构：车间层、单元层、工作站层和设备层；4 跨车间控制结 9 江苏大学硕士学位论文 构。除车间内部的四层控制结构外，车间还可通过工厂局域网由工厂层控制或通 过i n t e m e t 由其它企业控制。 二层运行模式的控制结构只有工作站层和设备层2 层，是最简单的一种( 见 图2 3 ) 。这种运行模式具有结构简单、功能集中、投入少、易实现等特点，适合 于中小规模企业或对大型车间局部进行d n c 控制的场合。 c a d c a pc a mie r p d n c 主机 d n c 通讯管理制造资源管理 系统信息管理生产计划制定 n c 程序管理生产调度管理 工艺信息管理生产过程监控 磊酣设各网卜- r 蕊 l 数控设备i 图2 3 二层d n c 车间集成运行模式【2 9 】 三层运行模式包括车间层、工作站层和设备层是一种中等规模的运行模式。 四层运行模式在三层运行模式的基础上增加了单元层管理，各单元的管理均放在 各单元内部进行管理，适合大规模、控制复杂的车间。 2 2 面向车间的异构d n c 集成控制模式的建立 2 2 1d n c 集成控制系统的信息流 制造过程实际上就是信息生产、储存、加工、利用的过程。d n c 通讯系统 中存在各种信息，归纳起来分为下面几类： 加工指令：包括启动、停止、刀具指令、异常处理指令和紧急处理指令等； 生产管理计划及完成情况：包括生产任务、刀具计划、夹具计划、年月 日计划、物料计划等： 加工技术及设备状态：包括加工状态、异常状态、刀具状态、产品技术 要求： 加工信息：数控程序，刀具程序、加工设备设置内容。 2 2 2 面向车间的异构d n c 集成控制模式的建立 根据上述分析，可以建立面向车间的异构d n c 集成控制模式，如图2 4 所示。 这种面向车间的异构d n c 集成控制模式只有工作站层和设备层，是最简单的一 o 江苏大学硕士学位论文 种。d n c 主机则集控制和管理为一体，完全可以实现中小型车间的控制要求。 由于这种2 层d n c 系统结构本身就是更大规模控制模式的一个子系统，因此为 今后与面向工厂的异构d n c 集成控制系统以及面向敏捷制造动态联盟的异构 d n c 集成控制系统的结合打下良好基础。系统可以非常方便的扩展到更高层次 的集成控制，为将来的系统扩张和改造做好准备。 图2 4 面向车间的异构d n c 集成控制模式和信息流 江苏大学硕士学位论文 在实际应用中，应根据不同的设备分布、信息流量、投资费用、系统传输速 度、安全性、可靠性、开放性等性能和指标的要求，来选择系统网络构成方式、 制造信息的传送方式、机床通讯协议等要素。 由图2 4 可以看出，每层实现的目标是不同的，上层侧重于机床加工过程信 息的集成，下层侧重于车间加工设备的集成。两个层次的实现过程中都涉及了软 件设计和硬件连网等关键技术，其中加工设备的互联互通是该系统的硬件支撑骨 架而d n c 软件则是该系统的灵魂。针对不同的硬件设备和软件要求，该车间控 制系统可采用不同的方式进行集成。下面将对面向车间的异构d n c 集成控制模 式系统的具体网络平台技术进行详细的剖析，并在此基础上总结出本课题所采用 的网络平台。 2 3 网络平台技术的研究 车间控制体系的基础是有着各自不同通信标准的局域网构成的。通过对不同 网络结构、传播介质、通讯方式、服务方式、网络通讯协议标准的比较，可以深 入了解不同的网络技术分别适合于不同要求的系统。 2 3 1 网络拓扑结构 网络拓扑结构是指网络中各个站点如p c 、p l c 、数控机床、加工设备相互 连接的型式，主要有点对点结构、总线型结构、星型结构、环型结构以及混合型 结构。每种拓扑结构各有优缺点和适应范围，分析如下1 3 6 j ： 总线拓扑结构：( 图2 5 ) 总线型的网络是由一条电缆组成一个段。当网络上的某个端点在传送一条消 息时，将发送出一个点信号，电缆上的每台计算机都可检测到该信号，并根据 m a c 地址来判断是否发送本机的信号。对于一条段上的节点数是有限的，大约 3 0 个。 优点：结构简单，可靠性高，电缆长度短，费用少，易于布线和维护，造价 低，易于扩充； 缺点：故障后果严重，故障诊断困难，故障隔离困难； b n ct 墅接头岛湘匹配电阻 图2 5 总线结构拓扑图 江苏大学硕士学位论文 星型拓扑结构：( 图2 6 ) 星型拓扑中的所有站点都通过各自的电缆连接到一个中心系统上，集线器位 于网络的中心位置。 优点：易于故障的诊断，易于故障的隔离，易于网络的扩充，访问协议简单， 对网络重新配置方便； 缺点：对中心系统和节点的可靠性要求和冗余度很高，需要大量电缆且布线 困难，费用较高； 环型拓扑结构：( 图2 7 ) 环型拓扑网络中所有站点彼此串行连接，就像连成链一样，构成一个回路。 环型网络中的信号是由节点的相互传递来实现的。每个节点都能收到其他节点的 信号。如果是发给它的就接收，否则重发到下一个节点。 优点：简化了路径选择的控制，控制软件比较简单，可靠性高，节点多不影 响信号衰减： 缺点：由于环路封闭扩充不方便，当环中所接站点过多时，将会影响信息传 输效率，使网络的响应时间变长。 图2 6 星型结构拓扑图图2 7 环型结构拓扑图 点对点结构： 两个通信设备通过一根电缆来连接。 优点：连接方式简单，费用少。 缺点：如连接设备的增加则网络变的复杂，节点数目有限制。 混合型结构： 可以结合上述几种拓扑结构构成网络。 优点：综合几种网络拓扑结构的优点。 缺点：控制软件复杂，布线困难，费用高。 网络拓扑结构的选择往往和传输介质的选择、介质访问控制方法的确定等紧 密相关。选择拓扑结构时，要考虑费用、灵活性、可靠性等因素。由于车间设备 的异构性和复杂性，在加工设备网络这一层，一般小系统考虑到控制软件需求相 对比较简单，连接方式简单，采用环型拓扑结构；大系统考虑到系统要容易扩展， 布线容易，可靠性高则采用总线拓扑结构。在制造信息网络这一层由于信息量大 江苏大学硕士学位论文 而且复杂，终端密集，通常采用星型拓扑结构。 2 3 2 传输介质 有线网络主要通过同轴电缆和双绞线作为连接计算机电缆，同轴电缆又分为 基带同轴电缆和宽带同轴电缆。双绞线是用几对两条互相绝缘的铜线组成，这两 条铜线拧在起。同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料用 密织的网状导体环绕，网外覆盖一层保护性材料。同轴电缆比双绞线的屏蔽性好， 在更高的速度上传输得更远，同轴电缆网比较经济，安装较为便利，传输率高为 5 0 m b p s ，抗干扰能力一般。双绞线网是目前最常见的连网方式。它价格便宜， 安装方便，但易受干扰，传输率较低一般为l o m b p s 。 通常情况下网络是由多种介质共同组成的。车间网络最需要的是成本低而可 靠性高。由于光纤的成本太高，一般的网络都是采用双绞线的方式作为网络介质。 2 3 3 通信方式 点对点传输网络：数据以点到点的方式在计算机或通信设备中传输。星 型网、环形网采用这种传输方式。 广播式传输网络：数据在共用介质中传输。无线网和总线型网络属于这 种类型。 2 3 4 服务方式 按服务方式划分客户机服务器网络。 服务器是网络上一种为客户站点提供各种服务的高性能计算机或专用设备， 它在网络操作系统的控制下，将与其相连的硬盘、磁带、打印机、m o d e m 及昂 贵的专用通讯设备提供给网络上的客户站点共享，也能为网络用户提供集中计 算、数据库管理等服务。客户机是用户计算机。 客户机服务器模式是通过客户机向服务器发出请求并获得服务的一种网络 形式，多台客户机可以共享服务器提供的各种资源。这是最常用、最重要的一种 网络类型。不仅适合于同类计算机联网，也适合于不同类型的计算机联网。基于 服务器的网络安全性容易得到保证，计算机的权限、优先级易于控制，监控容易 实现，网络管理能够规范化。因为所有重要的数据都集中存放在一个或几个服务 器上，所以很容易做到日常的维护和数据的备份。网络性能在很大程度上取决于 服务器的性能和客户机的数量。 2 3 5 网络协议 2 3 5 1 常用网络协议 目前，工业中应用最多的几种网络协议标准分别为i s o o s i 、t c m p 、 1 4 江苏大学硕士学位论文 m a p 厂r o p 、现场总线等。其网络协议结构如图2 8 所剥3 7 1 。 i s 0 ，o s i 模型t c m p 模型m a p ，r d p 模型现场总线模型 图2 8 常见网络结构 i s o ，o s i 是国际标准化组织制定的开放系统互连参考模型( 0 s i ，o p e ns y s t e m s i n t e r c o r u l e c t i o n ) ，该模型把网络系统分成七层。从下往上依次为：物理层、数据 链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层。通信双方在各层上都必须 遵守一系列协议。 t c p i p 是通信领域内事实上的业界标准。 m a p 厂r o p 是g e n e r a lm o t o r s 提出，目的是提高制造业的数据通信标准。 现场总线是对d c s ( 集散控制系统) 的拓展，突破了d c s 相对封闭的限制， 它将测控任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化和 先进控制的功能。现场总线是工厂底层信息与数据传递的主体，在整个工厂的信 息网络中，现场总线处于重要的基础地位。 目前，在车间对加工设备控制层上，一般是以太网、m a p 厂r o p 以及现场总 线占主导地位。其中m a p 们p 网采用宽带系统通信，但是其不适合在实时性要 求很高的领域工作，而且系统的费用较高。现场总线是将自动化最底层的现场控 制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，遵循i s 0 的o s i 开放系统 互连参考模型的全部或部分通讯协议，现场总线由于其众多的标准使其使用受到 一定的限制，系统不开放，可集成性差，可维护性不高。但是由于现场总线适合 实时性高的现场、可以有效的解决数据冲突，会在车间现场网络得到一定发展。 随着以太网的不断成熟和发展，人们期待以太网在车间网络控制中占有很大的比 重，和局域网以及互联网连成一体，但是由于网络协议的差异使其在实际应用中 存在一定的困难，但是其必然会渗透到控制现场底层。 嚣 互互习困困固一 江苏大学硕士学位论文 2 3 5 2e t h e r n e t 技术 e t l l e m e t 网络因成本低、速度高、安装简单而成为制造底层控制网络的信息 传输主干，用来连接系统设备和现场监控设备。e t h e m e t 网是采用i e e e 8 0 2 3 定 义的数据传输协议c d m a c d ，适合于时间要求比较高、稳定性较高、变化量小 的控制系统。 t c p i p 协议是计算机网络连接中应用最广泛和最成熟的网络协议，它主要 有网络链路层，网络层( i p ) ，传输层( t c p ) ，应用层四层等协议组成，网络链 路层主要完成对i p 数据的m a c 封装，以及m a c 数据的解帧，数据的传输和数 据的校验等功能，i p 层主要完成向t c p 层传输t c p 包，以及将t c p 包打成i p 包传输给数据网络链路层，i p 层还完成网络的路由功能。t c p 层主要将应用层 传输来的数据打成t c p 包传给i p 层以及将t c p 包传输来的数据包解包后传输给 应用层。应用层可根据用户的要求进行处理。实际上t c p i p 协议是一个协议组。 他们每层之间可以进行通信或在对等层之间进行通信p 。 利用成熟的基于t c p i p 协议技术的e 也e m e t 网络连接可以将丰富的网络设 备连接起来并有利于在这个基础上开发大量针对网络的各个环节进行管理和控 制的软件。 随着各种智能现场设备产品的丰富和应用以及工业管理自动化的深入，有资 料认为在