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哈尔滨理工人学工学硕l ：学位论文 网络化d n c 加工平台的研究与开发 摘要 随着信息技术与计算机技术的不断发展，制造业逐渐转向网络化、自动化、 智能化。集成工艺设计、加工控制、设备控制、d n c 网络控制于一身的网络化 制造平台通过对众多数控机床的集成管理可以很好的改善和解决我国大多数企 业内部现存的数控机床利用率低、生产效率低及生产失误率高等问题，有着一 定的理论价值和现实意义。 本文对d n c 联网方式及控制软件进行了研究与开发，首先结合我国企业的 加工现状及各种网络通信方式的特点，构建了以c a n 总线和无线通信为主，工 业以太网为辅的混合式组网方式作为d n c 加工平台数据通信模式。然后选用最 适合我国企业生产条件及网络构建的公司层、车间层、设备层三层分离的网络 构建方式，将整个企业信息高度集成。针对混合式组网方式造成的网络协议不 统一的问题，通过硬件智能协议转换器和软插件的有机结合，使得多协议环境 下的网络化d n c 加工平台得以实现。接着采用b o r l a n dc + + b u i l d e r 6 0 作为加工 平台软件前台的开发工具、m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 作为平台后台数据库，从 而完成加工管理、网络编程、信息传送、实时控制等功能。最后通过对数控机 床的连接及信息传输实验，验证了本d n c 加工平台的作用与功能，并对软件界 面进行了优化，使其具有安全系数高、易上手、信息输出直观等多方面的人机 友好的特点。 基于网络化环境下的d n c 加工平台的混合组网方式的建立，是现代化企业 实现生产自动化的需要，对以后采用无线网络连接为主要通信方式的c i m s 系 统有着一定的指导作用。在企业应用方面，提高了机床利用率和生产效率，从 而达到了降低成本的目的。 关键词网络化；d n c ；加工平台；协议转换 哈尔滨理t 大学工学硕i ：学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f n e t w o r k i n gd n c p r o c e s s i n gp l a t f o r m a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m a n u f a c t u r i n gm o v e s i nt h ed i r e c t i o nt o w a r d s n e t w o r k i n g , a u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n c eg r a d u a l l y n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gp l a t f o r mh o l d ss o m ef u n c t i o n s s u c ha 8 p r o c e s sp l a n n i n g ，m a c h i n ec o n t r o l ，e q u i p m e n tc o n t r o la n dd n cn e t w o r k c o n t r 0 1 i tc a nb es o l v e dt h r o u g hi n t e g r a t e dm a n a g e m e n to fs o m en cm a c h i n et o o l s t h a ts o m ep r o b l e m si nt h em o s to fc h i n e s ee n t e r p r i s e ss u c ha sl o we f f i c i e n c yo fn c m a c h i n et o o l s ，l o we f f i c i e n c yo fm a n u f a c t u r e ，h i g hf i e l d i n ge r r o r so fm a n u f a c t u r e ， w h i c hh a v et h e o r e t i c a lv a l u ea n dv a l u a b l es i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e dn e t w o r km o d eo fd n ca n dc o n t r o ls o f t w a r e f i r s t l y , c o m p o s i t ec o m m u n i c a t i o nm o d ew h i c hh o l d sc a nf i e l d b u sa n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na st h em a j o rc o m p o n e n ta n di n d u s t r i a le t h e m e ta st h e a u x i l i a r y c o m p o n e n ti su s e da st h em a i nc o m m u n i c a t i o nm o d eo fd n c ，w h i c hi se s t a b l i s h e d w i t ht h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ec h i n e s ee n t e r p r i s e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u s c o m m u n i c a t i o n m o d e s s e c o n d l y , t h es y s t e mm o d e l i st h r e e s e p a r a t e l e v e l s ( c o r p o r a t i o nl e v e l ，w o r k s h o pl e v e la n de q u i p m e n tl e v e l ) w h i c hi st h em o s t s u i t a b l em o d e lt oc h i n e s ee n t e r p r i s e s a n dt h e ne n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nc a nb e i n t e g r a t e d h a r d w a r eo fi n t e l l e c tp r o t o c o lc o n v e r t e ra n ds o f t w a r ep l u g - i na r eu s e dt o s o l v et h ep r o b l e mt h a tn e t w o r k i n gp r o t o c o li sd i f f e r e n t t h e nt h en e t w o r k i n gd n c p r o c e s s i n gp l a t f o r mw i t hm u l t i p r o t o c o lc a nb eb u i l t t h i r d l y ，b o r l a n dc + + b u i l d e r 6 0 i su s e da sd e v e l o p m e n tt o o la n dm i e r o s o f ls q ls e r v e r2 0 0 0i su s e da st h ed a t a b a s e t h e nt h ep l a t f o r mh o l ds o m ef u n c t i o n sl i k em a n u f a c t u r i n gm a n a g e m e n t ，n e t w o r k p r o g r a m m i n g ，i n f o r m a t i o nt r a n s f e ra n dr e a l - t i m ec o n t r o li se s t a b l i s h e d l a s t l y , t h e f u n c t i o n so fd n c p r o c e s s i n gp l a t f o r ma r ep r o v e dt h r o u g he x p e r i m e n to fc o n n e c t i o n a n di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，a n ds o f t w a r ei n t e r f a c ei so p t i m i z e d ，w h i c hm a k e st h e d n cp l a t f o r mh o l ds o m ea d v a n t a g e sl i k eh i g hs a f e t yf a c t o r , e a s yc o n t r o l ，i n t u i t i o n i s t i n f o r m a t i o no u t p u t ，a n df r i e n d l yh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e 1 i 哈尔滨理t 大学工学硕i ：学位论文 t h ee s t a b l i s h m e n to ft h en e t w o r k i n gd n cp r o c e s s i n gp l a t f o r mw i t hc o m p o s i t e c o m m u n i c a t i o nm o d ei st h en e e do fp r o d u c t i o na u t o m a t i o ni nm o d e r n i z e de n t e r p r i s e s ， w h i c hi st h eg u i d a n c et oc i m sw i t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e m a c h i n et o o l s u t i l i z a t i o nr a t ea n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya r ei n c r e a s e da n dc o s ti sr e d u c e d k e y w o r d sn e t w o r k i n g ，d n c ，p r o c e s s i n gp l a t f o r m ，p r o t o c o lc o n v e r s i o n i i i 哈尔滨理t 大学t 学硕l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 近年来，由于计算机技术、通信技术及网络技术的不断发展，制造业发生 了很大程度的变革，制造业从原有的传统机械生产日益向着高度的自动化、网 络化、集成化、智能化方向发展n 1 ，所以，网络化集成制造是现代制造技术的 必然要求。 数控机床的合理应用不仅仅是简单的设备应用问题，而是一项严重影响生 产效率的系统工程乜】，从硬件技术方向，要求数控机床具有一定的稳定性和可 靠性，从生产方式上，先进的生产方式可以达到更好的效果。随着全球制造业 的同益信息化和数字化，网络化制造已经具有发展的舞台，在企业更新加工设 备向效率高、精度高及自动化程度高的同时，也注意了数字化和标准化的信息 方式、网络化的信息传输以及智能化的信息加工处理；另一方面，c a d 和c a m 系统在企业应用方面发挥了很大的作用b 3 ，在一定程度上实现了自动化的产品 设计、自动化的工艺过程及自动化的数控编程。然而，这些系统相互独立，不 能实现彼此之间的信息传递和共享。 集成工艺设计、加工控制、设备控制、d n c 网络控制于一身的网络化制 造平台把数控机床等有关的数控设备与上层计算机连接起来，从而实现数控机 床等数控设备的集中式管理，也实现了企业、部门、计算机、众数控设备c a d 和c a m 等系统之问的信息交换h 3 ，中央d n c 计算机对多台数控机床的集成管 理，不但方便了加工程序的传输，而且实现了企业局域网至企业间网络的资源 共享，最终实现了企业的生产管理及加工管理的高度统一。 现代制造硬件与网络化制造技术的完美结合喳】，通过网络连接，使所有数 控技术资源实现了信息共享与信息集成陋3 ，在全球网络化日益标准的体制下， 国家之间、企业之间、部门之间的信息互通，资源共享，合作方便，生产力达 到共同提高盯1 。网络化制造环境下的d n c 加工平台实现了信息与设备功能的 高度集成，是从单一方式的数控网络向混合型组网方式的过渡，也是最终实现 我国c i m s 的重要里程碑。 哈尔滨理t 人学t 学硕一l ：学位论文 1 2 网络化制造 网络化制造是在网络技术发展条件下产生并且得到广泛应用的一种现代 化的制造模式晴1 ，其产生和初步应用是在2 0 世纪9 0 年代中后期。网络化制造 与其他先进制造技术一样，是一种需求和技术共同进步的结果呻1 。需求作为网 络化制造的产生和应用的基础，技术是网络化制造模式的先行条件n 0 1 ，网络技 术与信息技术的不断进步，促进了网络化制造的研究与应用。在经济全球化的 体制下，网络化制造技术和系统能够大幅度的提升企业市场竞争力 1 1 1 ，因此， 网络化制造得到越来越多的重视，并且纷纷投入研究，并且发展十分迅速。 网络化制造的概念十分丰富，一般认为：网络化制造是企业为了高速响应 市场的需求，迎接全球化经济与制造全球化体制的挑战的一种采用先进的网络 技术、制造技术与其他技术并突破空间地域对企业市场经营和生产方式的约束 而且贯穿于产品的设计生产和销售等整个生产阶段的一种现代化制造模式n 引。 在网络化的社会体制下，网络化制造为企业提出了通过网络，使得社会资 源在经营生产活动中得到充分利用作为的指导思想，在这个指导思想上，结合 企业的自身条件和市场需要，组建成适合企业自身条件的网络化制造系统m 1 ， 在企业组织管理等方面，提供了技术管理的平台。 由网络化制造的相关定义可以看出，它具有丰富的内容并且在不断的发 展。从现有资料得知，网络化制造具有以下特征u 引： 1 网络化制造是是在网络环境下，利用已经成型的网络技术，使得不同地 域环境下可以对企业进行组织管理或经营生产： 2 网络化制造覆盖面广，他包含了企业生产制造的所有活动，也包含了产 品从设计到销售的全生命周期的各个环节； 3 在网络环境下可以突破地理地域上的限制，可以远程操控企业的生产经 营等各项活动； 4 以快速相应市场为主要目的，企业各部门乃至企业问可以通过网络进行 资源共享，从而降低企业的生产成本、提高生产速度，以达到共同进步； 5 结合不同企业的情况与要求，网络化制造具有多种的形态和功能，并且 技术内容丰富，它涉及到大量的组织、平台、工具和管理技术，这些技术可以 不断深化网络化制造的应用，又可以促进现代制造技术的理论方法和工具的研 究和发展。 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 1 3d n c 技术概述 1 3 1d n c 的概念 关于d n c 的含义有两种，一种是“分布式数控”( d i s t r i b u t e dn u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) ，也成为“群控，而另一种是“直接数控”( d i r e c t n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ， 这种技术是从c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，意为“计算机数控”) 发 展而来n 引。美国电子工业协会( e t a ) 给d n c 的定义是：d n c 是一个将一组数 控机床与相应公用存储器连接起来并且按要求向各台数控机床分配数据的系 统n 引，其主要结构如图1 1 所示，其中通信方式主要指多串口、多路通信转换 器、现场总线或者局域网等1 。 图l - ld n c 主要结构 f i g 1 - 1p r i m a r ys t r u c t u r eo fd n c d n c 是为了减少单台数控机床的程序编制的工作量，减少工人数量，提 出了用一台通用计算机经过设计及改进后，达到控制多台数控机床的要求。此 外，d n c 还意味着可以把各个车间的各个数控机床通过统一的调动组成一个 高度柔性加工系统，这是进一步发展成c i m s 的基础。其主要特点n 踟如下： 1 可实现非实时分配数控数据，车间的编程可以和d n c 结合起来，以便实 现生产的控制和管理，从而使d n c 系统向全面自动化系统转变； 2 具有足够开放，d n c 系统采用局域网络技术进行通信，既可以使车间内 部及车间之间进行通信，又可以向上层企业管理和下层数控设备进行网络延 伸； 3 d n c 便于与数控采集系统高度集成，采集机床加工状态，在线生成加工 数据，对生产质量和设备状态进行实时控制，可以实现远程故障诊断。 哈尔滨理t 大学工学硕 ：学位论文 1 3 2d n c 的研究现状 近几年，国内外很多学者加大对d n c 的研究力度，主要研究方向分为硬件 和软件方向n 9 1 ： 1 硬件方向硬件方向上主要投入的是接口技术及结构通信方式两方面的 研究。在接口技术方面，目前有四种d n c 接口脚3 ：读带机旁路、计算机直接数 控、串行通信借口和网络接口。其中，一些老式的数控机床用的是读带机旁路 借口，d n c 服务器模拟纸带阅读器给机床提供数控程序。计算机直接数控指旧 的数控系统改造。前两种对于现阶段加工设备来讲过于陈旧。串行通信和网络 通信是现代企业应用较多的接口方式。串行通信接口是采用r s - 2 3 2 、r s 4 2 2 等接口，网络通信指应用满足自动化协议标准的通信接口等。 2 软件方向对于硬件条件一定的情况下，硬件改革比较困难，很多学者 纷纷投入对于信息采集公衡和软件附加功能的设计，如参数设定、文件管理、 事件日志、n c 程序编辑等。 、 目前国内已经开发了很多成型的d n c 系统：如北京机床研究所完成的数控 工段集成管理系统、重庆大学开发的基于d n c 软插件技术的集成化生产管理系 统及成都飞机公司的f d n c l 系统等拉。 国外对于d n c 的研究较早，下面是国际上比较成功影响力比较大的系统： 在2 0 世纪中期，美国和日本就已经先后研究出来了o m n i c o n t r o l 和 c o m p u t e r o l 4 5 系统，并且在工业上得到了很好的运用；2 0 世纪8 0 年代，美 国又先后研究配置了s h o p n e ti i 和c i m l i n i c s 系统，该系统提高程序传输效 率5 0 提高编程效率3 0 ；2 0 世纪9 0 年代，日本f a n u c 公司推出了d n c l 和 d n c 2 系统在世界各国家也得到了大量的应用心刳。 在软件方面，国外先进企业基本做到技术功能无懈可击，但往往由于其功 能过于强大，反而使得网络构建、维护及正常使用存在着很大的困难，而且价 格昂贵；在另一方面，单一的网络通信方式不足以满足企业多样化的生产需求， 由此，需要开发出一款成本低、操作方便、满足企业多样化生产的d n c 平台。 1 3 2d n c 的发展趋势 国内虽然有许多的d n c 系统，但是相比国外成型化、商品化的d n c 系统还 有很大的差距。由于我国起步较晚，所以还有很大的进步空间。就d n c 方向研 究有以下趋势乜引： 哈尔滨理t 犬学t 学硕i ：学位论义 1 多种联网方式集成的网络通信模式即应用串行通信、总线通信、工业 以太网及无线局域网的混合式通信方式； 2 无线网络技术的充分应用企业的生产条件对有线设备要求较大，随着 网络技术与通信技术的不断发展，企业通信方式逐渐向无线通信方向过渡； 3 从硬件更新到软插件更新的应用相比硬件工具，软件开发成本和组网 成本要小很多，协议转换模式从硬件向软件过渡，是节约成本的有效途径； 4 d n c 平台功能的更新即联系加工需要开发出相应的优化加工功能； 5 d n c 技术的模块化及可移植性形式在c i m s 上的应用。 1 4 本课题主要的研究内容 本课题来源于哈尔滨市学科后备带头人基金项目“数控加工网络化及d n c 集成技术的研究与应用 。 本课题通过对当前国内外d n c 组网技术、d n c 接口特点、d n c 加工平 台的实用性研究的基础上，提出了结合多种网络通信技术，建立面向网络化的 d n c 加工平台，实现混合式组网方式下的网上设计、程序传输、实时管理等 功能，使网络制造技术与d n c 技术完美结合。具体有如下研究内容： 1 - 分析了d n c 组网的几种重要的方式，在对不同通信方式自身的优缺点 及企业加工条件综合分析的基础上，提出了以c a n 总线和无线局域网为主， 工业以太网为辅助的混合式的组网模式； 2 给出了基于网络化制造的d n c 加工平台的结构：企业层、车间层与设 备层三层分离的结构模式。每层结构都完成各自的任务，这种分层的模式有效 的解决了企业的网络结构布局乱的问题，同时对d n c 网络连接进行了构建； 3 混合式组网方式环境下的网络化d n c 加工平台，多种网络协议同时存 在，针对协议不同且不统一的问题，提出了硬件协议转换器配合软插件的技术 共同完成协议转换。其中硬件协议转换器主要完成串口与局域网之间以及c a n 总线与串口之间的协议转换，而软插件库则负责完成不同类型数控机床本身的 类型不同而造成的协议不统一问题； 4 对系统功能模块进行人性化设计，并使用c + + b u i l d e r6 0 作为开发工具， m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 作为数据库工具，并将协议转换器自带的协议转换 软件集成到d n c 加工平台中，开发出人机界面友好、安全性高、实时性好的 网络化d n c 加工平台，从而达到了利用先进的网络化技术及d n c 技术提高生 产力的目的。 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 第2 章网络化d n c 加工平台的总体方案设计 本章介绍了d n c 目前常用的几种通信方式，分析了各种通信方式的优缺 点，并且提出了适合于企业内部条件的混合型组网方式。在此基础上完成了网 络化d n c 的层级构建和网络构建，提出了三层分离的企业网络模式并完成了 网络化d n c 的主要结构和功能模块进行设计。 2 1d n c 加工平台的通信方式选择与设计 d n c 通信方式主要有点对点串行通信方式、现场总线通信方式、以太网 m a p 通信方式及无线通信方式四种通信方式，在以往的d n c 通信方式研究中， 每类的通信方式已经被很好的进行了分析与应用，但在复杂的企业生产车间 中，单一的通信方式不足以满足企业加工条件，所以本文提出建立以现场总线 通信及无线网络通信为主、m a p 局域网通信为辅的混合型通信方式。 2 1 1 现场总线技术 。 2 1 1 1 现场总线的定义和特点现场总线是集成自动化控制技术、计算机技 术、网络通信技术等多种科技成果的自动化控制领域的高新技术，许多自动化 控制系统由现场总线组成，具有串行、双向、数字化及开放式等优点幽1 ，在国 内外得到了迅速的发展和应用。 目前比较流行的现场总线技术是：f f ( 基金会现场总线) 、p r o f i b u s 现场总 线、c a n 总线、l o n w o r k s 、h a r t 总线、d e v i c e n e t 现场总线及i n t e r b u s 现场总线汹，等。 2 1 1 2c a n 总线c a n 是c o n t r o l l e ra r e an e t 的缩写，意为控制器局部网， 它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行网络郾1 ，其信号传输介质为双 绞线，在国内的电力、石化、航天、汽车、冶金等不同行业均有应用，用c a n 做工程最大的特点就是启动成本低，其主要特点口刀如下： 1 c a n 总线具有国际标准，及i s o - 1 1 8 9 8 ； 2 通信方式灵活，网络上任一节点均可以在任何时刻向网上其它节点发 送信息； 3 c a n 网络上节点可分成不同的优先级，满足不同的传输要求； 4 c a n 可以实现点对点、一点对多点的通信方式； 哈尔滨理丁大学t 学硕i ：学位论文 5 c a n 直接通信距离最远可达1 0 k m s k p s ，通信速率最高可达i m b p s 4 0 m 。 c a n b u s 上的节点数据理论值为2 0 0 0 个，实际可达到1 1 0 个； 6 通信介质采用廉价的双绞线，无其它要求； 7 c a n 每帧信息都有c r c 校验及其他检错方式，大大降低了数据的出 错率。 基于c a n 总线具有上述优点，所以基于现场总线的d n c 系统多用c a n 总线作为传输的主要媒介，其通信结构如图2 1 。 转换 数控机床 总线 图2 1 现场总线式d n c 通信结构 f i g 2 - ld n c c o m m u n i c a t i o nb a s e do i lf i e l db u s 2 1 2 工业以太网技术与m a p 技术 2 1 2 1 工业以太网技术工业以太网是指其在技术方面与满足i e e e 8 0 2 3 标 准的商用以太网兼容、在产品设计时，对于产品的选用、硬度和适用性等方面 满足工业现场的需要，即在环境适应性、安全性、可靠性和安装使用方面满足 工业现场的需要的应用型以太网幽1 ，其传输介质有同轴电缆、双绞线及光线等。 由于它最大的特点是经济、简单并易为人们所掌握，所以今年来已经被广泛的 应用，他主要的优点嘲有成本低、通信速率高、软硬件资源丰富并易于与i n t e m a 连接，这使得工业以太网在d n c 上应用成为一种潮流。 2 1 3 2m a p 技术m a p ( m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 是美国通用电机 公司针对通信业务量大且许多设备不能相互进行数据交换等数控通信问题提 出并逐步完善的一种适合于工业生产的开放式通信系统的概念口叭。最初提出 m a p 协议的主要目的是口为了解决g m 公司内部自动化设备无法互相通信的 问题，但如今的使用价值却远远超过了通用公司的范畴而成为世界性公认的自 动化通信标准。由于m a p 标准的不断完善，目前新型机床的新型接口符合 m a p 协议，可以直接连入局域网中。 哈尔滨理_ t 大学t 学硕i ：学位论文 2 1 3 无线网络技术 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 出现于2 0 世纪9 0 年代。 近年来无线技术的发展，出现了移动上网、无线i n t e r n e t ，无线通信系统可以 省去铺设线缆的费用，同时不受传输障碍及布线困难d 2 1 等问题限制，所以有着 不可替代的灵活性，它主要由发信设备、传输介质和收信设备三部分组成。伽， 传输介质又称为信道，在信道中常常会引入干扰和噪声而造成通信质量的下 降。目前比较成型的无线网络技术，主要有i e e e 8 0 2 1 1 标准、无线a t m 技术、 h i p e r l a n 技术及蓝牙技术等。制。虽然已经有成型的无线网络技术，许多人预 示了完全取消电缆和线路连接方式的新时代即将来临，但是事物发展并不是很 好，无线局域网近几年发展较为缓慢日剐，主要原因有：人们认识理解和支持程 度达不到预期目标；销售市场不好；价格昂贵；安全系数有待提高等。 尽管无线通信技术最近发展缓慢，但是基于无线的d n c 通信方式在实际 的生产加工过程中还是有着重大的意义，其结构如图2 2 所示。 太同 有r s 2 3 2 接i x l 璃j - a s z 3 2 接口 有r s 2 3 2 接口 的数控机床 的数控机床 的数控机床 图2 - 2 无线局域网式d n c 通信结构 f i g 2 - 2d n c c o m m u n i c a t i o nb a s e do nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s 2 1 4 混合式通信方式的提出 在国内企业e l 益进步的环境下，企业内部设备逐渐的更新换代。但对于数 哈尔滨理- t 大学 t 学硕 ：学位论文 控设备来讲，为了节约成本，许多老式机床仍然继续投入使用，并未完全淘汰。 在这种模式下，车间内部往往是新旧机床结合同时投入生产，这就存在着机床 通信接口不统一及通信协议不统一等特点。 串行通信方式是非常普遍的通信方式，也是前期对于d n c 研究投入最多 的方式。从串行通信方式自身的技术层面来讲，由于串口自身条件距离制约， 使得点对点串行模式具有传输速率低、传输距离短等缺点口6 1 。所以要实行企业 大范围自动化，往往需要多台采集主机，网络构建较难，消耗成本巨大。 在现场总线通信方式中，c a n 具备了数据传输距离长、连接节点多、传 输时间短、受干扰率低等优点。虽然c a n 总线无法具有无线网络那样不用为 布线而苦恼，但c a n 总线在结构上只用一根总线将全部控制设备连接在一起， 不但降低了系统的成本，而且降低了组网的复杂性，也使得传输的稳定性及经 济实用性得到了一定的保证。 以m a p 为主的以太网通信从技术方面，m a p 可以说是实力雄厚口刀；但从 实施性方面，m a p 开发成本大，而且不适合我罔生产国情。虽然现在我国工 业制造业企业的数控加工设备逐渐更新，但是大多仍以老式机床( 无m a p 接 口) 为主，m a p 技术下的d n c 无法应用于老旧机床上，开发条件受到了很大 的制约。如果企业以m a p 为主的以太网通信方式则需要将所有无m a p 协议 接口的机床统统淘汰，这大大增加了企业的生产成本。以以太网为主的局域网 通信方式虽然不适合与数控设备之间的通信，但是它适合于企业上层的通信。 无线网络通信方式是数控生产车问最理想的通信方式，它不受生产条件的 恶劣而带来布线的不便，同时也是未来研究和发展的主流通信方式。但现存的 通信方式往往具有抗干扰能力弱、传输稳定性差及建网成本巨大等不稳定因 素。但对于干扰较小而布线能力困难的加工车间，则可以大规模应用无线网络 通信方式。 针对我国生产设备条件及上述四种通信方式的总结分析，单用一种通信方 式无法解决数控机床差异大的问题，所以必须采用以某种通信方式为主体，多 种通信方式并存的通信系统。针对车间生产的特点及布线要求，通信系统车间 层级的主要通信方式采用以c a n 总线为主。而对于具有m a p 的数控机床， 将其直接接入以太网，对于布线十分困难的车间或某个数控机床，结合实际的 生产成本和条件，在无线传输条件允许的范围内，可以采用无线式通信。由于 企业内部各部门通信方式以网络为主，所以企业层级的通信方式以工业以太网 为主。将c a n 总线、m a p 数控机床、无限式连接经过转换器和适配器接入到 哈尔滨理工大学t 学硕i ：学位论文 以太网中。 综上所述，本文通过对四种单一的网络通信方式的特点和企业生产条件的 综合分析，提出了以c a n 总线和无线通信为主、工业以太网为辅的混合式通 信方式。 2 2d n c 加工平台基础构建 2 2 1d n c 加工平台的层级构建 对于传统d n c 而言，只是用一台或数台计算机对多台数控机床实施综合数 字控制，甚至一度被人们称作“群控系统 ，在通信技术、网络技术、计算机 技术及数控技术不断飞跃的今天，网络化d n c 已经渐渐壮大。比较典型的网络 化d n c 系统是二层式d n c 和三层式d n c 啪1 。 2 2 1 1 二层式对于只有车间层和设备层的二层式d n c 控制模式而言，成本 低、结构简单及功能集中是其最大的优点。虽然它只有两层的结构，但d n c 主机往往具有与c a d 、c a m 及c a p p 等系统的接口也或是将其集成到性能高 的d n c 主机内，以实现通讯管理、生产计划制定、工艺设计、生产调度及实 施监控等。对于某一车问或部分车间实现d n c 式管理，二层式再合适不过， 不过要实现跨车间、跨部门甚至整个企业完成d n c 构建，二层式则稍显不足。 2 2 1 2 三层式对于具有企业层、车间层和设备层的三层式d n c 控制模式是 d n c 模式中的中高档模式，其主要结构如图2 3 所示。 图2 3 三层式网络化d n c f i g 2 - 3t h r e el a y e r so fd n c o i ln e t w o r k 企业层 车间层 设备层 哈尔滨理工人学工学硕卜学位论文 它的主要特点大大减少了d n c 主机的工作量，它只负责实时采集及控制、 上报等功能，而c a d 、c a m 及c a p p 等系统则是通过企业局域网进行传输给车 间层主机来完成工作。此外，这种模式可以多车间、跨车问甚至整个企业都可 以通过网络交换共享制造信息，是我国企业比较适合的d n c 】j i t - 平台的组网层 级方式。所以，网络化d n c 加工平台选用功能强大、组网难度较低的三层式 d n c 。 2 2 2d n c 加工平台的网络构建 每一种网络的构建都要求有布线、网络设备及服务器工作站等，这些要素 以多种方式综合起来，搭建出适合于企业生产条件的资源型网络。有些网络的 构建成本较低，但是升级成本较高；有些网络虽然构建成本较高、消耗较大， 但是无论从升级维护等方面，成本较低、容易操作。下面从网络拓扑结构及网 络传输介质两方面来研究d n c 加工平台的网络构建。 2 2 2 1 网络拓扑结构拓扑结构是指网络的物理布局和逻辑特征。其中的物 理布局是指网络的稚线，也常备称作电缆线路；其中的逻辑特征通常指网络信 号沿着电缆从一点到另一点传输的方法网络拓扑结构对于网络的性质、成本及 可靠性等问题有这很大的影响。常见的网络拓扑结构有坏型拓扑结构、星型拓 扑结构、网型拓扑结构、总线型拓扑结构和树形拓扑结构汹】。 结合五种拓扑结构各自的特点，在原有的总线型拓扑结构和树形拓扑结构 上加以改良的“树形总线型拓扑结构”作为本网络化d n c 加工平台的组网结 构，其结构如图2 _ 4 所示。 图2 - 4 树形总线型拓扑结构 f i g 2 - 4t o p o l o g ys t r u c t u r eo ff i e l db u so nt r e ef o r m 2 2 2 2 网络传输介质所谓传输介质是指网络通信中连接发送方和接收方的 呛尔滨理工犬学t 学硕一i j 学位论文 物理线路，它是传送信息的载体，分为有线传输介质和无线传输介质两种，根 据车间的需要，常见的有线传输介质有双绞线、同轴电缆和光导纤维h 引，它们 的主要性能对比通过表2 1 可以看出，光纤的可靠性和传递效果最好，但是初 始安装的成本最高，如果在环境及其苛刻的车间，则采用光纤，以保证传输稳 定；而在生产条件一般的普通车间，则可以用经济稳定的双绞线。针对d n c 加工平台所组成的工业以太网及现场总线网络，采取以双绞线为主，同轴电缆 为辅的网络传输介质，不仅能满足通信的可靠性要求，又能降低d n c 网络构建 的成本。网络化d n c 虽然在某些车间选用无线式网络通信，但在c a n 总线通信 及以太网通信方面还需要有线介质的辅助，由于c a n 总线维护不便，本文选用 稳定性较高的同轴电缆作为c a n 总线的网络传输介质；由于双绞线价格低廉， 所以选用双绞线作为以太网布线介质。 表2 - 1 网络传输介质性质 t 重b l e 2 1c h a r a g t o o ft r a n s m i s s i o nm e d i u m0 1 1n e t w o r k 2 3d n c 加工平台的结构设计 根据网络化d n c 加工平台的主要性能以及层级构建、网络构建等基本构 建及组网方式，采用企业层、车间层和设备层三层通信结构的数控系统集成方 案，所设计的底层通信以c a n 总线及无线网络连接为主，上层通信以工业以 太网为主的网络连接结构体系，网络化d n c 加工平台的结构如图2 5 所示。 由图中可以看出，系统的硬件主要由车间主机、配有智能接口卡的d n c 主机、 c a n 智能转换器、无线接口卡及数控加工设备等组成。从结构图中不难看出， 让符合m a p 标准具有m a p 接口的新型机床直接连入局域网；对生产条件适 中的具有r s 2 3 2 串行接口的数控机床通过智能转换器连接到c a n 网络，而没 - 有r s 2 3 2 的老式机床可以附加适配器再与智能转换器连接完成联网工作：对生 产条件布线困难的机床或车间，采用无限式网络连接。这种组网方式既照顾到 新机床又照顾到旧式机床，既考虑到生产条件适中的布线问题，又照顾到布线 苦难的机床与车间，是网络化d n c 加工平台理想的结构体系。 哈尔滨理丁人学t 学硕i ：学位论文 企业层车间层 企业服务器c a d c a m 服务器办公自动化系统车间层主机数据库服务器 m 照芸糕 忐卿b m l s 服务器 c a n , 总线yy c 笔娄蓍3 2 一接尸 设j 由盅器出黑l 罐= 型le 上一 廿= 亨，知划煳 有，艮1 莘t 蜘#l 甜喵1 0 苎堡鍪丝垦鱼垫有矗蟊2 接口翼一一：三 图2 5 网络化d n c 加工平台的结构体系 f i g 2 - 5s t r u c t u r eo fd n cp r o c e s s i n gp l a t f o r mo nn e t w o r k 2 3 1 企业层 企业层是连接车间层与企业各部门的层级结构，在企业层，可以完成产品 设计、优化、方针、。信息管理、加工任务下达、实时采集上报及生产关键因素 决策等工作。这一层的组网方式是工业以太网，它采用了i e e e 8 0 2 4 的局域网 标准，采用t c p i p 协议，其中t c p 协议的三层握手的连接机制配合网际协议 i p 可以使数据传输拥有较高的可靠性。传输介质选用光导纤维或同轴电缆以用 来曾强使用寿面，提高传输稳定性。 2 3 2 车间层 车间层是连接企业层和设备层的纽带，是整个d n c 加工平台的重要组成 部分，对上层企业层而言，车间层建立起计算机和计算机之间的工业以太网传 输，可以准确的接收上层提供的加工任务并加以处理；对下层设备层而言，车 间层可选性的获取加工信息，并把加工信息进行处理、汇总并储存到数据库服 务器中，另一方面，车间层d n c 计算机可以根据企业层的加工要求和加工指 哈尔滨理t 人学丁学顾l ：学位论文 令，从数据库中提取加工信息，并下发给设备层，从而高效得体的完成加工任 务。 车间层和企业层的联网方式为工业以太网，满足局域网的t c p i p 协议， 由于以太网具有功能强大传输速度快等功能，所以特别适合车间层和企业层的 组网。虽然局域网传输会有线路复杂等布线问题，但是对于环境良好的车间层 和企业层之间，这个缺点并不是十分严重。 车间层和设备层的信息传递方式有两种，一方面通过d n c 计算机的c a n 接口卡与c a n 网络相连，另一方面通过局域网与无线设备及m a p 型数控机 床相连。在这种连接方式下，具有m a p 接口的直接通过局域网与d n c 计算 机连接，而不具有m a p 接口的数控机床中，环境恶劣和布线困难的数控机床 建立无线通讯联入局域网，而一般型计算机则建立起c a n 网络，接入d n c 计 算机，完成数据通信。 2 3 3 设备层 设备层是d n c 主机与数控加工设备之间的网络，除m a p 型数控机床及 无线传输的数控机床外，其余数控机床生产条件良好，并且绝大多数具有串行 通信接口( 如r s 2 3 2 及r s 4 2 2 ) ，由于通信接口的条件，最早的d n c 设备层组 网方式通过串口实现，针对通信方式的自身条件和企业自动化的种种要求， c a n 总线和无线式通信是十分理想的设备层主要组网方式。 2 4d n c 平台的功能设计 根据网络化d n c 主要功能，本文通过引入模块化的设计方式，可以将网络 化d n c 加工平台分成若干个功能模块，使每个模块固定完成某一个或者几个功 能，从而保证模块间相互独立互不干扰；同时，模块之问又存在相互联系可以 通过配合组成一个完成的体系。 通过分析企业的生产要求和d n c 平台的主要功能，可将模块分成五个主 子模块：系统配置模块、程序管理模块、设备管理模块、任务管理模块及通信 模块，其结构如图2 - 6 所示。 1 系统配置模块参数设置和安全管理设置组成了系统位置模块。在这个 模块，通过角色管理的机制，定义了某角色的操作权限，管理员赋予新建的 哈尔滨理- 丁人学t 学颈l ：学位论文 图2 - 6 平台功能模块 f i g 2 - 6f u n c t i o n a lm o d u l e o fp l a t f o r m 用户以不同的角色，从而使得不同层级的拥护拥有不同的使用权限：管理员用 户具有添加新用户，设置用户角色等权力；普通用户不能使用软件中的主要功 能，则只能浏览或使用部分功能，使加工平台生产的安全性得以保证；系统参 数设置功能可以完成系统的通信参数进行设置，即对通信初始化进行