摘要： 討論在網(wǎng)絡數(shù)控制造系統(tǒng)中常用的基于串口服務器的DNC 通訊接口模式，分析各個集成DNC 系統(tǒng)接口模式的含義及其特點，提出了基于串口服務器的異構數(shù)控系統(tǒng)的DNC 集成方法，討論了網(wǎng)絡數(shù)控制造系統(tǒng)中基于串口服務器的集成DNC 系統(tǒng)的發(fā)展方向。

　　DNC 分布式數(shù)字控制（ Distributed Numerical Control） , 是以計算機技術、通訊技術、數(shù)控技術等為基礎， 把數(shù)控機床與上層控制計算機集成起來， 從而實現(xiàn)數(shù)控機床的集中控制、管理， 以及數(shù)控機床與上層控制計算機間的信息交換。它是現(xiàn)代機械加工企業(yè)實現(xiàn)設備集成、信息集成、功能集成的一種新方法， 是制造自動化的重要模式， 也是實現(xiàn)CIMS 等集成制造系統(tǒng)的重要組成部分。

　　在過去十幾年， 人們將大量的精力投向FMS（Flexible ManufactureSystem）系統(tǒng)的研究， 但實際應用結果表明， FMS 的這種不僅注重信息流的集成， 更強調(diào)物流的集成與自動化， 雖然具有運行效率高和自動化程度高等優(yōu)點， 但投資風險大、見效慢、可靠性較差。相對于FMS, DNC 是投資小、見效快、并具有較好柔性的集成制造系統(tǒng)。隨著計算機技術、數(shù)控技術和網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展， DNC 的內(nèi)涵和功能也在不斷擴大， 目前DNC 系統(tǒng)已具備制造數(shù)據(jù)傳送、狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與處理、刀具管理、生產(chǎn)調(diào)度與監(jiān)控、單元控制和CAD/CAPP/CAM接口等功能。

　　在分析現(xiàn)有DNC 主機與數(shù)控系統(tǒng)通信接口功能的基礎上， 從DNC 通信接口功能的角度可將DNC 分為基本DNC、狹義DNC 和廣義DNC 三種?；緝?nèi)容如表1 所示。

表1 DNC 分類

　　目前， 在實際DNC 系統(tǒng)集成應用中，常采用基于串行口通訊的接口模式、以太網(wǎng)絡模式。筆者重點對以上DNC 的二種通訊接口模式分別介紹。

　　1 基于串行口通訊的DNC 接口模式

　　利用數(shù)控機床提供的RS232C 或RS485 接口， 采用點對點型或星形拓撲結構， 實現(xiàn)串行通信。這是目前在車間中應用多的一種通信方法， 但這種通信方法存在工控微機多、投入成本高、管理和維護工作量大和易于出錯等缺點。目前使用的數(shù)控系統(tǒng)大多帶有RS232C 串行通信接口。利用該RS232C 接口可直接實現(xiàn)基本DNC 通信和狹義DNC 通信功能。

　　1.1 帶串口擴展卡的DNC 通訊接口模式

　　帶串口擴展卡的DNC 接口模式是上世紀90 年代中期出現(xiàn)的模式， 如圖1 所示， 在當時大家還普遍使用單機傳輸?shù)哪甏?此方式是一種創(chuàng)新， 可以說它代表了當時我國DNC 產(chǎn)品的水平。MOXA C320Turbo 卡（ 或其它多路串行通訊卡） 是通過ISA（ 或PCI） 插卡的方式與計算機連接， 再通過一根帶屏蔽的10 芯電纜線連接通訊模塊， 每個通訊模塊帶8 個通訊口， 可以實現(xiàn)多個通訊模塊級聯(lián)， 每個通訊口多帶8 個節(jié)點， 每個計算機又可以擴展4 個ISA（ 或PCI） 插卡， 這樣一臺計算機多可以擴展256 個RS- 232 接口。通訊模塊與計算機之間距離不能太長， 一般在十幾米左右。

　　1.2 帶串口服務器的DNC 通訊接口模式

　　串口服務器的功能是將來自TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)包， 解析為串口數(shù)據(jù)流； 反之， 也可以將串口數(shù)據(jù)流打成TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)包，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸， 它能將多個串口設備連接并能對串口數(shù)據(jù)流進行選擇和處理， 把現(xiàn)有的RS232 接口的數(shù)據(jù)轉化為IP 端口的數(shù)據(jù)， 這樣就能夠將傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)送上流行的IP 通道， 而無須過早的淘汰原有的不帶以太網(wǎng)模塊的數(shù)控系統(tǒng)設備， 從而提高現(xiàn)有設備的利用率， 節(jié)約了投資， 簡化了布線， 如圖2 所示。在數(shù)據(jù)處理方面， 串口服務器完成的是一個面向連接的RS232 鏈路和面向無連接以太網(wǎng)之間的通訊數(shù)據(jù)的存儲控制， 系統(tǒng)對來自串口設備的串口數(shù)據(jù)流進行處理， 并進行格式轉換， 使之成為可以在以太網(wǎng)中傳播的數(shù)據(jù)幀，對來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀進行判斷， 并轉換成串行數(shù)據(jù)送達響應的串口設備。在實際應用方面， 串口服務器將具有TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)接口映射為Windows 操作系統(tǒng)下的一個標準串口，應用程序可以像對普通串口一樣對其進行收發(fā)和控制， 因此，串口服務器在數(shù)控系統(tǒng)組網(wǎng)中的功能是把來自數(shù)控系統(tǒng)的任何信息透明地傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)上的任何一個計算機， 也可以把來自局域網(wǎng)的任何信息透明地傳輸給數(shù)控設備； 相當于局域網(wǎng)和串口設備的網(wǎng)關通過為串口服務器配置IP 地址， 使數(shù)控機床成為局域網(wǎng)中的一個節(jié)點， 從而擁有局域網(wǎng)的部分功能， 實現(xiàn)資源共享。

　　例如MOXA CN2516 多路串口服務器， 在組網(wǎng)時它可以是局域網(wǎng)絡上的一個節(jié)點， 通過HUB 或交換機來與NC 程序管理計算機相連， 這樣， 它可以放在車間的任一固定位置上， 大大減少了車間到管理中心部門的布線， 另外， CN2516 還可以在多臺計算機上安裝其驅動程序， 多臺計算機可同時進行監(jiān)視控制， 給用戶的維護工作帶來方便， 網(wǎng)絡結構如圖3 所示。

圖3 帶串口服務器的廣義DNC 網(wǎng)絡結構圖

　　串口服務器真正的優(yōu)勢以及價值的體現(xiàn)并不是表現(xiàn)在直連方式的應用上， 將設備連接到以太網(wǎng)上是它重要的目的， 通過串口服務器將數(shù)控設備連接到以太網(wǎng)上，其接線方式非常簡單，只需要將串口服務器連接到集線器或者交換機上即可，通過設置串口服務器的IP 地址， 就可使串口服務器成為以太網(wǎng)上的一個節(jié)點，從而使連接到該串口服務器的數(shù)控系統(tǒng)連接到以太網(wǎng)上，通過該組網(wǎng)方式能夠將不同的數(shù)控系統(tǒng)，不同形式的串口（如RS232、RS422 和RS485）， 連接到以太網(wǎng)上， 實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的異構組網(wǎng)。該組網(wǎng)方式可以將整個企業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡上，在組網(wǎng)過程中， 除了可以利用交換機和集線器擴展外，還可以利用工業(yè)以太網(wǎng)交換機， 如MOXA EDS508, 可以擴展不同型號的串口服務器，實現(xiàn)數(shù)控設備的靈活組網(wǎng)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡資源的共享和對所有數(shù)控系統(tǒng)的集中管理、控制，為網(wǎng)絡制造技術搭建平臺，網(wǎng)絡結構如圖4 所示。

圖4 帶串口服務器的廣義DNC 以太網(wǎng)絡結構圖

　　2 基于串口服務器的以太網(wǎng)DNC 模式

　　隨著工業(yè)以太網(wǎng)的快速發(fā)展， 工業(yè)自動化通信網(wǎng)絡正在逐步統(tǒng)一到工業(yè)以太網(wǎng)，并正在向下逐漸延伸。基于工業(yè)以太網(wǎng)和TCP/IP 技術在DNC 通信系統(tǒng)的應用研究已成為DNC 技術研究的新方向， 以太網(wǎng)速度從原始的10Mbps 提高到100Mbps以至到今天的1000Mbps, 足夠的帶寬和交換式集線器的應用解決了以太網(wǎng)的不確定問題，使以太網(wǎng)有能力滿足實時系統(tǒng)的要求， 其次， 以太網(wǎng)交換機為連接在其端口上的每個網(wǎng)絡節(jié)點提供了獨立的帶寬， 連接在同一交換機上面的不同設備不存在資源爭奪， 這就相當于每個設備獨占一個網(wǎng)段； 再次， 全雙工通信技術又為每一個設備與交換機端口之間提供了發(fā)送與接受的專用通道， 因此使不同以太網(wǎng)設備之間的沖突大大降低或完全避免。故越來越多的基于以太網(wǎng)的工業(yè)通訊網(wǎng)絡得以在DNC 系統(tǒng)中應用。

　　對于某些具備以太網(wǎng)接口的先進加工中心等數(shù)控設備和微機設備， 可直接連接到交換機； 對于只具備RS232 或RS485等串行接口的數(shù)控設備，通過串口服務器（如MOXA Nport5210）轉換為以太網(wǎng)接口，然后連接到交換機。DNC 服務器通過以太網(wǎng)交換機與底層的數(shù)控設備實現(xiàn)信息互通，從而實現(xiàn)服務器對數(shù)控設備的聯(lián)網(wǎng)控制管理， 如圖5 所示。

圖5 基于以太網(wǎng)的DNC 模式結構圖

　　基于以太網(wǎng)的DNC 系統(tǒng)使車間乃至整個企業(yè)的信息網(wǎng)與DNC 通信網(wǎng)絡得以整體集成， 而且可以直接將數(shù)控機床接入Internet,實現(xiàn)遠程信息的傳輸，適應了現(xiàn)代網(wǎng)絡制造的需要，同時企業(yè)聯(lián)盟可通過訪問Internet 互聯(lián)網(wǎng)， 在企業(yè)聯(lián)盟各自的服務器之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的流通。企業(yè)內(nèi)部的DNC 系統(tǒng)通過服務器接口，對外提供服務和資源的共享。為了防止企業(yè)聯(lián)盟間在Internet 上進行的信息流通和協(xié)作活動所出現(xiàn)的網(wǎng)絡安全隱患?？墒褂肰PN 技術在企業(yè)聯(lián)盟間建立虛擬的專用網(wǎng)絡。

　　VPN 具有高度的網(wǎng)絡安全性，容易擴展而且適應性強，企業(yè)對網(wǎng)絡擁有充分的控制權，隨時可以與外界進行連接。因此，使用VPN 技術將制造企業(yè)聯(lián)盟的車間DNC 系統(tǒng)通過VPN 集成起來，實現(xiàn)聯(lián)盟間的網(wǎng)絡化設計、生產(chǎn)制造，是當前網(wǎng)絡化制造環(huán)境下可行的、安全的制造模式。

　　3 結束語

　　信息技術和計算機網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展給制造業(yè)帶來了巨大的影響。在當今經(jīng)濟化的時代，為了快速響應市場需求， 提高企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)能力， 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期， 降低開發(fā)成本， 提高企業(yè)的競爭能力， 制造企業(yè)必須要從傳統(tǒng)制造模式進入網(wǎng)絡化的生產(chǎn)制造模式。網(wǎng)絡化制造模式作為一種先進制造模式，提供了制造企業(yè)在網(wǎng)絡環(huán)境下從產(chǎn)品設計到生產(chǎn)制造終到管理和營銷等業(yè)務的具體實現(xiàn)技術。在網(wǎng)絡化制造模式下，DNC 系統(tǒng)作為現(xiàn)代機械制造企業(yè)的一種先進運行模式，其功能不僅包括車間底層制造設備的通信和集中控制管理，還向上延伸至企業(yè)的其它部門，乃至制造聯(lián)盟以及合作企業(yè)部門間的信息通信集成。通過DNC 系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術可實現(xiàn)企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟間的資源重新配置和重組，以及新產(chǎn)品的協(xié)同設計和遠程制造加工。