网络化的全球制造已经成为未来制造系统的发展趋势。作为网络化制造系统的基本单元,网络数控技术致力于研究数控系统的网络通信功能。它将数控技术、网络技术和计算机技术等先进技术融为一体,使数控系统能够轻松上网,实现制造车间设备的集中控制管理,乃至远程控制、远程故障诊断、网络制造,从而可以在全球范围内,将具有不同数控类型的企业联系起来,实现资源的共享和优化利用。本文首先分析网络数控系统的发展现状,然后对其发展中的关键技术进行了讨论,提出一些观点供参考。

1 传统数控系统与网络数控系统

　　网络数控系统从其出现经历了最初的DNC系统,到目前广泛应用的FMS系统, 大多配置RS232C 串行接口、RS422工业接口,还有DNC ( direct numerical control - 直接数控)接口。为适应网络技术的要求,许多数控系统还带有与工业局域网络(LAN)通信的功能。虽然它们已具有了一定的联网功能,但采用的是主从式结构。信息交换基本上都采用下列3种方式:

　　(1) 选用符合MAP标准的DNC网络接口软件。

　　(2) 通过PC机与网络相连。

　　(3) 通过“DNC装置”或“数控机床集成器”来完成NC程序传递和机床状态数据采集等功能。

　　数控系统本身并不具有网络功能,且构成的网络系统均为企业局域网,只能实现部分信息的传递,而不能实现全球资源的共享。另外,在这种局域网中,虽然利用PC机或接口作为桥梁实现了数控系统的联网,但数控系统与通用PC机之间的通信线路由于速度低和可靠性差,往往成为系统中信息程度的瓶颈。再者,由于通用PC机和接口的应用,扩大了系统硬件规模,不仅提高了系统成本,而且增大了故障概率。

　　现代意义上的网络化数控系统同传统的“网络数控系统”有着很大的不同。它是以通信与资源共享作为手段,本身具有网络功能,基于Internet使得车间、企业乃至全球的制造系统联为一体,支持远程控制,使得远程用户能够实时利用自主数控系统。网络数控系统支持ISO2OSI网络互联规范,具有很强的开放性。它的联网功能通过标准网络设备来实现,而不需要其它的接口部件或者上位机。它支持标准的总线型、星型、环型等拓朴结构。从客户/服务器的角度看,传统CNC系统仅通过接口与外界进行部分数据交换,是封闭的;网络数控系统从内部支持开放式系统互联规范,它是开放的。

2 网络数控的发展现状

　　近几年为使数控装备满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求,使之成为实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元,目前世界各国的一些研究机构和生产厂商都在积极研究基于Java语言的网络数控系统。欧洲、美国、日本各自成立了网络数控系统的研究机构,并且都已经取得了重大进展,公布了部分研究成果。美国政府实施了EMC ( EnhancedMachine Controller,强化机构控制器)计划,并于1999年推出了世界上第一台基于Java语言的网络数控系统。国际上一些著名数控机床和数控系统制造公司也都在近两年推出了相关的新概念和样机, 如在汉诺威EMO2001 展中, 日本山崎马扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”(智能生产控制中心,简称CPC) ;日本大阪(Okuma)机床公司展出“ ITp laza”(信息技术广场,简称IT广场) ; 德国西门子( Sie2mens)公司展出的Open Manufacturing Environment (开放制造环境,简称OME)等。在国内,国家经贸委于2000年6月开始组织实施国家技术创新重点项目《新一代开放式数控系统平台开发》,经过两年通力协作,共同完成了国家标准《开放式数控系统总则》的制定,并于2002年12月颁布,在2003年1月正式实施。开放式数控系统国家标准的正式颁布,加速突破了对我国制造业制约最为严重的数控技术瓶颈,也为网络数控技术的发展提供了良好的机遇和条件。一些高等院校和科研单位也对此进行了积极的研制开发工作,目前我国基本掌握网络化数字化制造系统的基础技术。如南京四开电子企业有限公司近期内推出的SKY5050数控雕铣机床,其采用的CNC为SKY2000N型数控系统,该数控系统以奔腾Ⅲ为管理核心,以高速DSP为控制核心,操作系统以W IN98为平台,具有标准高速以太网接口,还具有大容量的硬盘(40G以上)以及128兆的内存。信息产业部第六电子研究所和利时公司,最近开发出基于LINUX操作系统支持SRECOS、PROF IBUS总线的网络化数控系统。系统和现场设备之间只用一对光缆连接,可控制伺服电机达50轴以上,实现同步控制8轴以上,达到了国际先进水平。北京林克曼数控技术有限公司研制出基于W INDOWS2000 (NT)操作系统环境,采用SERCOS接口协议,具有在线及离线编程等功能的LMGQ2A型网络数控管相贯切割机。

3 网络数控系统研究中的关键技术

　　从网络化的角度分析网络数控系统的组成,其包含2个方面:内部网络和外部网络。

　　3.1 内部网络

　　内部网络是指数控系统内CNC单元与伺服驱动及I/O逻辑控制等单元以现场总线网络连接。

　　3.1.1 内部网络硬件

　　对于数控系统硬件,开放性主要是指其计算机、网络、伺服系统及I/O逻辑控制等单元,应该具有统一的互联标准,以实现互换性。为使数控系统硬件具有互换性,目前欧洲CNC制造商在其产品中广泛应用SERCOS ( Serial Real2time Communication System,一种适于高速伺服控制的网络接口协议,于1995年成为IEC1491国际标准)现场总线作为与数字驱动单元的接口,采用Profibus现场总线等作为与I/O逻辑控制单元的接口。

　　3.1.2 数据缓冲区的优化

　　当数控系统加工复杂零件时,程序较为庞大,特别是复杂零件的加工程序,一般以兆字节(MB)为计量单位,如一个普通的柴油机缸体模具的程序量就达到几十兆。在网络数控通信系统中,由于Internet网络的不均衡和复杂多样,网络传输中有阻塞和阻断的情况发生,这就有可能出现数控加工设备因暂时缺乏程序而加工停顿的现象,这在实际生产中往往是不允许的。这就涉及到数据通信缓冲区的优化问题。

　　解决方案就是构建数学模型,优化各通信设备专用通信单元数据缓冲区Buffer的大小。设数控系统程序消耗率为P,数控系统通信数据缓冲区Buffer的大小为Q;各数控设备通信设备的通信传输速率为V ,传输效率为E,通信单元数据缓冲区Buffer的大小为S;网络的传输速率为v, 传输效率为c,传输阻塞时间为T。则优化目标S ,使之达到最大:

　　3.2 外部网络

　　外部网络是指数控系统通过Internet与系统外的其他控制系统或外部上位计算机以网络连接。通过网络对设备进行远程控制和无人化操作、远程加工程序传输、远程诊断和远程维修服务、技术服务,并实现资源共享。

　　3.2.1 支持多操作系统的工作平台

　　网络数控系统是一种支持全球制造的资源,其最基本的要求是能够支持跨平台操作。利用Java提供的功能实现硬件和操作系统的无关性,可以构建开放式控制平台。Java语言比C和C + +语言的可靠性高,尤其适合网络自动化,它使得通过网络实现远程诊断、远程服务、远程监控、远程加工变得更加容易,因此美国、日本、欧洲等国都在积极研究基于Java语言的网络数控系统。但是, Java并不能完全满足需求。它存在着2个方面的缺陷:

　　(1) 内存的动态管理。Java为用户自动清除内存中已经不使用的内存空间,使得GC算法的不确定性与实时计算相矛盾;

　　(2) 不能对底层内存硬件访问。用户一旦直接访问底层设备,势必破坏Java的跨平台特性。

　　目前,通常是将操作平台体系结构中融入Browser/Server体系结构(B/S体系结构) ,这也是和传统数控系统的重要区别。为了实现在异构环境下的可移植性,即监控计算机和网关采用不同的操作系统时,网络数控系统应口以Web的方式实现:从现场获得的数据经网关通过Web服务器以HTML页面的形式提供给监控计算机;监控计算机以浏览器作为访问的客户端工具实现交互过程,加工指令或程序以HTTP消息的形式通过Web服务器经网关传送至现场节点,实现对数控机床的控制。

　　3.2.2 网络数控系统的网络通信功能

　　网络数控技术的关键问题在于研究数控系统的网络通信功能。为了共享计算机网络的资源,就需要实现不同数控系统中各实体间的通信。这里的实体包括计算机终端和各种网络数控系统及其它相关设备等。为了实现不同制造厂商通信网络设备的兼容,并为计算机网络标准的开发提供一个框架。国际标准化组织( ISO)制定了开放性数控网络互联标准通信模型(OSI) 。它是连接异种计算机的标准框架,其目的是为系统互联标准的制定提供一个共用基础,并引导计算机网络和数据通信系统产品的开发,同时对网络技术的发展起着一定的指导作用。

　　在OSI模型的应用层和传输层得到广泛运用的TCP /IP协议是当前流行的Internet网络所使用的网络协议,已经成为计算机网络事实上的标准。TCP / IP协议体系为传输层制订了TCP协议(传输控制协议)和UDP (用户数据报协议) 。与UDP协议相比, TCP协议是一个可靠的全双工字节流的面向连接的协议,提供无差错、无重复的数据发送服务,而且发送的数据是按顺序接受的。对于数据的稳定性和正确性要求严格的网络数控来说十分适用。

　　值得注意的是,支持全球制造的网络数控系统并不一定要求车间的每台数控机床都直接连接到Internet上。一般情况下仍然是通过车间局域网服务器连到Internet再经过防火墙连接到Internet上。网络数控系统的核心是要求从设备级支持异地制造和全球制造。这就要求从全球联网的角度重新审视数控系统的设计,使得任何一个数控系统都对应于开放系统互联协议( ISO /SI)的相应层次(链路层、网络层) ,都能支持Intranet/ Internet标准,从而达到开放性、互联性、互换性和互操作性的要求。从这个意义上讲,当前各种商品化的数控系统的联网能力都还十分薄弱。

　　3.2.3　数控系统的操作实时性与可靠性

　　目前, Internet和Intranet多采用TCP/IP网络协议,高速以太网和ATM网都支持这类网络协议。但是在开放的Intranet内, TCP / IP网络协议不易用于实时通信。主要原因是大多数计算机网络不允许连续传输任意长度的数据量,而是将较长的数据拆分为小块数据———包(Packet)单独发送。一旦出现数据丢失时,需要重发丢失的数据。同时,边加工边传输数据这种方式本身就具有一定的局限性。一方面传输过程中容易产生现场干扰等不可预料的错误,另一方面加工中增加了一个传输计算机从而降低了数控系统的可靠性。更重要的是形成了网络数控系统专用控制器通信的速度瓶颈。现在的复杂型面切削加工一般都有高精度高速度的要求, 当复杂型面插补直线段的长度小于0.05mm时,专用控制器进行传输加工的速度只有每分钟几百毫米。这远远不能满足型面雕刻、高精度曲面铣削等高速加工要求。

　　因此,网络数控系统可以采用标准PC硬件和操作系统,扩大数控系统的存储容量。使CAD、CAM计算的加工代码可通过标准网络一次传输到作为加工代码储存载体的硬盘上。

　　3.2.4 远程监控与诊断

　　数控机床自动化程度的日益提高,复杂性的迅速增加引起了维修费用增高,停机损失巨大的问题。所以,网络数控系统支持远程监控在网络制造中的作用变得非常重要,成为衡量数控系统性能的一个重要方面。通过对机床加工过程的实时监测,可以及时发现故障或异常情况。当数控系统产生故障时,数控系统生产厂家可以通过Internet对用户的数控系统进行快速诊断与维护,可以大大减少维护的盲目性,提高设备完好率,满足用户对数控机床的远程故障监控、故障诊断、故障修复的要求。

　　全球化计算机网络的发展、多媒体技术的成熟、远程视频技术、传感器技术的大量应用都为网络数控系统具备远程监控作用提供了坚实的技术基础。在线监测主要包括机械故障、生产环境、底层设备主要部位,部件的传感器信号,设备运行信号,底层设备及控制器的故障报警灯和状态变化指示灯信号等。所有信息都应当不仅可在本地及时处理,还可将所有的监测信息加工成可以在网上传输的形式,发送给远程监控和诊断中心。其中待解决的主要问题有:

　　(1) 远程数据的传输、存储和压缩格式。实现远程监控与诊断需要首先解决的问题之一就是远程数据格式的统一问题,没有统一的数据格式,就无法实现信息的交流。目前来看,各个公司、科研机构之间的监控和诊断数据格式并不统一。这种情况已经成为制约信息共享的瓶颈之一。

　　(2) 远程设备数据的获取方式。远程设备数据的获取方式由实时采集和非实时采集之分,但2种方式都要使传统意义上的设备状态监测终端通过Internet / Intranet从设备运行现场传输到远程诊断中心的服务器上,从而获得远程设备的运行状况信息。它们存在着对系统硬件要求较高,一旦网络出现暂时阻塞等小问题,系统无法正确工作;手工编程难度大,而使用组态软件又缺乏灵活性;客户端和服务器端都必须安装软件,安装调试难度大等缺陷。

　　(3) 监控与诊断数据库的建立。监控和诊断数据库的建立作为远程监控和诊断中心设计的核心内容,其设计和构建是非常重要的。数据库一般包括2部分:一部分是包含存放诊断专家系统知识的数据库,存放设备信息、设备数据的数据库,存放用户信息、用户问题及应答信息的数据库等;另一部分是数据库管理系统(DBMS) ,为用户及应用程序提供数据访问,并具有对数据库进行管理、维护等多种功能。远程监控和诊断数据库的性能已经关系到数控系统运行稳定性的成败。目前对数控系统远程监控和诊断的研究才刚刚起步,只有国外几家厂商利用网络建立起了自己的数控系统远程监控和诊断系统。

　　(4) 网络监控与诊断的安全性。网络监控与诊断的安性是非常关键而又复杂的问题,主要包括信息的完整、保密和可用等因素。对于集成了控制网络的网络数控系统来说,安全性更为重要。由于TCP / IP协议采用了较为宽松的安全策略,使得网络安全收到威胁(包括操作系统的安全性及防火墙的安全) 。为了保证客户端数据访问、数据传输的安全性及数据的可靠性,必须建立一套安全策略。譬如,采用较为安全的操作系统WindowsNT、Linux等;制订合法用户的使用权限等级,采用口令系统,防止非法用户的访问;对于系统的招标投标机制,建立相应的联络口令,避免非法用户接受和分配任务;采用防火墙技术,提高服务器端的安全等级;采用数据加密技术,防止数据在传输过程中被非法用户窃取,造成生产技术的泄密等。此外,漏洞扫描和入侵检测技术对提高网络系统的安全性能也大有处。

4 结束语

　　网络数控以Internet技术、通讯技术、数控技术和计算机技术为技术,远程设计、数控编程和数控加工集成在一起,实现了数控系统等数控设备的网络化和集成化,已成为数控系统发展的必然趋势。它具有十分广泛的技术内涵。文中涉及了国内外对网络数控系统的研究现状,对关键技术的探讨仅仅是网络数控系统在利用网络资源进行生产应用的一个方面,有关利用网络技术对数控系统大范围内的资源优化课题有待于进一步探索。