網絡化的全球制造已經成為未來制造系統的發展趨勢。作為網絡化制造系統的基本單元,網絡數控技術致力于研究數控系統的網絡通信功能。它將數控技術、網絡技術和計算機技術等先進技術融為一體,使數控系統能夠輕松上網,實現制造車間設備的集中控制管理,乃至遠程控制、遠程故障診斷、網絡制造,從而可以在全球范圍內,將具有不同數控類型的企業聯系起來,實現資源的共享和優化利用。本文首先分析網絡數控系統的發展現狀,然后對其發展中的關鍵技術進行了討論,提出一些觀點供參考。

1 傳統數控系統與網絡數控系統

　　網絡數控系統從其出現經歷了最初的DNC系統,到目前廣泛應用的FMS系統, 大多配置RS232C 串行接口、RS422工業接口,還有DNC ( direct numerical control - 直接數控)接口。為適應網絡技術的要求,許多數控系統還帶有與工業局域網絡(LAN)通信的功能。雖然它們已具有了一定的聯網功能,但采用的是主從式結構。信息交換基本上都采用下列3種方式:

　　(1) 選用符合MAP標準的DNC網絡接口軟件。

　　(2) 通過PC機與網絡相連。

　　(3) 通過“DNC裝置”或“數控機床集成器”來完成NC程序傳遞和機床狀態數據采集等功能。

　　數控系統本身并不具有網絡功能,且構成的網絡系統均為企業局域網,只能實現部分信息的傳遞,而不能實現全球資源的共享。另外,在這種局域網中,雖然利用PC機或接口作為橋梁實現了數控系統的聯網,但數控系統與通用PC機之間的通信線路由于速度低和可靠性差,往往成為系統中信息程度的瓶頸。再者,由于通用PC機和接口的應用,擴大了系統硬件規模,不僅提高了系統成本,而且增大了故障概率。

　　現代意義上的網絡化數控系統同傳統的“網絡數控系統”有著很大的不同。它是以通信與資源共享作為手段,本身具有網絡功能,基于Internet使得車間、企業乃至全球的制造系統聯為一體,支持遠程控制,使得遠程用戶能夠實時利用自主數控系統。網絡數控系統支持ISO2OSI網絡互聯規范,具有很強的開放性。它的聯網功能通過標準網絡設備來實現,而不需要其它的接口部件或者上位機。它支持標準的總線型、星型、環型等拓樸結構。從客戶/服務器的角度看,傳統CNC系統僅通過接口與外界進行部分數據交換,是封閉的;網絡數控系統從內部支持開放式系統互聯規范,它是開放的。

2 網絡數控的發展現狀

　　近幾年為使數控裝備滿足生產線、制造系統、制造企業對信息集成的需求,使之成為實現新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業、全球制造的基礎單元,目前世界各國的一些研究機構和生產廠商都在積極研究基于Java語言的網絡數控系統。歐洲、美國、日本各自成立了網絡數控系統的研究機構,并且都已經取得了重大進展,公布了部分研究成果。美國政府實施了EMC ( EnhancedMachine Controller,強化機構控制器)計劃,并于1999年推出了世界上第一臺基于Java語言的網絡數控系統。國際上一些著名數控機床和數控系統制造公司也都在近兩年推出了相關的新概念和樣機, 如在漢諾威EMO2001 展中, 日本山崎馬扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”(智能生產控制中心,簡稱CPC) ;日本大阪(Okuma)機床公司展出“ ITp laza”(信息技術廣場,簡稱IT廣場) ; 德國西門子( Sie2mens)公司展出的Open Manufacturing Environment (開放制造環境,簡稱OME)等。在國內,國家經貿委于2000年6月開始組織實施國家技術創新重點項目《新一代開放式數控系統平臺開發》,經過兩年通力協作,共同完成了國家標準《開放式數控系統總則》的制定,并于2002年12月頒布,在2003年1月正式實施。開放式數控系統國家標準的正式頒布,加速突破了對我國制造業制約最為嚴重的數控技術瓶頸,也為網絡數控技術的發展提供了良好的機遇和條件。一些高等院校和科研單位也對此進行了積極的研制開發工作,目前我國基本掌握網絡化數字化制造系統的基礎技術。如南京四開電子企業有限公司近期內推出的SKY5050數控雕銑機床,其采用的CNC為SKY2000N型數控系統,該數控系統以奔騰Ⅲ為管理核心,以高速DSP為控制核心,操作系統以W IN98為平臺,具有標準高速以太網接口,還具有大容量的硬盤(40G以上)以及128兆的內存。信息產業部第六電子研究所和利時公司,最近開發出基于LINUX操作系統支持SRECOS、PROF IBUS總線的網絡化數控系統。系統和現場設備之間只用一對光纜連接,可控制伺服電機達50軸以上,實現同步控制8軸以上,達到了國際先進水平。北京林克曼數控技術有限公司研制出基于W INDOWS2000 (NT)操作系統環境,采用SERCOS接口協議,具有在線及離線編程等功能的LMGQ2A型網絡數控管相貫切割機。

3 網絡數控系統研究中的關鍵技術

　　從網絡化的角度分析網絡數控系統的組成,其包含2個方面:內部網絡和外部網絡。

　　3.1 內部網絡

　　內部網絡是指數控系統內CNC單元與伺服驅動及I/O邏輯控制等單元以現場總線網絡連接。

　　3.1.1 內部網絡硬件

　　對于數控系統硬件,開放性主要是指其計算機、網絡、伺服系統及I/O邏輯控制等單元,應該具有統一的互聯標準,以實現互換性。為使數控系統硬件具有互換性,目前歐洲CNC制造商在其產品中廣泛應用SERCOS ( Serial Real2time Communication System,一種適于高速伺服控制的網絡接口協議,于1995年成為IEC1491國際標準)現場總線作為與數字驅動單元的接口,采用Profibus現場總線等作為與I/O邏輯控制單元的接口。

　　3.1.2 數據緩沖區的優化

　　當數控系統加工復雜零件時,程序較為龐大,特別是復雜零件的加工程序,一般以兆字節(MB)為計量單位,如一個普通的柴油機缸體模具的程序量就達到幾十兆。在網絡數控通信系統中,由于Internet網絡的不均衡和復雜多樣,網絡傳輸中有阻塞和阻斷的情況發生,這就有可能出現數控加工設備因暫時缺乏程序而加工停頓的現象,這在實際生產中往往是不允許的。這就涉及到數據通信緩沖區的優化問題。

　　解決方案就是構建數學模型,優化各通信設備專用通信單元數據緩沖區Buffer的大小。設數控系統程序消耗率為P,數控系統通信數據緩沖區Buffer的大小為Q;各數控設備通信設備的通信傳輸速率為V ,傳輸效率為E,通信單元數據緩沖區Buffer的大小為S;網絡的傳輸速率為v, 傳輸效率為c,傳輸阻塞時間為T。則優化目標S ,使之達到最大:

　　3.2 外部網絡

　　外部網絡是指數控系統通過Internet與系統外的其他控制系統或外部上位計算機以網絡連接。通過網絡對設備進行遠程控制和無人化操作、遠程加工程序傳輸、遠程診斷和遠程維修服務、技術服務,并實現資源共享。

　　3.2.1 支持多操作系統的工作平臺

　　網絡數控系統是一種支持全球制造的資源,其最基本的要求是能夠支持跨平臺操作。利用Java提供的功能實現硬件和操作系統的無關性,可以構建開放式控制平臺。Java語言比C和C + +語言的可靠性高,尤其適合網絡自動化,它使得通過網絡實現遠程診斷、遠程服務、遠程監控、遠程加工變得更加容易,因此美國、日本、歐洲等國都在積極研究基于Java語言的網絡數控系統。但是, Java并不能完全滿足需求。它存在著2個方面的缺陷:

　　(1) 內存的動態管理。Java為用戶自動清除內存中已經不使用的內存空間,使得GC算法的不確定性與實時計算相矛盾;

　　(2) 不能對底層內存硬件訪問。用戶一旦直接訪問底層設備,勢必破壞Java的跨平臺特性。

　　目前,通常是將操作平臺體系結構中融入Browser/Server體系結構(B/S體系結構) ,這也是和傳統數控系統的重要區別。為了實現在異構環境下的可移植性,即監控計算機和網關采用不同的操作系統時,網絡數控系統應口以Web的方式實現:從現場獲得的數據經網關通過Web服務器以HTML頁面的形式提供給監控計算機;監控計算機以瀏覽器作為訪問的客戶端工具實現交互過程,加工指令或程序以HTTP消息的形式通過Web服務器經網關傳送至現場節點,實現對數控機床的控制。

　　3.2.2 網絡數控系統的網絡通信功能

　　網絡數控技術的關鍵問題在于研究數控系統的網絡通信功能。為了共享計算機網絡的資源,就需要實現不同數控系統中各實體間的通信。這里的實體包括計算機終端和各種網絡數控系統及其它相關設備等。為了實現不同制造廠商通信網絡設備的兼容,并為計算機網絡標準的開發提供一個框架。國際標準化組織( ISO)制定了開放性數控網絡互聯標準通信模型(OSI) 。它是連接異種計算機的標準框架,其目的是為系統互聯標準的制定提供一個共用基礎,并引導計算機網絡和數據通信系統產品的開發,同時對網絡技術的發展起著一定的指導作用。

　　在OSI模型的應用層和傳輸層得到廣泛運用的TCP /IP協議是當前流行的Internet網絡所使用的網絡協議,已經成為計算機網絡事實上的標準。TCP / IP協議體系為傳輸層制訂了TCP協議(傳輸控制協議)和UDP (用戶數據報協議) 。與UDP協議相比, TCP協議是一個可靠的全雙工字節流的面向連接的協議,提供無差錯、無重復的數據發送服務,而且發送的數據是按順序接受的。對于數據的穩定性和正確性要求嚴格的網絡數控來說十分適用。

　　值得注意的是,支持全球制造的網絡數控系統并不一定要求車間的每臺數控機床都直接連接到Internet上。一般情況下仍然是通過車間局域網服務器連到Internet再經過防火墻連接到Internet上。網絡數控系統的核心是要求從設備級支持異地制造和全球制造。這就要求從全球聯網的角度重新審視數控系統的設計,使得任何一個數控系統都對應于開放系統互聯協議( ISO /SI)的相應層次(鏈路層、網絡層) ,都能支持Intranet/ Internet標準,從而達到開放性、互聯性、互換性和互操作性的要求。從這個意義上講,當前各種商品化的數控系統的聯網能力都還十分薄弱。

　　3.2.3　數控系統的操作實時性與可靠性

　　目前, Internet和Intranet多采用TCP/IP網絡協議,高速以太網和ATM網都支持這類網絡協議。但是在開放的Intranet內, TCP / IP網絡協議不易用于實時通信。主要原因是大多數計算機網絡不允許連續傳輸任意長度的數據量,而是將較長的數據拆分為小塊數據———包(Packet)單獨發送。一旦出現數據丟失時,需要重發丟失的數據。同時,邊加工邊傳輸數據這種方式本身就具有一定的局限性。一方面傳輸過程中容易產生現場干擾等不可預料的錯誤,另一方面加工中增加了一個傳輸計算機從而降低了數控系統的可靠性。更重要的是形成了網絡數控系統專用控制器通信的速度瓶頸?，F在的復雜型面切削加工一般都有高精度高速度的要求, 當復雜型面插補直線段的長度小于0.05mm時,專用控制器進行傳輸加工的速度只有每分鐘幾百毫米。這遠遠不能滿足型面雕刻、高精度曲面銑削等高速加工要求。

　　因此,網絡數控系統可以采用標準PC硬件和操作系統,擴大數控系統的存儲容量。使CAD、CAM計算的加工代碼可通過標準網絡一次傳輸到作為加工代碼儲存載體的硬盤上。

　　3.2.4 遠程監控與診斷

　　數控機床自動化程度的日益提高,復雜性的迅速增加引起了維修費用增高,停機損失巨大的問題。所以,網絡數控系統支持遠程監控在網絡制造中的作用變得非常重要,成為衡量數控系統性能的一個重要方面。通過對機床加工過程的實時監測,可以及時發現故障或異常情況。當數控系統產生故障時,數控系統生產廠家可以通過Internet對用戶的數控系統進行快速診斷與維護,可以大大減少維護的盲目性,提高設備完好率,滿足用戶對數控機床的遠程故障監控、故障診斷、故障修復的要求。

　　全球化計算機網絡的發展、多媒體技術的成熟、遠程視頻技術、傳感器技術的大量應用都為網絡數控系統具備遠程監控作用提供了堅實的技術基礎。在線監測主要包括機械故障、生產環境、底層設備主要部位,部件的傳感器信號,設備運行信號,底層設備及控制器的故障報警燈和狀態變化指示燈信號等。所有信息都應當不僅可在本地及時處理,還可將所有的監測信息加工成可以在網上傳輸的形式,發送給遠程監控和診斷中心。其中待解決的主要問題有:

　　(1) 遠程數據的傳輸、存儲和壓縮格式。實現遠程監控與診斷需要首先解決的問題之一就是遠程數據格式的統一問題,沒有統一的數據格式,就無法實現信息的交流。目前來看,各個公司、科研機構之間的監控和診斷數據格式并不統一。這種情況已經成為制約信息共享的瓶頸之一。

　　(2) 遠程設備數據的獲取方式。遠程設備數據的獲取方式由實時采集和非實時采集之分,但2種方式都要使傳統意義上的設備狀態監測終端通過Internet / Intranet從設備運行現場傳輸到遠程診斷中心的服務器上,從而獲得遠程設備的運行狀況信息。它們存在著對系統硬件要求較高,一旦網絡出現暫時阻塞等小問題,系統無法正確工作;手工編程難度大,而使用組態軟件又缺乏靈活性;客戶端和服務器端都必須安裝軟件,安裝調試難度大等缺陷。

　　(3) 監控與診斷數據庫的建立。監控和診斷數據庫的建立作為遠程監控和診斷中心設計的核心內容,其設計和構建是非常重要的。數據庫一般包括2部分:一部分是包含存放診斷專家系統知識的數據庫,存放設備信息、設備數據的數據庫,存放用戶信息、用戶問題及應答信息的數據庫等;另一部分是數據庫管理系統(DBMS) ,為用戶及應用程序提供數據訪問,并具有對數據庫進行管理、維護等多種功能。遠程監控和診斷數據庫的性能已經關系到數控系統運行穩定性的成敗。目前對數控系統遠程監控和診斷的研究才剛剛起步,只有國外幾家廠商利用網絡建立起了自己的數控系統遠程監控和診斷系統。

　　(4) 網絡監控與診斷的安全性。網絡監控與診斷的安性是非常關鍵而又復雜的問題,主要包括信息的完整、保密和可用等因素。對于集成了控制網絡的網絡數控系統來說,安全性更為重要。由于TCP / IP協議采用了較為寬松的安全策略,使得網絡安全收到威脅(包括操作系統的安全性及防火墻的安全) 。為了保證客戶端數據訪問、數據傳輸的安全性及數據的可靠性,必須建立一套安全策略。譬如,采用較為安全的操作系統WindowsNT、Linux等;制訂合法用戶的使用權限等級,采用口令系統,防止非法用戶的訪問;對于系統的招標投標機制,建立相應的聯絡口令,避免非法用戶接受和分配任務;采用防火墻技術,提高服務器端的安全等級;采用數據加密技術,防止數據在傳輸過程中被非法用戶竊取,造成生產技術的泄密等。此外,漏洞掃描和入侵檢測技術對提高網絡系統的安全性能也大有處。

4 結束語

　　網絡數控以Internet技術、通訊技術、數控技術和計算機技術為技術,遠程設計、數控編程和數控加工集成在一起,實現了數控系統等數控設備的網絡化和集成化,已成為數控系統發展的必然趨勢。它具有十分廣泛的技術內涵。文中涉及了國內外對網絡數控系統的研究現狀,對關鍵技術的探討僅僅是網絡數控系統在利用網絡資源進行生產應用的一個方面,有關利用網絡技術對數控系統大范圍內的資源優化課題有待于進一步探索。