基于PC的开放性数控系统在Intranet中的应用

开放式数控系统以其极大的优越性，已经成为未来数控系统的发展趋势。由于计算机技术，特别是PC机技术的高速发展，更给其带来了无限生机。网络技术近几年也取得了极大的发展，在企业中Intranet网络的扩张已成必然。在lntranet环境之下集成多个开放性的自动化加工设备，组成直接计算机数控网络，使企业中的设备如数控机床等具存极大的柔性、可控性和可重组性。这将大大提高企业适应多变市场的能力。

1开放性数控系统

    以前由于计算机技术的落后，通用微处理器的性能很差，不能满足数控机床对它的要求，为了提高数控系统的性能，就只有设计专用的计算机芯片，比如将插补运算直接做在超大规模集成电路里，这使得各个数控厂商都设计了专用硬件系统，并开发专用软件系统。自此以后数控系统走上了封闭性的道路。

    目前全世界的数控系统生产集中在少数几个大的生产商如Fanuc、Siemens、All公司中，它们生产的数控系统一般都是封闭的。这使得第三方生产商无法开发相关的应用；数控系统中无法应用最新的计算机软硬件技术。

    随着计算机技术的飞速发展，开放性cN12系统越来越受到瞩目。开放性的思想早在I987年就由美国学者首先提出来。开放数控系统使用通用的软、硬件支撑系统，使系统平台开放。开放性使得多个生产商能提供可复用的部件，这些部件可以无缝地组合在一起构成高性能低价格的数控系统。开放CNC系统对成为世界工业标准的TCP／IP协议有完美的支持。当前数控系统一般有两种形式的开放方案。第一种是保持原有的NC内核不变，加入PC前端，提供友好的用户界面等功能。这其实是一种半开放的系统，它是为了保护原有数控厂商的利益而提出的折衷方案。第二种是由PC完全控制整个数控机床的运作，采用通用的高性能计算机和通用的操作系统。在完全开放的软硬件平台上运行具有开放性特征的数控系统。这是一种完全开放的解决方案。它已经成为未来数控系统技术发展的主流。

    采用PC作为CNC系统的核心，形成开放的数控系统有着极大的优越性。第一，可以采用最新的计算机软硬件技术，由于通用微机的兼容性，性能更好的PC机可以换掉旧的PC机，用作CNC系统的核心。第二，可以极大地城少数控系统的开发费用。由于封闭的数控系统其硬件系统、操作系统等都是专用的，因而其开发费用是极高的，采用开放性策略，计算机硬件系统采用通用PC机，只要设计相应的接口模块就可以了。PC机中的Windows操作系统平台提供了极强的性能，还提供了许多强有力的应用程序开发工具，如Visual C + + 、lorland C + + Delphi、Visual Basic、JAVA等。利用这些开发工具可以迅速高效地开发出功能强大的CNC系统软件，大大降低了软件开发费用和开发周期。第三，软硬件价格均可降低。由于通用微机、通用操作系统极高的性能价格比，明显降低了cN12系统的价格。第四，有利于加强CNC系统的性能。以往由于运算速度的限制，许多数控功能是由硬件来实现的，现在这些功能已经能用软件来实现，这一方面可以增加系统升级能力，另一方面有些不能实现的功能现在可以用软件的方法来实现。第五，可以大大提高cNc系统的可扩展性、可维护性和易用性等。由于采用通用PC的软硬件系统。使得CNC系统的扩展、维护、使用和一个平常的应用程序一样简单。

    计算机技术的发展使开放式数控系统具有了强大的生命力。现在一台普通的微机其运算速度可达500MIPS（每秒执行5亿条指令），这已经达到了以前中型机的性能。而且根据著名的莫尔定律，计算机性能每l8个月提高一倍，而其价格下降一半。越来越强大的通用计算机系统，使得在这之上开发的开放式CNC系统完全有能力在性能上赶上或超过专用的系统。

2 Intranet的兴起

    Intranet就是内部网或企业网。可以定义为：在企业内部应用的Internet网络。Intranet是随着Internet（因特网）的流行而发展起来的，它具有]nternet的一切特性。同时由于它用于企业内部，其安全性、可靠性等都得到了加强。

    lnternet是基于TCP／IP协议的。由于有了这个协议，全球所有的计算机都可以用网络互连起来。因此TCP／IP协议可以说是]nternet网的核心。世界各国都在Internet网络技术上投人了大量的人力、物力、财力，使得Internet技术已经非常成熟，支持TCP／IP的网络产品极多，其性能价格比也很高。TCP／IP协议也成为全世界公认的工业标准。

    在企业内部人们一直有联网的迫切要求，以使企业内部的信息能自由流通，从而改善管理水平，提高企业竞争力。这是cIMS、敏捷制造等思想的一个重要基础，而Internet技术的出现和飞速发展为企业的网络应用提供了极好的机遇，人们将Internet技术应用到企业中，形成了Intranet。

    目前Intranet的应用主要有：www（环球网）、FTP（文件传输）、E—MAIL（电子邮件）、news（新闻组）、BBS（电子公告板系统）等。这些应用适合市场推广、市场调查、信息发布、信件往来等工作。在Intranet环境中，大量有用信息可以在企业内部自由流通，各个管理部门能够及时、高效地得到所需信息，经过分析研究作出决策，这对提高企业管理水平有很重要的作用。企业网同样对FMS、CIMS、敏捷制造思想的实现有着重要的意义。这些思想的一个重要基础是良好的网络环境，实现信息的自由流动。但无论FMS还是CIMS其成本很高，技术难度也很大。其中的一个原因是协议不统一和网络技术的落后。在八十年代初美国通用电机公司（GM）开发了制造自动化协议（MAP），到1988年MAP3．0问世。但由于种种原因，MAP协议并没有发展成为世界性的标准。在企业中一直有许多网络协议共存，企业建立统一网络的成本及难度都很大。直到TCP／IP协议成为事实上的工业标准以后，这个问题才得到解决。另一个原因是数控系统的封闭性，它使不同厂商生产的机床系统很难互连，而且第三方也几乎不可能开发相关应用。开放性的思想则完全解决了这个问题。通用软、硬件平台对TCP／IP有完美的支持：还允许第三方开发，并可以集成到一起。只要是开放系统都可能联到Intranet网内，还可以集成不同厂商的软、硬件产品，这样集大量厂商的力量就可以建成高性能、低价格的自动化加工系统。

3 开放式CNC系统在Intranet中的应用模式

    将开放式数控机床系统看作最小的生产单元，以Intranet网络环境为基础，将多台开放式自动化设备直接联在一起，就构成了直接计算机数控网络（Direct CNC Networking简称DCN）。它将是未来自动化生产系统的重要方式。

    DCN是建立在统一的网络环境Intranet之上的，采用TCP／IP协议为核心，统一的网络环境使任何联网的两台设备之问均可相互交换信息，这使得网上设备的管理具有极大的柔性。TCP／IP协议其实是一组协议，它的底层是物理层和数据链路层，可以采用各种不同的网络产品，如以太网、令牌环网、令牌总线网、光纤网、ATM等，这些网产品其技术已经成熟，产品的性能价格比很高，用这些新产品组成的Intranet，费用相对低得多。对于极普通的以太网lOBaae-T来说，它的带宽可达10MBPS，即每秒传送10M 字节，这样的带宽可以保证数据传输的实时性。例如一个复杂三维曲

面，经造型系统生成的NC代码文件可达200M，考虑到网上有多个设备共存，实际传输速率为1MBPS，则传输200M文件仅需200秒，而一台高性能数控机床加工这个曲面可能需要几个小时，也就是说加工这个曲面可能需要几个小时，也就是说数据的传输时闯远小于实际加工时间。而且现在100M以太网技术已经成熟，更有带宽更高的以太网、FDDI、ATM等。TCP（传输控制协议）也提供了完善的可靠性保证，它采用了连接管理、确认与超时重传机制、流量控制等技术。这些技术有效地保证了可靠性。

    并不是所有设备都可以进人DCN网的，只有具有开放性特征的设备才能高效地联到DCN中。开放系统采用通用操作系统，对TCP／IP有完美的支持，仅用很小代价就可联网。开放性系统可以提供大量及时的、有价值的信息供网络中任何一台设备访问，例如机床的工作状态，各种切削参数，刀具状况，当前工作进度等，而网上的管理、控制计算机可以随时查询上述信息，利用专家系统、管理系统进行判断运算，做出决定，发出相应的指令，而开放系统根据接收到的指夸来调整机床的工作。

    DCN还允许各种CAD／CAPP／CAM 系统的加入．由于大多数这样的系统都能支持TCP／IP协议，一旦这些系统进入Intranet，它们的运算结果就可以直接传送到任何联网的系统中。因而在DCN环境中可以方便地将各种开放系统集成起来。

    图1是一个由四台开放数控机床系统和二台工作站组成的一个DCN系统模型。它们用Intranet互连、一台工作站上面运行CAD／CAM／CAPP等大型软件系统，叫做辅助计算机，它的作用是根据产品的设计生成数控代码。另一台工作站上运行管理调度监控软件。称为控制计算机，它是整个系统的中心，作用是监控各设备运行情况，胁调系统中其它设备的运行，其它四个是开放式数控系统，运行于PC机上基于Win．dows平台，执行加工任务，向控制计算机发送机床运行信息，并向阿上其它设备提出某些请求，响应控制计算机发来的命令，接收来自辅助计算机的NC代码，并执行之。

    在一个典型的DCN系统中，其工作流程是这样的：

    1）CAD／CAM／CAPP中的CAD系统设计出产品，CAPP作出工艺流程，CAM 系统生成相应的NC代码。

    

    2）由控制计算机分析各数控机床系统工作情况，并指示将相应的数控代码由辅助计算机分别传送到每台数控机床系统。并指示数控系统做好准备工作。

    3）数控机床执行接收到的NC代码，并将加工过程中的机床状态发送绐控制计算机。在加工过程中碰到异常情况，请求控制计算机处理。

    4）加工结束后，数控系统向控制计算机发出加工结束信号，并请求新的加工任务。

    5）全部加工结束后，控制计算机通知各系统停止工作，进行相应的后处理。

    在这些过程中，2）、3）、4）是可重复的，因为每台机床系统可能都需接受多个NC代码文件，执行多个加工任务。它可将NC代码文件存于硬盘上，在加工时调用，也可以在加工时直接从网上传送过来在系统中采用客户端／服务器的计算结构，控制计算机作为客户端，辅助计算机和四个数控系统作为服务器，服务器接收来自客户端的请求，作出相应的响应，并把运行结果返回给客户端。实际上一旦建立连接以后，双方都可以相互传送或接受请求，网上任两台设备之间的信息传输都是双向的，因而它们实际上互为客户端／服务器。

    系统中每台开放式数控系统都是一个自治系统。它可以自动执行一些命令，对加工中的各种情况能够作出相应的处理。特别是一些紧急情况，如撞刀，它需要系统在几毫秒内作出反应，数控系统可以自动地作出应急处理，而在网络上的计算机是不可能在这么快的时间内相互传送信息并作出相关处理的。数控系统自动地处理紧急情况，控制计算机处理不太紧急的事件。网上传输的信息是命令级的，如下载NC代码，传输加工状态，实现设备监控等。这样方面保证了可靠性、安全性，还减少了阿上传输的数据量。在一个企业中可以有多个DCN系统。这些系统经过Intranet联在一起，和企业中的MRPⅡ系统、MIs系统等形成一个整体，如图2所示。这些管理系统可以从DCN系统中的控制计算机中得到相关信息，也可以直接从开放式机床系统中得到更详细的信息。在这样的统一网络中，DCN系统和其它的管理系统可以无缝地联在一起，并可以提供充分的有用信息供使用，从而有效提高管理水平。

    DCN系统由于建立在统一的网络之上，因而其硬件的费用低，而且由于使用通用操作系统，它们都支持TCP／IP协议，因而软件的支持环境也极易建立 这些都无需重新开发，所需开发的软件只有系统中的网络应用。这对于网络硬件水平低、长于开发应用程序的中国人来说是一个极好的选择，开发费用也会大大降低。开放式数控系统均可以提供大量的机床内部运行信息，供阿上计算机使用，这可以大大提高管理水平。Intranet网在企业中的一个整体，还和Internet联在一起。只要是联在Intranet或Intrernet上的设备都可以组在一起，形成DCN系统，它消除了地理上的限制，不同车间、甚至不同工厂的设备可以组成DCN，这给敏捷制造提供了很好的条件。DCN的可重组性也是很好，当一个DCN系统完成一个加工任务后．其中的设备可以马上重新组成新的系统，去完成新的任务，这不需要物理上的重组，只需在相应的控制计算机上运行对应的网络程序，信息就可以在新的I）CN系统内有序流动。

    利用开放式数控系统和Intranet组成的DCN系统具有硬件成本低、软件开发费用步、性能好、柔性高、可重组性好等优点。它对实现敏捷制造的思想有很高的使用价值．在企业响应快速多变的市场方面，将发挥重要作用。