基于现场总线形式的DNC通信系统简介

基于现场总线形式的DNC通信

系统

(V6.1版)

简

介

软插件技术的完美应用

国家专利，专利号：98228025.4，专利授权日期：1999年6月19日

99年省级科技进步一等奖项目

基于现场总线形式的DNC通信系统(V6.0版)简介

1.国内DNC通信系统应用现状

随着计算机和通信技术的发展，DNC的概念已由直接数字控制（Direct Numerical Control）发展为分布式数控（Distributed Numerical Control）。近年来，数控机床占有率在我国呈逐年上升趋势，甚至出现了一些专门的数控车间，对数控机床进行集成化控制显得日益迫切。DNC是实现这一目标的主要方式，它相对 FMS而言，由于不强调物流自动化，因而投资少、见效快，DNC正日益得到广泛应用。目前国内多数数控机床只有RS232通信接口，对数控机床进行集成控制的DNC方式主要有三种：

1）单台DNC计算机对单台数控机床（点对点式）

对于单台数控机床，通常采用一台DNC计算机经RS232C接口对数控机床进行通信，完成NC程序和机床参数的上传或下传，短小NC程序可以一次性完整输入数控系统，而由于数控系统内存有限，长NC程序只能采取同步传输加工方式。由于RS232C通信距离短（一般最大为15米），DNC计算机必须放置在生产现场。

2）单台DNC计算机对多台数控机床（星型或多路RS232传输方式）

80年代末至90年代初，随着数控机床增多，各数控机床均需用DNC计算机通信。若仍采用一台计算机连接单台数控机床，则n台数控机床需配置n台计算机，由于当时计算机价格贵，DNC计算机和程序管理工作量大，在多台数控机床加工相同零件时，因操作人

图1 DNC通信星型拓扑结构

员修改加工程序易造成零件加工不一致，为此提出了单台DNC计算机连接多台数控机床方式，其通信拓扑结构如图1。

这种DNC通信结构尽管解决了投资问题，结构也简单，但也存在较多缺陷：（1）由于RS232C通信距离短，要求联网的数控机床相对集中；（2）整个网络为星型结构，信息交换都要经DNC计算机完成，当DNC计算机出现故障时，整个系统将瘫痪；（3）RS232C接口连线多，可靠性差；（4）当通信量增加时，DNC计算机负荷将增大，易出现通信竞争。因此，这种DNC通信系统主要用于加工程序的分配发送，当多台数控机床要求同时同步传输加工时，实现难度大，无法克服通信竞争。

为延长通信距离，使较分散的数控机床也能连网，可以在DNC计算机和数控机床间增加RS232长线驱动器，但仍无法克服上述后三个问题。

3）局域网加点对点式

随着车间数控机床数量和安装分散度的增加，采用上述星型通信网络无法满足实际生产需要。另外，随着计算机技术的发展，计算机的价格越来越便宜，工业PC机的价格企业也能够承受，数控机床与DNC计算机的通信又回到上述点对点式，这种方式能保证很好的实时性，且数控机床工作相互间不受影响。

数控机床通常用于单件、小批量、具有高附加值的复杂零件加工，其设计工作一般在CAD／CAM系统上完成，生成的NC程序需分发到DNC计算机上。随着车间数控机床的增多，加工零件频繁更换，CAD／CAM系统与DNC计算机间交换程序量多而大，很难人工完成NC 程序在CAD／CAM系统与所有DNC计算机间交换，为此，提出将CAD／CAM系统与所有DNC 计算机构成一个局域网，CAD／CAM系统生成的NC程序通过网络分发到各DNC计算机，该联网方案适用于数控机床多而分散的场合，具有连接简单，增减数控机床方便，信息传输速率高、可靠等优点，是目前国内应用最多的一种DNC通信方式，其网络拓扑结构如图2。

图2 局域网加对点式DNC系统结构

上述联网方案的实质是DNC计算机与数控机床间通过RS232C接口一对一连接，DNC计算机必须放置在生产现场，这种连接方式存以下缺陷：

（1） 采用的通信接口为RS232C，势必造成通信距离短，传输速率低，通常最高只能达到9600bps。

（2） 由于通信距离短，要求DNC计算机必须置于生产现场，承受粉尘和环境温度等影响。实际应用表明，DNC计算机故障率高，可靠性差。

（3） 操作不方便，操作人员需分别操作数控机床和DNC计算机，操作人员对DNC计算机往往具有完全使用权和可能修改NC程序，不便于生产管理，DNC计算机感染

病毒或由于程序错误修改产生废品甚至造成机床、工件或刀具损坏的情况时有发

生。

（4） 由于许多数控机床的购置时间及机床制造商不同，数控机床配备的数控系统也不尽相同，其通信接口、通信协议也不相同，因此，DNC通信软件需分别开发，

而制造企业往往不具备开发能力，向数控系统制造商购买这种通信软件又需花费

大量外汇。

（5） 工作在生产现场的DNC计算机要求其可靠性高，通常选用工业PC机作为DNC 计算机，一次性投入高。由于工作环境恶劣仍有较高的故障率，使用维护成本也

相应增加。

2.基于现场总线形式的DNC通信系统功能特点

基于现场总线形式的DNC通信系统是由重庆大学和重庆巨禾电子信息技术有限公司共同开发的专利产品，为国家863项目研究成果，成果经鉴定达到“国际先进水平”，该成

....

最多可

连16台

图3 基于现场总线形式的DNC通信系统网络拓扑结构

果获得了重庆市1999年科学技术进步一等奖。该系统综合了目前国内外在DNC通信方面的研究成果，针对以往DNC通信系统采用BitBUS或点对点式通信结构的不足，首次采用CANBUS现场总线技术作为数控系统集成化控制的通信平台，以软插件技术为异构型数控系统通信协议转换软件的设计核心，使得实现异构型数控设备的集成更为简便，系统运行更为可靠，操作更为方便。新型DNC通信系统拓扑结构及通信连接如图3，它具有如下功能特点：

（1）是一套适用于异构型数控系统（如FANUC、SIEMENS等不同种类和型号的新老数控系统）集成控制的DNC通信系统，结构简单，通信介质为廉价的双绞线，布线连接

方便，系统有良好的可扩展性，增加一台数控机床只需增加一个CAN通信前端单元，一台DNC计算机最多可连接16台数控机床。

（2）既可实现NC程序及数控系统参数从CAD/CAM系统中下传到数控系统，也可将数控系统中的NC程序或系统参数上传到计算机完成备份。操作方便、自动完成。

（3）能实现多台数控加工中心同时实时加工。通信优化算法和CAN的良好通信机制很好地解决了多机同时通信而引起的通信竞争问题，而多路RS232通信方式是无法从根本上解决通信竞争问题。

（4）DNC通信系统与CNC间的通信速率可以提高到19200 bps，零件表面的加工质量高。

（5）智能化处理干扰问题，可靠性高。DNC通信前端单元体积小，可集成在数控系统控制柜中，且本身能适应恶劣的粉尘生产环境和较高温度的生产现场，有很好的电磁兼容性，可靠性高。另外， DNC计算机可以为普通微机（但建议采用工业PC机），远离生产现场，置于恒温恒湿环境中，使系统的可靠性进一步提高。

（6）系统彻底改变了原有的操作方式，实现数控机床侧单边操作。操作工人只需根据生产计划和数控作业指导书，给定传送方式、盘符、路径和程序名，即可从数控机床面板上直接申请NC程序，系统将自动分配NC程序到对应的机床。类似的单边操作也可实现数控系统参数和NC程序备份。

（7）具有程序再开（也称断点续传）功能，解决了大型曲面零件等加工过程中由于发生扰动而使NC程序只得从头开始执行的生产效率低下问题。

（8）系统构筑成本低，容易实现少投入，高产出。一方面提高了数控设备的利用率，另一方面节省了系统的管理人员和维护成本。

3. 基于现场总线形式的DNC通信系统组成

系统由DNC计算机（PC机）、群控式数控设备的通信装置、DNC软插件集成通信监控管理软件和通信介质构成，其中“群控式数控设备的通信装置”获得了国家专利局实用新型专利（专利号为ZL98228025.4）。群控式数控设备的通信装置如图4，包括插入DNC计算机总线槽的CAN通信卡和安装在数控系统控制柜内的CAN通信前端单元（见图5）。

DNC软插件集成通信监控管理软件由系统设置、通信监控、通信日志、系统帮助等模块组成。（1）系统设置模块，用于输入系统各数控机床的型号、数控系统的型号和通信协议等，生成系统设置文件。（2）通信监控模块。当系统设置完成后，就可进入监控模块监控整个系统，完成DNC计算机与各数控系统间NC程序的传送，并记录通信日志。系统工作时，DNC计算机始终处于无人值守的监控状态，监控界面见图6。可按三种方式从数控机床操作面板向DNC计算机申请NC程序：S方式，一次完整传送方式，适用于小NC程序传送；D方式，同步传送加工方式，适用于大型NC程序的同步传送加工；N方式，程序再开方式，这是一种非常有效的传送加工方式，可显著提高数控机床的利用率。数控机床在加工时若出现扰动，NC程序传输被迫中断，此时新型DNC通信系统将自动记录断点状态，当再次以程序再开方式申请加工时，DNC系统能快速自动生成一个新的NC程序，使机床从断点处继续加工，从而免去了机床空运行时间，保证了加工的连续性和生产过程的稳定。断点续传功能为重庆市科委项目“DNC方式下加工中心程序再开功能的研究”的研究成果，该项目于1999年12月通过重庆市科委组织的鉴定，成果在制造自动化车间DNC集成化控制研究方面处于国内领先水平。（3）通信日志模块，记录NC程序申请的机床号、NC程序号、申请方式、申请时间、已传送NC程序的字节数以及加工完成时间等，这些信息可供生产管理系统使用，如统计设备的使用率，制定设备的中修大修计划等。

图4 群控式数控设备通信装置

图5 CAN通信前端单元与数控系统集成

图6 DNC系统集成监控界面

4. 基于现场总线形式的DNC通信应用情况

基于现场总线形式的DNC通信系统具有技术先进、集成方便、运行可靠、功能强、投资少、见效快等优点，适合于所有的数控加工车间、数控机床和普通机床混合的机械加工车间。对于企业充分利用现有数控设备，提高企业制造能力和制造水平具有重要的意义，有广阔的应用前景。该系统已在长安汽车股份有限公司、贵州遵义长征电器集团长征电器一厂、中国航天机电集团三院33所(北京)、望江机器制造总厂等大型企业应用，取得了很好的经济效益和社会效益。