DNC信息系統中串行通信技術的研究與開發

摘 要 為了有效地控制和管理數控機床的加工過程，本文從數據傳輸的角度，提出了一種滿足企業生產需求的數控機床數據傳輸系統的網絡體系結構。并在此基礎上，簡要分析了NC程序控制工作流程以及DNC計算機與數控機床通信的具體過程，并分析了系統實現的關鍵技術。 關鍵詞 DNC；串行通信；數據傳輸 The Research and Development of Serial Communication in DNC Information System Wang Yidong， Yan Kaiguo， Sun Guozi， Lou Peihuang (The CIMS center of NUAA，Nanjing 210016，China) Abstract：To control and manage the work process of a numerical controller effectively, the paper presents a network architecture of data transmission system which satisfies the requirement of enterprises. And based on this, the workflow of the NC program control and the concrete process of communicating between DNC computers and NC machines are briefly analyzed, and the key technology for the realization of the system is also analyzed. Key words：DNC; Serial Communication; Data Transmission 引言 當控制計算機與各數控機床相距較遠時，一般采用串行通信方式而不采用并行通信方式。這是因為并行通信系統的造價較高、眾多的連線不僅容易引入干擾，也容易發生線路故障。控制系統中常用的串行通信一般采用RS-232C串行總線標準。RS-232C是電子工業協會(EIA)推薦的一種普及型異步通信總線標準，目前已廣泛應用到了計算機系統中外圍設備與主機的連接中。但是RS-232C應用于計算機系統時存在如下問題：(1)傳送距離過近：由于受負載電容容許值的限制，其傳送距離一般不得超過15Ｍ；(2)電平偏移：由于信號地公用且通信雙方的信號地需連結在一起，RS-232C應用于長距離通信時信號地線上會存在較大的電流，使得電平發生偏移，容易造成傳輸錯誤；(3)潛在的接地問題：RS-232C總線有一個信號地和一個屏蔽保護地，通信中，雙方的信號地需連在一起，但是屏蔽保護地卻不一定允許接在一起，同時DTE的信號地與屏蔽保護地之間又不一定絕緣，這就存在一個潛在的接地問題，使得系統的抗干擾能力較差。 為了擴大串行通信的有效傳輸距離，提高通信傳輸速率，增強抗干擾能力，EIA制定了RS-422/485串行總線通信標準，也叫雙端接口電氣標準或平衡傳輸電氣標準。RS-422/485與RS-232C的關鍵不同之處在于將單端輸入改為雙端差分輸入，信號地不再共用，通信雙方的信號地不再連在一起。RS-422/485的優點在于：(1)采用雙端差分輸入，總線的抗干擾能力強；(2)互連雙方的信號地分立，兩條信號線形成回路，避免了電平偏移，同時也避免了RS-232C中的潛在接地問題；(3)輸出端采用雙端平衡驅動，其信號放大倍數高，信號傳輸距離遠。RS-422支持全雙工串行通信，RS-485支持半雙工串行通信。 在本文涉及的DNC（Direct Numerical Control or Distributed Numerical Control）信息系統中，由于每個生產單元的數控機床數目都遠遠超過計算機所配置的串口數（一般為兩個），因此在本系統采用了臺灣MOXA公司生產的C320Turbo/PCI型多串口卡/板，以達到擴展串口的目的。同時為了擴大通信的有效傳輸距離，本系統采用了RS-232長距光隔轉發器（串口長線收發器FC232）。在此基礎上，本文提出了一種滿足企業生產需求的數控機床數據傳輸系統的網絡結構，并對該結構中的DNC數據傳輸的實現進行了詳細的描述。 1 系統網絡體系結構 圖1所示為DNC數據傳輸系統的網絡體系結構。整個DNC數據傳輸系統由管理層和設備層組成，管理層由1臺計算機、RS-232C通訊擴展卡/板及有關外圍設備組成，用來完成零件NC程序的管理和傳送等功能。設備層由數控機床和相應通訊接口組成，其中通信接口具有雙向傳送功能，實現NC程序或者控制程序的雙向傳輸。DNC系統除了常規的NC程序上/下載外，還能較好滿足邊加工邊傳遞NC程序的要求。 圖1 系統網絡結構 有兩點需要注意的是，（1）當所要控制和通信的數控機床數超過DNC主機自配置的串口時，將會帶來一定的不便。本系統采用MOXA Intellio C320Turbo/PCI多串口卡（C32010T/PCI）和多串口擴展板（C32047T）來實現串口擴展的問題；（2）當DNC主機與數控機床通訊距離較遠時（超過15ｍ），使用標準的RS-232C電纜就不能進行有效的通訊了。另外，通訊雙方設備使用電纜直通連接，在兩端設備不共地或引入處有電源干擾時，往往會毀壞設備接口。本系統采用RS-232長距光隔轉發器（串口長線收發器FC232，成對使用）來解決10Km以內距離的RS-232設備間通訊時的延長距離和保護接口問題，其中FC232可以直接插在C32047T上，圖中的線起的是示意作用。由于FC232可直接插于RS-232接口上，不需外接電源，兼容RS-232接口軟件編程標準，這也給工程人員施工帶來方便。 2 系統串行通信的實現 2.1 NC程序控制工作流程 NC控制系統工作流程如圖2所示： 在DNC串口通信程序中，串口擁有自己獨立的線程，這些線程包括串口信號監視線程、串口數據接收線程和串口數據發送線程。其中主線程主要負責處理NC加工程序編輯、通信協議數據庫、界面信息等，而輔助線程負責監視串口信號、串口數據接收和串口數據發送。用主線程來專門處理信息，使程序能迅速響應命令和其他事件，用輔助線程來完成費時的工作，這樣可以避免由主線程處理這些工作時阻塞程序信息的處理。DNC計算機與數控機床通信的具體過程如圖3。 2.2 功能實現的關鍵技術 數據通信功能實現主要依賴于串口的連接，而連接與否的關鍵在于串口屬性的設置和各設備之間的連接方式。由于各數控機床的通信協議存在著差異，這就使得在設置通信串口屬性時與機床的配置一致。以FANUC-0T為例，該機床參數設置：TVON = 0；ISO = 1；I/O = 0；波特率設置參考0552參數；停止位設置參考0002參數的最后一位即STP（1為2，0為1），默認為2；奇偶校驗位設置為EVEN；數據位設置為7。如果設置有誤將會造成通信錯誤或數據傳輸失真。圖4為串口配置界面。 圖4 串口配置界面 同樣，各數控機床通信協議的不同，使得各設備間的連接方式也就不同，也就是說各串口之間的連線方法要有所不同，這里由于篇幅原因就不再贅述。 3 結束語 串行通信技術已在DNC通信系統中得到了廣泛的應用，其關鍵技術將主要圍繞提高NC程序傳送的正確性、快速性；減少信號干撓，提高可靠性等方面。使用VC語言編制的本DNC信息系統，實現制造過程的NC數據傳輸，該系統具有結構簡單、運行快速、工作穩定等特點，易于實施，對促進DNC技術的發展具有積極的意義。本文所述的DNC信息系統已在實際中得到了應用，并取得了良好的應用效果。 參考文獻： 1 王毅棟，樓佩煌，范興柱．DNC信息采集系統研究與開發[J]．制造業自動化，2002.1（24）：43~45 2 孫國梓，王毅棟，王金偉等．一種DNC信息系統研究與開發[J]．計算機工程與應用，2002.8，待發 3 邱公偉．實時控制與智能儀表多微機系統的通信技術[M]．北京：:清華大學出版社，1993 4 畢承恩．現代數控機床[M]．北京：機械工業出版社，1991