摘要：数控技术是衡量一个国家综合国力和工业现代水平的重要指标。在“两化融合”和“中国制造2025”背景下，物联网、云计算和大数据技术得到空前发展，制造技术正经历着由自动化、数字化、网络化向智能化方向发展的过程，数控机床联网技术是制造业向智能化转型的关键技术之一。文章主要针对面向智能制造的数控机床联网技术方面展开研究，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。
关键词：智能制造；数控机床；联网技术
引言：
文章针对目前数控加工企业的实际现状及面向智能制造的需求，在分析了数控系统的通信接口基础上，提出了面向智能制造的数控机床联网方案。设计的基于物联网的数控机床网关能适应多种数控系统共存，如FANUC、三菱、西门子的系列化数控系统，利用数控系统的窗口功能和特定寄存器功能对数控机床进行信息数据采集，为智能制造环境下数控机床联网提供了一种低成本组网方案。
1.数控系统通信接口分析
数控系统是数控机床的核心部件，可通过ＲS－232C接口、以太网接口、PLC的I/O接口、现场总线接口等方式与外部设备进行数据交换。
1.1ＲS－232C接口
串行通信接口ＲS－232C是中低端数控系统与计算机通信的主要通道。通常数控加工企业采用WINPCIN软件实现数控机床与计算机之间加工程序、宏程序、PLC程序及各种参数的传输和DNC加工。该接口传输距离短，因此每台数控机床必须需配置一台计算机。数控机床的网络化通信实现了数控机床的远程DNC加工和远程设备管理，一台计算机可以管理若干台数控机床，但是需要一个ＲS－232接口与TCP/IP、OPC、DDE或其他网络通信接口进行协议转换的网关。
1.2以太网接口
高端数控系统具备以太网接口，通过该接口数控机床可与计算机快速组网。数控系统公司提供的以太网专用软件可实现NC数据传输、远程控制及远程DNC加工等，但是专用软件收费昂贵且不与其它数控系统兼容，使用受到一定限制。Serv-U是一款基于FTP传输协议的服务器专用软件，数控加工企业通常将其用于远程计算机与多台数控机床之间进行NC数据传输和远程DNC加工。Serv-U软件具有高安全特性且支持多种数控系统，广泛使用于远程DNC加工。此外，通过对以太网接口进行软件二次开发还可实现数控机床远程控制、诊断、无人化操作和维修服务。
1.3I/O接口
PLC是数控系统的辅助控制器，通过I/O接口对机械侧进行辅助控制与信号检测。采用编码式通信不仅可以节约I/O资源，还可实现PLC与其他设备进行数据交换。PLC与CNC之间可以通过特定寄存器访问和窗口功能实现控制信号、状态信号、报警信息、刀具信息、参数信息及位置信息等数据的交换。
1.4现场总线接口
高端数控系统具有现场总线接口，用于与其他自动化设备组成现场网络。常用的总线标准主要有ProfiNet、ProfiBus、CC-link、CanBus等，不同品牌的数控系统使用的现场总线标准不同。现场总线具有数据交换的实时性、稳定性和可靠性，在自动化设备中广泛使用。总线协议转换器可以将不同总线标准的数控系统连接到同一个设备网络。
2.面向智能制造的数控机床联网设计
2.1智能制造的内涵
智能制造是把传统的制造技术和智能技术、数字技术、网络技术相互融合，应用于产品的设计、生产、管理和服务过程，在制造过程中进行感知、分析、推理、决策、控制，实现产品需求的动态响应、产品的快速开发与优化的制造活动。工业化与信息化及互联网的融合是实现智能制造的基础，而智能制造作为一个现代化制造系统，是多个系统的融合，包括智能设计、智能生产、智能管理、智能制造服务等内容。因此，实现制造工业领域全系统、全设备、全产业链的信息互通和实现制造业数据的无缝集成是推动智能制造发展的基础。
2.2数控机床联网方案设计
目前主要有两种机床联网方案，一种是基于DNC的数控机床联网方案，该方案采用ＲS－232C串行接口经接口协议转换器将串口转为以太网接口，或直接采用以太网接口将本机接入工厂局域网，主要解决车间信息集成问题，对车间的生产技术、技术准备、加工代码及加工操作等基本作业进行集中管理。这种机床联网方式虽然实现了远程DNC加工与管理，但是对机床本身的运行状态、刀具信息、故障状态等无法知晓，不利于智能制造技术的推广与发展。另一种是基于物联网技术的数控机床故障诊断，该方案具有远程、预警式故障机制，但是各种故障判定均基于相应的Zigbee传感器检测模块，忽略了数控系统本身丰富的故障诊断功能和PLC故障诊断方法，在远程DNC加工与管理方面缺乏。鉴于现有数控机床联网方案的不足，为适应智能制造发展趋势，本文提出一种面向智能制造的数控机床联网方案，将数控加工生产企业中的网络根据职能不同分为3个网络层级，分别为基于互联网的企业资源管理网络（企业层）、基于局域网的制造执行系统网络（车间层）和基于工业现场网络的现场控制系统网络（设备层）。
3.数控机床网关设计
3.1硬件结构设计
下图1是适合多种数控系统的机床网关硬件结构。在远程DNC加工方面，具备以太网功能的数控机床经ＲJ45接口直接接入工业级路由器，而仅支持ＲS－232通信的数控机床经串口转以太网模块接入工业级无线路由器，如图1a所示。在远程、预警式故障诊断方面，数控系统本身具有丰富的信息，通过系统PLC单元的窗口功能和特定寄存器功能对系统信息、状态信息、刀具信息、坐标信息、诊断数据、当前运行程序段及各电机的负载数据等进行数据采集，并将采集数据通过编码式通信发送到本网关，采集数据经处理器解析、存储与转换后由WIFI模块发送到互联网，如图1b所示。微处理器IAP15W4K61S4具有4K的SＲAM和4个串口，是本网关的核心模块，负责实现协议的转换、管理、安全等各方面的数据处理和存储。ESP8266模块内置TCP/IP协议栈，支持多路TCPClient连接和无线802．11b/g/n标准，具有高集成度、低功耗和易用性的特点，负责实现处理器串口数据与网络协议数据的转换。电平转换电路负责I/O模块的24V电平与TTL电平的转换[1]。
图1 数控机床网关硬件结构：
3.2软件结构设计
软件结构采用模块化设计思想并用C语言编写各模块程序。图2是数控机床网关软件程序流程图，系统上电后对硬件驱动进行初始化，采用SmartConfig一键配置功能对ESP8266进行网络配置，建立网关与数据服务器的连接并进入数据透传模式。网关与PLC之间的通信采用编码方式，与服务器及其他传感器模块之间的数据通信采用TLV（Type、Length、Value）数据格式模型。数据帧由帧头、帧类型、帧长度、数据包及帧尾组成。帧头采用0x55，0xAA，0x7E3个固定字节，帧类型和帧长分别由一个字节组成，数据校验采用异或校验、CＲC16校验双重校验以保证通信的可靠传输，帧尾采用0XD0结束一帧数据的传输。
图2 网关程序流程图：
结论：
简而言之，针对当前制造企业数控设备与企业信息系统直连薄弱、数控系统种类较多且互不兼容、远程预警式故障诊断缺乏等问题，本研究在分析数控系统主要通信接口的基础上，提出一种面向智能制造的数控机床联网方案，解决设备层级、车间层级与企业层级的联网问题。设计的基于ESP8266的物联网低成本数控机床通信网关为实现远程DNC加工和远程、预警式故障诊断提供了硬件平台。该技术方案适合FANUC、三菱、西门子的系列化数控系统，是面向智能制造的一种低成本组网方案[2]。
参考文献：
[1]卢艳军，任立义．网络数控系统的结构及关键技术的研究[J].制造业自动化，2015，2（1）：58－61．
[2]蒋浩天，雷航．基于协议栈的现场总线协议转换通用化设计[J].计算机技术与发展，2017，17（11）：15－18．
论文作者:娄永康
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/14
标签：数控机床论文; 接口论文; 数控系统论文; 智能论文; 网关论文; 以太网论文; 数据论文; 《电力设备》2018年第27期论文;