國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)DNC網(wǎng)絡(luò)接口解決方案及實(shí)現(xiàn)＊*

房志亮 劉本剛 方柏鑫 胡 毅

(①中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽 110034;②沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽110168)

隨著“工業(yè)4.0”及“中國制造2025”的大力推進(jìn)，以信息化和工業(yè)化深度融合的智能制造技術(shù)加快了發(fā)展進(jìn)程，制造生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)成為生產(chǎn)制造過程中必不可少的組織生產(chǎn)和生產(chǎn)管控的重要手段，其中基礎(chǔ)一環(huán)是車間底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，又稱DNC 網(wǎng)絡(luò)，它是直接連接生產(chǎn)設(shè)備并負(fù)責(zé)與上層制造管理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互的車間級網(wǎng)絡(luò)［1］。當(dāng)前DNC 網(wǎng)絡(luò)能夠支持國際主流進(jìn)口系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，其實(shí)現(xiàn)是由數(shù)控系統(tǒng)端提供網(wǎng)絡(luò)接口(以下簡稱DNC 網(wǎng)口)負(fù)責(zé)將機(jī)床接入DNC 網(wǎng)絡(luò)，該接口是網(wǎng)絡(luò)與機(jī)床進(jìn)行信息交互的通道。然而，面向航空領(lǐng)域的國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)尚不能支持通過DNC 聯(lián)網(wǎng)［2］，實(shí)現(xiàn)對配套國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床的實(shí)時監(jiān)控及在線管理功能，即國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)無法直接與現(xiàn)有DNC 網(wǎng)絡(luò)集成。當(dāng)前為解決該問題，通常是將配套國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床通過PLC 系統(tǒng)接入DNC網(wǎng)絡(luò)中，這種連接方式除需轉(zhuǎn)串口增加成本，影響傳輸速率外，更重要的是PLC 作為機(jī)床的外圍輔助控制系統(tǒng)，其功能和權(quán)限有限，導(dǎo)致對系統(tǒng)內(nèi)部重要大數(shù)據(jù)無法采集或監(jiān)控，甚至多數(shù)系統(tǒng)報警信息都無法直接采集，影響國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用水平和規(guī)模。對此，本文以某型國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)為例，在航空企業(yè)車間已有DNC 基礎(chǔ)上研究機(jī)床DNC 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并開發(fā)基于該型系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能接口，實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)通信及配套該型系統(tǒng)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控等功能。

1 DNC 網(wǎng)絡(luò)功能與機(jī)床接口

網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)以各種制造資源的整合和優(yōu)化利用為核心，最終提高制造技術(shù)水平、管理水平和市場競爭力［3］。目前，國內(nèi)航空企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)化制造管理方面已基本實(shí)現(xiàn)了零件制造生命周期的全閉環(huán)管理，在生產(chǎn)管控層面上基本消除了信息孤島。如圖1 所示是典型的制造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其層次劃分清晰，功能相對獨(dú)立，涵蓋了企業(yè)計劃、生產(chǎn)過程和底層監(jiān)控等方面，初步形成了對生產(chǎn)制造過程的有效管理;但實(shí)踐應(yīng)用中信息反饋實(shí)時性、數(shù)據(jù)可信度及準(zhǔn)確性、傳輸穩(wěn)定性等問題尚待進(jìn)一步解決，主要集中在車間底層DNC 網(wǎng)絡(luò)中，較突出的是目前配套國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床尚不能支持通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口接入車間管理網(wǎng)絡(luò)。而現(xiàn)場使用的進(jìn)口系統(tǒng)如SIMERIK、FIDIA 等均能方便地將機(jī)床通過系統(tǒng)直接接入現(xiàn)有DNC 網(wǎng)絡(luò)。

對比進(jìn)口系統(tǒng)，均是通過數(shù)控系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口(RJ-45)直接接入車間網(wǎng)絡(luò)，也就是說配套國外系統(tǒng)的機(jī)床就像是一臺普通PC 端，完全支持TCP/IP 協(xié)議組可無縫接入DNC 以太網(wǎng)(windows 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境)，完成了跨平臺間的網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸，很好地解決了數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控和文件管理及傳輸?shù)葐栴}［4］。因此，通過在數(shù)控系統(tǒng)端開發(fā)支持IP 協(xié)議組的標(biāo)準(zhǔn)功能接口，是機(jī)床無縫接入網(wǎng)絡(luò)的主流方式。

2 基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的DNC 網(wǎng)絡(luò)接口開發(fā)

2.1 DNC 接口開發(fā)內(nèi)容及任務(wù)

該國產(chǎn)系統(tǒng)是基于Linux 和RTLinux 的實(shí)時操作系統(tǒng)以及實(shí)時通信中間件平臺，需要在該型系統(tǒng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模塊基礎(chǔ)上，重新定制開發(fā)面向航空企業(yè)車間現(xiàn)有DNC 網(wǎng)絡(luò)的功能接口，以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有DNC 網(wǎng)絡(luò)windows 系統(tǒng)環(huán)境下與該系列數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及通信。其中，首先要解決的是大量的跨操作系統(tǒng)平臺和網(wǎng)絡(luò)通信等關(guān)鍵技術(shù)問題，這需要網(wǎng)絡(luò)化功能接口在Linux和RTLlinux 環(huán)境下開發(fā)源代碼，便于嵌入數(shù)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)跨平臺操作及對外提供服務(wù);其次，采用API(應(yīng)用程序編程接口)的形式對外提供統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)車間聯(lián)網(wǎng)機(jī)床與DNC 系統(tǒng)的通信與數(shù)據(jù)交互。

具體而言，該網(wǎng)絡(luò)化功能接口研發(fā)內(nèi)容應(yīng)包括以下3 個方面:①針對該系列系統(tǒng)定制開發(fā)對外接口，解決數(shù)控系統(tǒng)與DNC 系統(tǒng)跨不同操作系統(tǒng)平臺之間的資源信息共享問題;②通過該接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)采集，包括數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行、停止、閑置、故障及系統(tǒng)內(nèi)部過程數(shù)據(jù);③具有易擴(kuò)展性，可根據(jù)用戶需求改變監(jiān)控變量并能適應(yīng)未來對工業(yè)大數(shù)據(jù)的需求。

2.2 技術(shù)方案

由于該數(shù)控系統(tǒng)是基于LINUX 系統(tǒng)的RCS(實(shí)時控制系統(tǒng))開發(fā)的，首先需要在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部利用RCS 的庫來開啟兩個通道:DNC 服務(wù)通道和DNC 錯誤通道。

(1)DNC 服務(wù)通道負(fù)責(zé)獲取機(jī)床的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)如切削過程、換刀、啟停等過程信息，并將其放入系統(tǒng)內(nèi)部名為emcStatus 結(jié)構(gòu)體中對應(yīng)的變量之中，并把這個結(jié)構(gòu)體發(fā)送到數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口，以供DNC 網(wǎng)絡(luò)程序讀取該信息。關(guān)鍵語句如下:

info.disp_mode=emcStatus-＞task.dispMode;

(2)DNC 錯誤通道則用來獲取系統(tǒng)故障信息并放入emcStatus 結(jié)構(gòu)體的error_id 變量中，需要使用時只需調(diào)用該error_id 即可。接口調(diào)用過程:

info.error_id=emcStatus -＞errorId;

通過上述兩個服務(wù)，windows 環(huán)境中的DNC 信息采集端就可以讀取機(jī)床已定義的狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障信息。

具體方案如下:①在數(shù)控系統(tǒng)端定制開發(fā)2 個DNC 網(wǎng)絡(luò)化功能接口專用通道，即DNC 服務(wù)通道、DNC 錯誤通道;②針對DNC 網(wǎng)絡(luò)化接口的跨平臺通信與數(shù)據(jù)交互的技術(shù)難點(diǎn)，采用數(shù)控系統(tǒng)端與采集端頭文件共享式動態(tài)鏈接口的方法，解決數(shù)控系統(tǒng)與采集端的聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交互，為DNC 網(wǎng)絡(luò)采集端獲取數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)提供了傳輸通道;③將其封裝成API 函數(shù)形式以供用戶調(diào)用，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)資源信息的共享。

2.3 接口功能配置與調(diào)試

DNC 網(wǎng)絡(luò)化接口模塊運(yùn)行在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，在數(shù)控系統(tǒng)使用之初需要手動配置、開啟DNC 模塊。開啟過程分為兩部分，一部分是DNC 服務(wù)通道的建立，另一部分是錯誤通道的建立。具體啟動與配置過程如下:

2.3.1 DNC 服務(wù)通道啟動

(1)進(jìn)入LINUX 系統(tǒng)命令界面。首先進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)的后臺，及LINUX 系統(tǒng)命令界面，并進(jìn)入“GJMill”目錄下，輸入“vi GJMIll.run”，然后就會出現(xiàn)如圖2 所示界面。

(2)在圖2 所示位置輸入“Server=MillSvr”，保存后退出。

2.3.2 DNC 錯誤通道啟動

(1)按同樣方法進(jìn)入“GJMill”目錄，并在當(dāng)前目錄下進(jìn)入“ini”目錄中，此時會發(fā)現(xiàn)一個名為“GJMill.nml”的文件，在“ini”目錄下輸入“vi GJMill.nml”，此時出現(xiàn)如圖3a 所示界面。

(2)在圖3a 所示位置寫入“B dncError SHMEM localhost 8192 0 0 8 16 1008 TCP=5005 xdr”，此時出現(xiàn)如圖3b 所示界面。

(3)在圖3b 中所標(biāo)注的位置寫入“P emc dncError SHMEM localhost W 0 1.0 1 0”，保存后退出并重新啟動數(shù)控系統(tǒng)。

完成上述配置后，DNC 網(wǎng)絡(luò)化接口模塊就可以通過數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)口向外部與數(shù)控系統(tǒng)界面發(fā)送系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)或?qū)崟r狀態(tài)運(yùn)行值，供DNC 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集端讀取，該值與系統(tǒng)本地界面的顯示數(shù)據(jù)一致。

3 DNC 網(wǎng)絡(luò)接口測試與典型應(yīng)用

3.1 DNC 接口性能測試

為測試開發(fā)的接口模塊的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，搭建了由實(shí)際數(shù)控系統(tǒng)與模擬數(shù)控系統(tǒng)相結(jié)合的壓力測試虛擬環(huán)境(并發(fā)數(shù)量共計253 臺)。主要測試內(nèi)容包括:DNC 功能對數(shù)控系統(tǒng)性能影響、穩(wěn)定性測試、采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性測試和采集數(shù)據(jù)響應(yīng)時間測試。其中，采用linux 系統(tǒng)環(huán)境下的top 等相關(guān)指令測試了DNC 接口功能在不同運(yùn)行時段對數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)資源利用情況，包括數(shù)控系統(tǒng)中DNC 服務(wù)的CPU 使用率、內(nèi)存使用率等關(guān)鍵參數(shù)。如圖4 是DNC 接口開啟時系統(tǒng)資源開銷情況，如圖5、6 所示是與DNC 上位機(jī)建立通信后系統(tǒng)資源開銷情況，圖中MillSvr 對應(yīng)DNC 服務(wù)。測試結(jié)果標(biāo)密DNC 定制功能并不影響數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

如表 1 所示是采用tomcat 檢測工具probe，測試72 h 內(nèi)安裝有DNC 壓力測試軟件的數(shù)據(jù)采集客戶端的系統(tǒng)資源利用情況，包括CPU使用率、內(nèi)存使用率、CPU 的隊列長度等關(guān)鍵參數(shù)，數(shù)據(jù)說明在采集并發(fā)數(shù)量達(dá)到253臺的情況下，DNC 壓力測試軟件在數(shù)據(jù)采集客戶端系統(tǒng)占用的資源不高，且運(yùn)行穩(wěn)定。通過連續(xù)多次抽樣，統(tǒng)計分析結(jié)果證明在并發(fā)采集253 臺數(shù)控系統(tǒng)情況下，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度達(dá)到給定置信水平。

在發(fā)行采集253 臺數(shù)控系統(tǒng)時，通過查看狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)采集同臺數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的頻率可達(dá)10 次/s，說明采集一條數(shù)據(jù)的響應(yīng)時間為100 ms，滿足應(yīng)用要求，部分抽樣如圖7 所示。

表1 DNC 壓力測試系統(tǒng)所消耗資源情況

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用情況

現(xiàn)有DNC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在客戶端采用B/S 架構(gòu)，在數(shù)控系統(tǒng)端采用C/S 架構(gòu)，其邏輯拓?fù)淙鐖D8 所示。利用現(xiàn)有硬件設(shè)施通過6 類雙絞線RJ45 接口直接接入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)試后，通過上述開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化接口在DNC 網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了配套國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控;不僅如此，基于車間管理網(wǎng)絡(luò)集成，如圖9 所示，機(jī)床工作狀態(tài)等還可根據(jù)需要上傳至制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)供統(tǒng)計、分析，為自動生產(chǎn)調(diào)度提供現(xiàn)場反饋，為建立智能制造車間提供了強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)。

目前，通過該接口有20 臺配套該型數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床已接入車間DNC 網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)踐應(yīng)用證明通過該接口數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可信度及準(zhǔn)確性高、已滿足當(dāng)前上層管理網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的需要，尤其是在機(jī)床實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控方面，已發(fā)揮較大優(yōu)勢，為機(jī)床、系統(tǒng)維護(hù)和上層執(zhí)行系統(tǒng)(MES)決策提供了重要現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并協(xié)助實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)覆蓋國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的全閉環(huán)管理。如圖10 所示是機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析客戶端截圖。

4 結(jié)語

通過開發(fā)基于某型數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化接口模塊，建立了數(shù)控機(jī)床與車間底層管理網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)交互的通道。實(shí)踐應(yīng)用證明通過該接口滿足了航空企業(yè)車間底層管理系統(tǒng)對配套該國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化管理需求，同時提高了國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用水平。

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