论CNC的网络控制

龚仲华

（常州机电职业技术学院，江苏常州 213164）

采用网络技术是当代CNC区别于传统CNC的显著特点之一。目前，国外先进的CNC均在不同程度上应用了网络技术。CNC采用网络技术的本质是利用总线通信实现CNC各部件之间的数据传输和控制，其目的是简化系统连接、方便扩展、节省线材、提高可靠性。但是，目前有的CNC生产厂家有意无意地在样本和说明书中混淆这一概念，导致用户误解。本文将以FANUC－0iC/D为例，对此进行分析和说明，供同行参考。

1 基本要求

一般而言，全功能CNC系统的硬件组成包括CNC装置、数据输入/显示装置、伺服驱动器、主轴驱动器、内置或外置PMC（PLC）等。当前，几乎所有的CNC都已用LCD替代了传统的CRT显示器，CNC和数据输入/显示装置通常集成一体，两者的连接已在内部完成，不存在简化用户连接、节省线材等问题。因此，CNC网络控制所涉及的是CNC与伺服驱动器、主轴驱动器、上级计算机间的总线链接与控制，CNC与外置PMC或CNC内置PMC与I/O模块间的总线链接与控制等。但是，如果 CNC只有用于数据输入/输出的USB接口或一般计算机的通信接口，其内部组成部件间未采用网络总线链接，这样的CNC不能称为网络控制。

CNC的网络控制是一个逐步发展的过程，FANUC和SIEMENS是全球最早使用这一技术的CNC生产厂家，他们早在20世纪70年代末，已在合作生产的6系统上实现了 FANUC－CNC和 SIEMENS S5－130W PLC间的总线连接和通信。到了80年代初，FANUC在其研发的FS－11系统上率先实现了CNC和PMC、MDI/CRT单元间的光缆通信，随后网络技术的应用不断扩大、功能日益增强。

网络技术最初只用于FANUC－11、FANUC－15及SIEMENS 840C/D等高档CNC，到后来才逐步推广到FANUC－0、SIEMENS 802/810等CNC上。以FANUC－0系列系统（以下简称FS－0i）为例，在20世纪末生产的FS－0iA上，只是通过I/O－Link总线实现了内置PMC和I/O－Link从站（如I/O单元、分布式I/O等）的总线链接，其CNC与伺服驱动器间仍使用PWM电缆连接;到了21世纪初的FS－0iB上，开始配套网络控制型αi/βi驱动器，CNC与伺服驱动器开始采用FSSB总线链接;而FS－0iC/D则全面应用了网络技术。

2 主要内容

CNC网络控制的基本内容包括CNC与伺服驱动器、主轴驱动器、上级计算机间，CNC与外置PMC或CNC内置PMC与I/O模块间的总线链接与控制等。

伺服驱动器是CNC系统的重要组成部分，能否在CNC实现闭环位置控制，应是判定全功能CNC和普及型CNC的标准［1］，它也是国产CNC和进口CNC目前存在的主要技术差距。传统的CNC和伺服驱动器采用的是电缆连接，CNC通过I/O信号监控驱动器运行，其连接复杂、扩展性能差、耗材较多、距离受限，故需要通过网络总线来替代电缆连接。

主轴驱动器的情况与伺服驱动器类似。传统的CNC只有主轴转速控制功能，它只能输出S代码（或S模拟量）和用于转向、启停、定位控制的辅助控制信号（M代码），实际主轴控制需要通过PMC和主轴驱动器实现。当代CNC的主轴功能已大为增强，CNC不仅可控制主轴的转速、转向和定位，而且也可像伺服轴那样控制位置并参与插补运算（Cs轴），因此，同样需要用网络总线来替代CNC、PMC和主轴驱动器间的电缆连接。

PMC用于机床辅助动作的控制，它需要连接众多的行程开关、电磁阀等I/O信号。为了简化连接、节省线材、提高可靠性，需要像分布式通用PLC那样，将PMC的I/O单元（模块）从电柜集中安装改为总线链接的分布式安装，构成所谓的“省配线网”，这是网络控制在CNC内置PMC上的实现形式。

随着科学技术的进步，生产过程的自动化和信息化业已成为现代制造技术的发展趋势，这就要求CNC机床不仅可作为一台独立的加工设备，而且还能组成FMS系统、成为企业生产制造系统的一部分，并接受上级管理计算机的集中、统一控制，因此，CNC需要具备与管理计算机网络链接的功能。

以上是CNC网络控制的基本内容，由于不同CNC的功能和要求不同，也可能只有部分采用网络技术。

3 FS－0iC/D的网络结构

FS－0iC/D的CNC/MDI/LCD集成一体，它以I/O－Link总线替代了传统的I/O单元连接电缆;以FSSB总线替代了传统的伺服PWM电缆;以工业以太网替代了传统的通信连接;整个CNC系统具有图1所示层次清晰的三层网络。

I/O－Link是I/O链接网的简称，亦称“设备内部网”、“省配线网”，这是一种用于设备内部的 PMC（PLC）等控制器与开关量输入/输出单元（模块）及传感器、执行器等I/O装置连接的现场总线系统，总线一般为2或4芯电缆。采用I/O－Link网络后，可将原来需要集中安装在电柜内的I/O单元转移到紧靠传感器、执行器的分线盒上，从而缩短I/O连接电缆的长度。在FS－0iC/D上，CNC内置PMC是I/O－Link网络的主站，而FANUC机床操作面板、操作面板I/O单元、0iC－I/O单元、分布式I/O单元、βi－I/O－Link驱动器等均可以直接作为I/O－Link网络从站** ［注］网络系统标准术语。在网络控制系统中，具有网络链接功能的物理设备统称“站（Station）”，用来控制网络运行的站称“主站（Master Station）”;接受主站控制的站称“从站（Slave Station或Slave）”;在FANUC中文资料中，以上名称的翻译不规范。［注］。

此外，如果FS－0iC/D配套有串行控制的FANUC交流主轴驱动器，主轴驱动器也可通过I/O－Link总线与CNC链接，但由于主轴既要通过PMC控制其运行，又要通过CNC控制其速度和位置，因此，它需要使用独立的串行主轴I/O－Link总线。

FSSB是FANUC高速串行伺服总线（FANUC Seri-al Servo Bus）的简称，它是伺服系统控制网络（Servo System Control Network——SSCNET）的一种，隶属现场总线系统。SSCNET是用于CNC、PMC等位置控制器和伺服驱动器链接的现场总线系统，用于位置控制器对驱动器的参数设定和运行监控，其通信介质一般为光缆，传输速率比I/O－Link更高、连接更简单。在FS－0iC/D上，CNC为 FSSB的网络主站，αi/βi伺服驱动器、外置式测量检测单元等是FSSB网络的从站。

工业以太网（Industrial Ethernet）是一种用于生产现场数据收集整理、设备管理调度与控制的开放式工厂局域管理网，它通过管理计算机（主站）和设备控制器（从站，CNC、PMC等）间的通信，可在办公环境下直接管理和控制现场设备运行，并能与公共数据通信网络（Public Data Network）、国际互联网（Internet）等广域网连接，实现远程监控和诊断。FS－0iC/D可配置10Base－T（10 Mbit/s）或100Base－T（100 Mbit/s）标准工业以太网，但需要增加选择功能，FS－0iMate系列CNC不能选择这一功能。

4 FS－0iC/D的网络配置

网络控制的CNC组成部件（从站）可灵活选择，从站的安装位置无规定要求，因此，无论PMC或CNC网络系统，都要通过网络配置（Configuration，亦称组态）来确定系统的结构、从站地址、从站功能，创建网络系统。FS－0iC/D网络配置的主要内容如下［2］。

①FSSB网络配置。根据CNC所实际配套的驱动器、外置测量检测单元情况，定义FSSB从站在网络中的地址、名称、类型等，建立X/Y/Z等坐标轴名称和所使用的驱动器、测量检测接口的对应关系，如CNC有Cs轴控制功能，也需要在FSSB网络上进行同样的配置。FSSB网络配置可用参数设定或伺服设定引导操作进行。

②I/O－Link网络配置。根据CNC实际配套的I/O单元，设定I/O－Link从站的名称、类型和DI/DO信号数量、编程地址。FS－0iC/D的从站地址有组（GROP）、基座（BASE）、插槽（SLOT）、名称（NAME）等栏目，初学者不易理解，说明如下。

组（GROP）:FS－0iC/D的I/O－Link采用总线型拓扑结构，所有I/O单元依次串联，组是I/O单元（从站）在I/O－Link网络中的实际安装位置，离PMC（主站）最近的单元地址为“0”;以后的从站组号依次递增。

基座（BASE）:只用于分布式I/O单元。FS－0iC/D的分布式I/O单元为机架+模块结构，可连接扩展机架（类似于PLC）。基座是分布式I/O单元的机架安装位置，基本机架的基座号为“0”，扩展机架的基座号依次递增。对于0iC－I/O单元、操作面板单元等无扩展功能的从站，基座号总是为“0”。

插槽（SLOT）:同样只用于分布式I/O单元。分布式I/O单元的每一个机架最大可安装4个I/O模块，插槽就是I/O模块在机架上的安装位置。分布式I/O单元的I/O－Link总线连接模块的插槽号规定为“0”（必须安装在第1个插槽内），用于I/O信号连接的I/O模块插槽号依次递增。0iC－I/O单元、操作面板单元等只有1个固定的I/O模块，因此，其插槽号总是为“1”。

③串行主轴配置。如果CNC选择了串行主轴控制功能，同样需要定义主轴驱动器在网络中的地址、名称、类型等，建立主轴名称和驱动器、测量检测接口的对应关系。由于串行主轴的参数众多，配置时一般只需要在CNC上设定编码器类型、连接形式、减速比、转向等硬件结构参数和功能参数，如果有Cs轴控制功能，也需要在FSSB网络上进行配置，但驱动器的PWM载频，转速/电压/电流调节器和滤波器等与电动机匹配的参数可直接利用串行主轴引导操作自动设定。

5 结语

综上所述，CNC各组成部件间的总线链接和控制是CNC网络控制的本质，因此，所谓网络控制的高档CNC，应是CNC各组成部件采用总线链接、并由CNC实现闭环位置控制的系统，尽管目前有很多通用伺服驱动器也可用开放式的通信总线发送位置指令脉冲和控制命令，但因其坐标轴的位置控制没有在CNC上实现，故仍然属于普及型CNC的范畴;至于CNC是否有USB接口更不能作为衡量CNC网络性能的指标。

［1］龚仲华．论通用伺服与专用伺服［J］．制造技术与机床，2011（5）:141－142．

［2］龚仲华．FANUC－0iC数控系统完全应用手册［M］．北京:人民邮电出版社，2009．