引言

    網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要分支在制造業(yè)中發(fā)揮的作用越來(lái)越大。而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造的一個(gè)重要方式就是DNC網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建。美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)給DNC系統(tǒng)的定義為：“DNC是一個(gè)為按要求向各臺(tái)機(jī)床分配數(shù)據(jù)，并將一組NC機(jī)床與存儲(chǔ)零件程序或機(jī)床程序的公用存儲(chǔ)器連接起來(lái)的系統(tǒng)”。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)自身的發(fā)展，DNC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)從以單純NC程序傳輸為主要功能的傳統(tǒng)DNC，發(fā)展成新型集成DNC或稱(chēng)廣義DNC。這種集成化DNC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、通訊與數(shù)控等技術(shù)為基礎(chǔ)，把和制造過(guò)程有關(guān)的設(shè)備與上層計(jì)算機(jī)集成起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)制造設(shè)備的集中控制管理，實(shí)現(xiàn)集成通信、計(jì)劃、管理和設(shè)計(jì)等功能于一體，是現(xiàn)代化機(jī)械加工車(chē)間實(shí)現(xiàn)設(shè)備集成、信息集成和功能集成的一種新方法，是車(chē)間自動(dòng)化的重要模式。

    當(dāng)前制造企業(yè)在DNC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的搭建過(guò)程中存在著數(shù)控系統(tǒng)比較多、設(shè)備比較分散和集成化程度低等一系列的困難，為此，必須要找到一種合適的構(gòu)建方法，本文正是針對(duì)該現(xiàn)象，借助東南大學(xué)機(jī)電綜合工程訓(xùn)練中心的硬件設(shè)備(加工中心)進(jìn)行了DNC網(wǎng)絡(luò)體系的設(shè)計(jì)與構(gòu)建。

1 DNC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接使用的電纜所構(gòu)成的幾何形狀，能表示網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、工作站的網(wǎng)絡(luò)配置和相互之間的連接關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為星狀、環(huán)狀、總線(xiàn)、樹(shù)狀和網(wǎng)狀等5種類(lèi)型。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。本文采用了基于無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)的DNC通信技術(shù)，利用工業(yè)以太網(wǎng)抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)，保證了信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，且易于與管理層的集成。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)采用“總線(xiàn)+星型”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主干網(wǎng)采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，易于組成冗余環(huán)網(wǎng)；車(chē)間層采用星型結(jié)構(gòu)，避免了某一臺(tái)設(shè)備的故障影響其他設(shè)備。車(chē)間內(nèi)部通過(guò)串口轉(zhuǎn)換器智能終端將機(jī)床的RS232接口轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)的RJ45接口，并對(duì)每臺(tái)數(shù)控設(shè)備分配IP地址，組建成一個(gè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(Access Point，AP)與DNC主服務(wù)器及外部Internet網(wǎng)連接。

2 DNC網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建

    2．1體系構(gòu)建前的準(zhǔn)備

    DNC網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建所需要的硬件及具體要求如下。

    圖1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    1)智能終端也叫終端服務(wù)器、異步串口服務(wù)器，是一個(gè)帶有CPU和嵌入式OS及完整TCP／IP協(xié)議棧的獨(dú)立智能設(shè)備，作用是將數(shù)控設(shè)備的RS232接口轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)的RJ45接口，完成串行數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)IP包之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

    2)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(Access Point，AP)是用于組建無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，并將智能終端有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋和無(wú)線(xiàn)交換機(jī)。機(jī)床通過(guò)智能終端接入無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，使得服務(wù)器到微縮智能終端的通信速率可達(dá)11Mb弘，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口。

    3)通信服務(wù)器端軟件運(yùn)行平臺(tái)。計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)平臺(tái)配置要求為：Intel PIII800 CPU、256M。內(nèi)存、10G硬盤(pán)、VGA顯示器、VGA顯卡、10—100M網(wǎng)卡或多串口卡、CD ROM、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等基本配置(具體配置視需要管理的數(shù)控設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量而定)。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)平臺(tái)配置要求為：MS中文Windows 98 sE或MS中文Win2k系列。

    4)管理模塊服務(wù)器端軟件運(yùn)行平臺(tái)。計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)平臺(tái)配置要求為：Intel PⅢ800 CPU、256M內(nèi)存、20G硬盤(pán)、VGA顯示器、VGA顯卡、10-100M網(wǎng)卡、CD ROM、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等基本配置(具體配置視需要管理的數(shù)控設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)量而定)。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)平臺(tái)配置要求為：MS中文Windows 2000 Server系列操作系統(tǒng)以及MS SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)的支持。瀏覽器要求為MS IE6。對(duì)系統(tǒng)環(huán)境的特殊需求為：安裝服務(wù)器端的硬盤(pán)分區(qū)需要NTFS分區(qū)格式。

    5)通信、管理模塊客戶(hù)端軟件運(yùn)行平臺(tái)。計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)平臺(tái)配置要求為：Intel PIII800 CPU、256M內(nèi)存、20G硬盤(pán)、VGA顯示器、VGA顯卡、10～100M網(wǎng)卡、鍵盤(pán)、CD ROM和鼠標(biāo)等基本配置(具體配置還需要視用戶(hù)客戶(hù)端其他配套應(yīng)用程序而定)。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)平臺(tái)配置要求為：MS的中文Windows 98 SE或Windows 2000或Windows XP等操作系統(tǒng)+MS IE6。

    系統(tǒng)所需要的通用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為企業(yè)內(nèi)部以太網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和TCWIP協(xié)議；軟件為大方科技有限公司的CAXA系列軟件。

2．2 DNC網(wǎng)絡(luò)體系的建立

    傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)通信方式是接入就近的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(Access Point，AP)，經(jīng)AP的控制器(AC)傳到有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)尋址方式轉(zhuǎn)交相應(yīng)的AP。這種方式在家庭和公司環(huán)境以及一些公共場(chǎng)所得到廣泛地應(yīng)用。機(jī)床無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)正是鑒于此組建起來(lái)的，無(wú)線(xiàn)AP的信號(hào)強(qiáng)度將直接影響到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍又將影響到無(wú)線(xiàn)信號(hào)的收發(fā)與傳輸。目前，主流無(wú)線(xiàn)AP的室內(nèi)覆蓋半徑可達(dá)R120m，實(shí)際有效直線(xiàn)通信距離為80m左右，將其放在車(chē)間內(nèi)部的高處。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端需要每臺(tái)機(jī)床設(shè)置一臺(tái)，放在機(jī)床頂部。其與主無(wú)線(xiàn)AP的距離不要超過(guò)100m。對(duì)于距離超過(guò)100m的客戶(hù)端，建議增加無(wú)線(xiàn)AP的數(shù)量來(lái)補(bǔ)償。且該接入方式對(duì)于企業(yè)車(chē)間內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)有一定要求，百米以?xún)?nèi)應(yīng)當(dāng)盡量避免有大的建筑隔離墻，如果有隔離墻，需增加無(wú)線(xiàn)AP。

    決定無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡AP信號(hào)強(qiáng)度和覆蓋范圍的內(nèi)部因素有很多，其中發(fā)射功率是最大的一個(gè)。一般來(lái)說(shuō)，功率越大的產(chǎn)品，信號(hào)強(qiáng)度越好，覆蓋范圍越廣。目前主流產(chǎn)品的發(fā)射功率在30—200mW之間。本文選用D．Link公司的DWL-3200AP作為中心無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)AP，DWL-2100AP為機(jī)床的無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)，與機(jī)床相連，DWL-3200AP的輸出功率是802．11g 21dBm(128mW)／802．11b 22dBm(160 mW)，覆蓋半徑可達(dá)R300m左右，DWL-2100AP功率稍低為15dBm(32mW)。

    對(duì)于數(shù)控設(shè)備較多的車(chē)間，可以采用客戶(hù)端／服務(wù)器(C／S)模式，即中心的無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)DWL-3200AP工作模式設(shè)置成為Access Point模式，提供中心有線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)的連接和自身無(wú)線(xiàn)覆蓋區(qū)域的無(wú)線(xiàn)終端接入；機(jī)床端連接的無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)DWL-2100AP設(shè)置成APClient模式，通過(guò)中心無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)連接DNC服務(wù)器所在的局域網(wǎng)絡(luò)。

    對(duì)于數(shù)控設(shè)備較少(≤8臺(tái))的車(chē)間，則全部選用DWL-2100AP，通信方式設(shè)為無(wú)線(xiàn)分布式系統(tǒng)(WDS)網(wǎng)橋模式，可作為一種低成本擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)的方案。選擇一個(gè)AP作為主WDS為中心點(diǎn)發(fā)送無(wú)線(xiàn)信號(hào)，其他接入點(diǎn)作為輔WDS進(jìn)行信號(hào)接收并與機(jī)床相連。D-Link無(wú)線(xiàn)AP在一對(duì)多點(diǎn)橋接模式時(shí)，最多支持8個(gè)遠(yuǎn)程點(diǎn)的接入。但由于DWL-2100AP不具有網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)功能，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，為此需要借助路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)NAT功能，從而保證網(wǎng)絡(luò)的暢通。WDS網(wǎng)橋模式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    圖2 WDS網(wǎng)橋模式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    本網(wǎng)絡(luò)中需要設(shè)置IP地址的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括通信服務(wù)器、管理客戶(hù)端、智能終端和無(wú)線(xiàn)AP等。為保證與校園網(wǎng)的連接，選用了網(wǎng)段“10．8．1．1-255”和網(wǎng)段“10．8．2．1—255”。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從中任選。

    采用C／S模式時(shí)，主無(wú)線(xiàn)DWL-3200 AP與客戶(hù)端DWL-2100 AP的作用相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡，IP值可以保持為默認(rèn)值，需要在同一范圍內(nèi)。雙方的服務(wù)集標(biāo)識(shí)符(SS／D)必須相同。否則兩個(gè)AP之間就無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信。而智能終端必須與服務(wù)器在同一網(wǎng)段，具體C／s模式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址分配如表1所示。

    表1 c／s模式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的口地址分配

    對(duì)于采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋模式，需要連接的機(jī)床數(shù)量有7臺(tái)，在主無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)中輸入需要連接的AP(7臺(tái))硬件位置(MAC)地址，并確認(rèn)這7臺(tái)AP以設(shè)定成網(wǎng)橋工作模式建立多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋連接。無(wú)線(xiàn)AP網(wǎng)橋模式設(shè)置界面如圖3所示。

    圖3無(wú)線(xiàn)AP網(wǎng)橋模式設(shè)置界面

    WDS模式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備IP地址分配如表2所示。

    表2 WDS模式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備口地址分配

    DNC系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的接入方式如圖4所示。

    圖4 DNC系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)接入方式

 3．3硬件的安裝

    車(chē)間數(shù)控加工中心的情況如表3所示。

    表3車(chē)間數(shù)控加工中心的情況

    一般數(shù)控系統(tǒng)的RS232C接口常用的有25腳和9腳兩種。具體引腳定義見(jiàn)表4和表5。其中數(shù)控系統(tǒng)RS232傳輸常用線(xiàn)有：TXD／RXD、RTX／CTX、DTR／DSR三對(duì)線(xiàn)加GND線(xiàn)，共7條。有時(shí)會(huì)額外加一條保護(hù)地線(xiàn)。

    表4標(biāo)準(zhǔn)RS232C9針D型接頭引腳定義

    表5標(biāo)準(zhǔn)RS232C篤針D型接頭引腳定義

    硬件部分主要是無(wú)線(xiàn)AP及智能終端的安裝。智能終端本文選擇的是NC601，本產(chǎn)品內(nèi)置CAXA開(kāi)發(fā)的面向機(jī)床聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)專(zhuān)用通信軟件，其規(guī)格及說(shuō)明見(jiàn)表6。NC601的串口管腳為標(biāo)準(zhǔn)DB9管腳，與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)RS232C9針D型接頭定義相同，整個(gè)系統(tǒng)采用NC601智能終端將所有機(jī)床接入以太網(wǎng)絡(luò)，讓每個(gè)機(jī)床具有一個(gè)固定的IP地址并設(shè)置固定的網(wǎng)關(guān)及密碼(智能終端內(nèi)部設(shè)置)。用以太網(wǎng)絡(luò)代替RS232網(wǎng)絡(luò)，獲得高穩(wěn)定性，用網(wǎng)關(guān)及密碼保證系統(tǒng)免受非法侵入，智能終端采用非Microsoft系統(tǒng)，同時(shí)屏蔽二進(jìn)制文件傳入機(jī)床，以此保證機(jī)床系統(tǒng)免受病毒感染。

    表6 NC601規(guī)格說(shuō)明

    NC601 D型串口引腳定義如表7所示。

    表7 NC601 D型串口引腳定義

    機(jī)床通過(guò)智能終端直接接入以太網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)從服務(wù)器到機(jī)床前的傳輸速率可達(dá)10Mbps，甚至100Mbps。在大量數(shù)據(jù)傳送時(shí)，與多串口卡系統(tǒng)比，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。對(duì)于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)接入方式，其服務(wù)器到智能終端的通信速率可達(dá)11Mbps左右，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口。每臺(tái)機(jī)床通過(guò)智能終端設(shè)置一個(gè)主機(jī)名和IP地址作為識(shí)別它們的唯一標(biāo)志，機(jī)床IP地址與服務(wù)器在同一子網(wǎng)中，保證在主干網(wǎng)中的連接。此外其他相關(guān)的參數(shù)也必須進(jìn)行設(shè)置，如100Mbps全雙工100f、串口參數(shù)等。

    主無(wú)線(xiàn)AP最好放在高處，天線(xiàn)向下輻射。放置越高輻射范圍越廣，可以放在車(chē)間的中間房頂處。而客戶(hù)端無(wú)線(xiàn)AP則一定要安放在機(jī)床外部高處，網(wǎng)橋安放處最好能夠直視到主無(wú)線(xiàn)AP，客戶(hù)端AP對(duì)電源要求比較高，為5V直流，其220V交流轉(zhuǎn)5V直流電源適配器在機(jī)床端取電時(shí)，盡量連接機(jī)床變壓器的輸入端(從380V中分一項(xiàng)出來(lái))。如從變壓器輸出端接線(xiàn)，則盡量使用機(jī)床控制器的直流電源引用的那一相220V交流。實(shí)踐證明，如果客戶(hù)端的電源不穩(wěn)定，則使用DNC通信時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)無(wú)法連接該機(jī)床的錯(cuò)誤(端口連接失敗)。

3 結(jié)語(yǔ)

    DNC網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建，能夠滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)化制造的需要，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)具有靈活性大、可擴(kuò)展性強(qiáng)和穩(wěn)定性高等一系列特點(diǎn)。同時(shí)，由于用于構(gòu)建DNC系統(tǒng)的硬件設(shè)備也存在著數(shù)控多、布局分散和集成化程度低的特點(diǎn)，故該系統(tǒng)的建立對(duì)于制造企業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。