基于DNC系統(tǒng)的機械制造車間無線Mesh組網(wǎng)設計

周年榮，唐立軍，楊 洋，羅恩博

(云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217)

近年來，無線Mesh技術逐漸成熟，與傳統(tǒng)的無線光纖網(wǎng)絡相比，該技術服務接入點的平均費用更低。Mesh技術融合了WLAN網(wǎng)絡和Ad Hoc網(wǎng)絡的優(yōu)勢，在建網(wǎng)成本和建網(wǎng)速度上都有明顯優(yōu)勢[1-2]。目前，802.16-2004、802.16e和802.11s移動寬帶無線接入標準都加入了Mesh結構，對于一些不能直接連接的無線路由器，無線Mesh的中間節(jié)點可以在起到較好的連接作用的同時，實現(xiàn)信號的發(fā)送和接收。

本文將無線Mesh技術應用到機械制造車間DNC(distributed numerical control，分布式數(shù)控)系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)功能的主要因素有：1)機械制造車間路由器布局不合理。路由器布局問題是一種多目標優(yōu)化問題，具有復雜性[3]。2)DNC系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸速率之間的關系難以確定。DNC系統(tǒng)只能在特定的數(shù)據(jù)速率中進行不連續(xù)跳躍，如果無線基站和數(shù)控機床端口的距離加大，信號強度也會隨之下降，造成傳輸速率下降[4]。3)由于一部分信道用來傳輸協(xié)議、總線等，導致傳輸速率下降，因吞吐率和傳輸速率呈正比關系，所以吞吐率低于網(wǎng)絡寬帶容量標稱值[5-6]。在數(shù)據(jù)分組長度保持不變時，低傳輸速率機床和高傳輸速率機床發(fā)送相同長度數(shù)據(jù)所花費的時間是不同的，低傳輸速率機床花費的時間較長，吞吐率與標稱值極為接近；高傳輸速率機床花費的時間較短，吞吐率遠遠小于標準值[7]。

目前對無線Mesh技術在機械制造車間DNC系統(tǒng)中的應用研究較少，為此本文進行了深入研究，設計了可應用于機械制造車間DNC系統(tǒng)中的無線Mesh組網(wǎng)。

1 機械制造車間路由器布局優(yōu)化

路由器布局優(yōu)化是實現(xiàn)機械制造車間無線Mesh組網(wǎng)設計的基礎。車間路由器布局問題是一種多目標優(yōu)化問題，具有復雜性。

路由器布局描述如式(1)所示：

(1)

布局模型描述如下：

(2)

式中：ζi為第i個布局目標的加權值；F為子目標函數(shù)。

為實現(xiàn)機械制造車間路由器布局優(yōu)化，需要在確認布局目標模型的基礎上設計布局模型的目標函數(shù)，描述為：

(3)

式中：A為路由器組網(wǎng)費用；fij為路由器i和j的購買費用；xi，xj分別為路由器i與j距矩形布局中心的垂直距離與水平距離；yi，yj分別為路由器i和j的覆蓋范圍。

目標函數(shù)的約束條件Cj表示為：

(4)

式中：d，k為不同鏈路上信息數(shù)據(jù)包接收與發(fā)送的成功率；o與g分別為節(jié)點負載度與擁塞系數(shù)；vi，vj分別為路由器i和j的全生命周期；M為路由器傳遞參數(shù)；Z為路由器跳轉概率。

機械制造車間路由器布局模型如圖1所示。

圖1 路由器布局模型

根據(jù)路由器布局總費用最低、所占面積最小、覆蓋率最優(yōu)、吞吐率最佳原則進行優(yōu)化目標歸一化和加權處理，得到組合優(yōu)化目標函數(shù)如下：

(5)

(6)

式中：s，q為路由器工作頻率和開銷；T，V分別為路由器最大覆蓋范圍與最優(yōu)覆蓋范圍；h為加權因子；z為歸一化因子；li，lj分別為路由器i和j的鏈路。

優(yōu)化后的機械制造車間路由器布局模型如圖2所示。

圖2 機械制造車間路由器布局優(yōu)化模型

2 應用于DNC系統(tǒng)的無線Mesh組網(wǎng)布局設計

根據(jù)機械制造車間路由器布局優(yōu)化模型進行無線Mesh組網(wǎng)布局，結果如圖3所示。

圖3 機械制造車間Mesh組網(wǎng)布局

本文所使用的路由器為無線AP路由器，該路由器覆蓋率高，且便于機械制造車間設備進行數(shù)據(jù)交換。分析圖3可知，在制造車間服務器的上層，根據(jù)制造車間內部局域網(wǎng)建立中央服務及數(shù)據(jù)庫，將CAPP、PDM、CAD / CAM等技術服務器整合到DNC系統(tǒng)中，相關技術人員可以隨時對系統(tǒng)進行調控。在此基礎上，通過局域網(wǎng)設置生產車間技術人員專用服務器，使其能夠與DNC控制的PC下層進行數(shù)據(jù)傳輸，將服務器與中央服務器相連，使其能夠與中央服務器進行數(shù)據(jù)傳輸。每個路由器都對應一個機床終端，通過串行端口將機床終端與數(shù)控設備進行連接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并通過無線Mesh網(wǎng)絡與車間服務器進行信息交換。

無線Mesh網(wǎng)絡在機械制造車間DNC系統(tǒng)中的結構設計需要滿足如下需求：

1)能夠同時支持多種無線網(wǎng)絡與路由器產品，確保覆蓋率，建設方式為分期建設[8]。

2)設定多個無線模塊，無線模塊的工作頻率分別為4.90，5.15，5.85 GHz。

3)機械制造車間無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式為多點到多點的連接方式，無線網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都要支持外接通信接口卡，節(jié)點的類型不同，選擇的通信接口卡也不同。

無線Mesh組網(wǎng)結構如圖4所示。

圖4 無線Mesh組網(wǎng)結構

由于機械制造車間DNC覆蓋面積廣，所以要求無線Mesh網(wǎng)絡能夠覆蓋機械制造車間的所有數(shù)控機床，同時提供無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗性鲋捣铡o線Mesh網(wǎng)絡提供的建設工作層次共有4層：接入層、網(wǎng)絡層、設備層、控制層。不同層次上擁有不同的項目，所執(zhí)行的任務也有所不同。

接入層主要負責接入各無線線路，針對不同的線路實施不同的接入方案，不斷調整布局點，根據(jù)網(wǎng)絡接入要求，完成Mesh網(wǎng)絡整體布局[9]。

網(wǎng)絡層負責將Mesh網(wǎng)絡的接入方式調整成綜合局域網(wǎng)接入方式，同時支持無線接入DNC系統(tǒng)接收層、無線接入設備層和控制層。

設備層能夠將DNC系統(tǒng)所支持的數(shù)控機床完整呈現(xiàn)出來，確保為數(shù)控機床提供所需服務。

控制層負責數(shù)控機床的運行，控制層中擁有獨立的DNC系統(tǒng)，能夠統(tǒng)一管理車間和機床設備。

2.1 組網(wǎng)功能模塊設計

無線Mesh網(wǎng)絡結合了點到多點的星型網(wǎng)絡和點到點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡的優(yōu)點，通過WMR協(xié)議將兩種網(wǎng)絡銜接到一起。在機械制造車間DNC系統(tǒng)中應用無線Mesh網(wǎng)絡時，無線Mesh節(jié)點主要有移動節(jié)點和接入點，每個節(jié)點都能自主選擇路由器，并且與鄰近節(jié)點進行通信組成專屬定制局域網(wǎng)或接入主干互聯(lián)網(wǎng)，不需主干網(wǎng)即可構筑富有彈性的移動網(wǎng)絡。移動節(jié)點既能控制數(shù)控機床，也能夠為數(shù)控機床的工作提供相關數(shù)據(jù)服務，無線Mesh是一種自組織和自管理網(wǎng)。

無線Mesh網(wǎng)絡接入機械制造車間DNC系統(tǒng)中，計算機與機床終端采用集線器(HUB)的方式連接。無線Mesh網(wǎng)絡在DNC系統(tǒng)中的接入方式如圖5所示。

圖5 無線Mesh在DNC系統(tǒng)中的接入方式

觀察圖5可知，通過多串口服務器可實現(xiàn)各主機設備和數(shù)控機床的接入工作，能夠解決機械制造車間數(shù)控系統(tǒng)具備DNC功能后交互數(shù)據(jù)量增多的問題。針對不同類型的數(shù)控機床，本文設計了多串口服務器連接HUB的分發(fā)傳輸機制。無線Mesh技術支持多種接入方式，可頻繁使用。由于數(shù)控機床型號不同，所以對DNC系統(tǒng)的服務要求也不同，因此需要加入HUB資源負載評估與接入機制，對無線信道中的資源進行合理分配[10]。

2.2 其他功能模塊設計

Mesh網(wǎng)絡有多個模塊，在配合DNC系統(tǒng)工作過程中，各個模塊協(xié)調分工，互相配合，確?？刂茖幽軌驅崿F(xiàn)數(shù)控機床控制[11]。

1)計費模塊能夠對DNC系統(tǒng)組建和管理的費用進行統(tǒng)計，確保每一筆費用和機床都能夠一一對應。

2)認證模塊是將無線Mesh技術應用到機械制造車間DNC系統(tǒng)中的關鍵設備，所有的計費方式都要經過認證。在認證完成后，才會根據(jù)寬帶、流量和時長等因素選擇出合適的計費方法。接入認證系統(tǒng)包含多個模塊，接入方式復雜，具體連接方式如圖6所示。

3)綜合網(wǎng)關模塊同時具備主動監(jiān)測、自動擴展、流量管理3種功能。采用一套完善的全網(wǎng)主動監(jiān)測管理機制對DNC系統(tǒng)中的各項網(wǎng)絡設備實施監(jiān)管，當設備出現(xiàn)故障時，可以及時響應。系統(tǒng)選用的架構為B/S架構，滿足了系統(tǒng)靈活性要求[12]。同時管控所有數(shù)控機床網(wǎng)絡流量的運行方式，確保所有的流量都可以被調度。

圖6 接入認證系統(tǒng)模塊

4)安全管理模塊負責管理策略安全、組織安全、資產安全等各類安全事件，一旦DNC系統(tǒng)出現(xiàn)安全隱患，可快速提供解決對策。安全管理模塊要能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不斷更新，確保DNC系統(tǒng)能夠及時有效地解決各類問題[13-15]。

3 DNC系統(tǒng)應用流程設計

采用Mesh技術優(yōu)化DNC系統(tǒng)，對該系統(tǒng)中的數(shù)控機床及制造工藝交互數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸性能進行優(yōu)化。無線Mesh技術在DNC系統(tǒng)中的應用流程如圖7所示。

圖7 無線Mesh技術在DNC系統(tǒng)中的應用流程

根據(jù)圖7可知，利用無線Mesh技術優(yōu)化DNC系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)接收及數(shù)據(jù)發(fā)送兩部分。在數(shù)據(jù)接收部分，將接收到的機床信息以DC1(無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù))的形式發(fā)送給機床，并將接收到的字符串寫入文件，然后將文件返回到系統(tǒng)中；在數(shù)據(jù)發(fā)送部分，打開文件后判斷數(shù)控機床是否接收到DC1，若DC1未被接收，則在預警處理及超時處理后再次發(fā)送文件，直至數(shù)據(jù)被接收。讀取文件中的數(shù)據(jù)信息，判斷信息是否接到DC3(無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù))，若沒有接收到則重新讀取文件信息，直至數(shù)據(jù)被接收。接收到的數(shù)據(jù)經預警處理、超時處理后，返回系統(tǒng)。

4 網(wǎng)絡測試

為了檢驗無線Mesh技術在機械制造車間DNC系統(tǒng)中的應用效果，設計了對比實驗。

4.1 測試參數(shù)與環(huán)境設置

本文所使用實驗數(shù)據(jù)均來自于航天機械制造車間，該航天機械制造車間大部分數(shù)控機床是秦川數(shù)控機床，型號為VT600，控制方式為半閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)為西門子，布局形式為立式，數(shù)控機床參數(shù)見表1。

表1 數(shù)控機床參數(shù)

在實驗過程中，本文選用的在線監(jiān)測網(wǎng)絡為GSM網(wǎng)絡/GPRS網(wǎng)絡，系統(tǒng)資源在16 MB以上，網(wǎng)絡標準為802.11b/802.15.1/802.15.4，協(xié)議為ZigBee協(xié)議，雙工方式為FDD/TDD，多址方式為直接擴頻，上行與下行調制方式分別為BPSK、QPSK，設置測試參數(shù)見表2。

表2 測試參數(shù)表

在電力DNC系統(tǒng)中加入雙模卡的無線Mesh產品，通過電力桿連接各種不同的無線Mesh模塊。由于不同功率下無線Mesh模塊的傳輸距離不同，且存在一定的時延，所以每隔10 km設定一個基站，以解決該問題。

4.2 測試結果與分析

在DNC系統(tǒng)中同時使用移動網(wǎng)絡技術、GSM數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術、GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術、ZigBee數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術、3G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術以及無線Mesh技術，對上述6種技術在工作過程中的功耗以及吞吐量進行對比測試，測試結果如圖8,9所示。

圖8 功耗測試結果

圖9 吞吐量測試結果

1)功耗測試與分析。

觀察圖8可知，6種技術所消耗功率不同。其中，無線Mesh技術待機功耗和最高功耗都最小，原因在于無線Mesh技術能夠及時糾正數(shù)據(jù)錯誤，實現(xiàn)設備與基站的必要切換，使非視覺傳輸配置更加容易實現(xiàn)，同時信號可以直接從一個機床切換到另一個機床，功耗大幅度降低。無線Mesh網(wǎng)絡中擁有專用的無線鏈路，可以實現(xiàn)數(shù)控機床端口連接功能和回程功能，當無線網(wǎng)絡模塊與其他Mesh節(jié)點關聯(lián)時，所選擇的路徑均為最佳路徑，這樣的應用方式能夠有效降低功耗。

2)吞吐量測試與分析。

吞吐量是指在是一定時間段內系統(tǒng)完成的交易數(shù)量。選用chariot軟件對不同技術工作過程的吞吐量進行測試，軟件選擇的內置腳本為throughput.scr。吞吐量測試結果如圖9所示。

由圖9可知，無線Mesh技術下，系統(tǒng)吞吐量高于其他技術的系統(tǒng)吞吐量，資源利用率更高，實用性更強。

5 結束語

制造車間數(shù)控系統(tǒng)的快速網(wǎng)絡接入已成為當今先進制造技術的一個重要發(fā)展方向，并且受到業(yè)界的高度重視，因此本文將無線Mesh網(wǎng)絡接入DNC系統(tǒng)具有很好的應用前景。通過實驗證明：無線Mesh網(wǎng)絡技術具有很強的適應性，能夠適用于多種無線環(huán)境，其功耗低，吞吐量大，實際應用效果好，可靠性強。盡管目前對于無線Mesh技術的應用研究較多，但是在機械制造車間DNC系統(tǒng)中應用仍然存在一些難題，如互操作性差、DNC系統(tǒng)存在延遲以及安全漏洞問題，未來將針對以上問題開展深入研究。