數(shù)控機(jī)床無線組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

尚軍，王群，劉智超，徐大為，王維，孫大偉，康英杰

（一汽解放汽車有限公司傳動(dòng)分公司，長春 130011）

0 引言

大型制造型企業(yè)目前都在推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，工業(yè)以太網(wǎng)作為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)技術(shù)正在大面積普及，而數(shù)控機(jī)床作為必要的加工設(shè)備在金屬加工制造型企業(yè)中占比很高，將數(shù)控機(jī)床融入工業(yè)以太網(wǎng)是金屬加工制造型企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必備條件。

1 無線工業(yè)以太網(wǎng)和有有線工業(yè)以太網(wǎng)的比較

某公司有數(shù)控機(jī)床1000多臺(tái)，有無線連接和有線連接兩種方式，其優(yōu)劣勢分析如下：有線工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢是抗干擾能力強(qiáng)、傳輸延遲低；劣勢是需要布線、安裝鋪設(shè)工時(shí)長和網(wǎng)線成本高。網(wǎng)線可分為屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。屏蔽雙絞線有屏蔽層，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可減少電磁干擾，但價(jià)格較高。非屏蔽雙絞線內(nèi)沒有屏蔽層，穩(wěn)定性較差，直徑小，占用空間少，質(zhì)量輕，易彎曲，易安裝，價(jià)格低。以下為常用網(wǎng)線：五類線的傳輸帶寬為100 MHz，最高傳輸速率為100 MB/s；超五類線最大帶寬為100 MHz，增加了近端串音功率和的測試要求，具有更高的衰減串?dāng)_比（ACR）和信噪比、更小的時(shí)延誤差，具有衰減小、串?dāng)_少的特性；六類線的傳輸帶寬為250 MHz，可以提供2倍于超五類的帶寬；超六類線傳輸頻率為500 MHz，最大傳輸速度可達(dá)到10 GB/s，在外部串?dāng)_等方面有較大改善。

對(duì)于無線工業(yè)以太網(wǎng)，優(yōu)勢是安裝簡便，具有布置靈活的優(yōu)點(diǎn)，便于后期的調(diào)整，易于擴(kuò)展。劣勢是傳輸距離的限制較大，傳輸速率相比網(wǎng)線傳輸差距較大，易于被干擾，信息安全性較差。目前被廣泛使用的WI-FI是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的WLAN。WLAN規(guī)格如表1所示。

表1 IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)

1）工作頻段，常用的WIFI 2.4 GHz頻段（中心頻率范圍2.400～2.484 GHz）和WIFI 5 GHz頻段（中心頻率范圍4.915～5.865 GHz）

2）無線信道，信道是以無線信號(hào)作為傳輸載體的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送通道。WIFI 2.4 GHz共劃分14個(gè)信道，中國可用13個(gè)信道（1～13）。

3）信道帶寬，模擬信道的帶寬W=f2-f1，其中：f2為信道能通過的最高頻率；f1為信道能通過的最低頻率。信道有效帶寬為20 MHz，實(shí)際帶寬為22 MHz，其中2 MHz為隔離頻帶。帶寬越大，數(shù)據(jù)傳輸速率越大[1]。

通過以上比較可知，應(yīng)根據(jù)機(jī)床的數(shù)量、布局、數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t情況、數(shù)據(jù)安全性等方面綜合考慮。如果是新建工廠或是數(shù)據(jù)保密的要求高，以及要求極高的響應(yīng)速度的企業(yè)可以考慮使用有線以太網(wǎng)。如果是企業(yè)進(jìn)行機(jī)床數(shù)字化改造，移動(dòng)設(shè)備、空間局促?zèng)]有布置網(wǎng)線的空間，以及對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t情況要求不高的場合適用于無線以太網(wǎng)。

2 無線工業(yè)以太網(wǎng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)

在無線工業(yè)以太網(wǎng)的組建過程中硬件為無線路由器、放大器、中繼器、機(jī)床數(shù)據(jù)接收發(fā)射器，要考慮的技術(shù)指標(biāo)是無線的傳輸距離和通信容量，如圖1所示。

圖1 無線工業(yè)以太網(wǎng)示意圖

2.1 無線方案的傳輸距離

無線路由器是整個(gè)無線工業(yè)以太網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)，一般來說組建產(chǎn)線級(jí)別的無線工業(yè)以太網(wǎng)的目的是建立SCADA系統(tǒng)，無線路由器是MES系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換的橋梁。目前使用的工業(yè)級(jí)路由器標(biāo)稱傳輸距離可達(dá)250～300 m，但由于廠房內(nèi)立柱、機(jī)床設(shè)備、工位器具等起到屏蔽作用的障礙較多，所以實(shí)際傳輸距離與標(biāo)稱距離有較大差距。選取2種工業(yè)級(jí)路由器，采用IEEE 802.11.ax技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，丟包率小于1%進(jìn)行傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 工業(yè)無線路由器傳輸距離

通過表2可知，在布置工業(yè)無線路由器時(shí)應(yīng)盡可能把工業(yè)無線路由器布置在產(chǎn)線中間，最好是頂裝，已避開障礙物，保證傳輸距離。當(dāng)發(fā)現(xiàn)工業(yè)無線路由器無線信號(hào)不足時(shí)，應(yīng)考慮以下措施：

1）提高發(fā)射功率。發(fā)射功率指的是射頻單元出來的功率，不包括天線增益，發(fā)射功率越強(qiáng)，信號(hào)越強(qiáng)，傳輸距離越遠(yuǎn)。但國內(nèi)3C認(rèn)證的路由器限制功率是20 dBm，即小于100 mW，無線網(wǎng)卡的功率一般在10 mW以下。

2）提高天線增益。無線系統(tǒng)中的電磁波能量是由發(fā)射設(shè)備的發(fā)射能量和天線的放大疊加作用產(chǎn)生。即發(fā)射總能量=發(fā)射功率（dBm）+天線增益（dBi）[2]。天線增益是指在相同輸入功率時(shí)，天線在某一規(guī)定方向上的輻射功率密度與參考天線（通常采用理想輻射點(diǎn)源）輻射功率密度的比值。內(nèi)置天線的增益一般為3 dBi和5 dBi，自帶天線最高為7dBi或8dBi，外置天線一般為7 dBi以上。天線的增益可以將天線發(fā)射的能量聚集于某個(gè)方向上，增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，如圖2所示。由此可知，天線增益也不是越高越好，低增益天線一般為全向天線，其傳播距離有限，但適用于大范圍垂直布置，高增益天線適用于機(jī)床設(shè)備接受/發(fā)射端高度差小，且呈現(xiàn)一定方向布局的場景。高增益天線一般為高空定向安裝，接受方位角不大于120°。

圖2 天線定向?qū)Ρ葓D

3）提高靈敏度。接收靈敏度與發(fā)射功率之間并無實(shí)際關(guān)系，接收靈敏度中的噪聲系數(shù)是影響無線產(chǎn)品接收靈敏度的重要指標(biāo)，降低系統(tǒng)的噪聲也是提高通信靈敏度的一種方式，在通信系統(tǒng)中通信信道中噪聲又分為內(nèi)部（電路固有）的噪聲和外部噪聲。外部噪聲為環(huán)境產(chǎn)生的噪聲，內(nèi)部噪聲是由工業(yè)無線路由器電源系統(tǒng)帶來的噪聲。降低噪聲的主要方式是遠(yuǎn)離外部噪聲或建立屏蔽層，降低內(nèi)部噪聲是保證合理接地和使用抑制噪聲電路的工業(yè)無線路由器。

4）使用無線路由器橋接，擴(kuò)大通信范圍。無線中繼器主要是作為通信的中繼，從而延伸無線以太網(wǎng)的覆蓋范圍。無線中繼器的作用范圍極其有限，在室內(nèi)環(huán)境中覆蓋范圍半徑僅有10～30 m。當(dāng)距離增加后需要配置多個(gè)中繼器，但中繼器的數(shù)量越多、通信距離越長就會(huì)造成傳輸?shù)膩G包率和傳輸延遲率的上升。同時(shí)無線橋接技術(shù)對(duì)于產(chǎn)線的擴(kuò)充提供了可靠的解決方案，對(duì)機(jī)床的數(shù)字化改造成本降低起到了很大的幫助。橋接方式分為無中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意兩個(gè)無線站點(diǎn)之間均可直接進(jìn)行通信。其特點(diǎn)是：無需架設(shè)網(wǎng)線，穩(wěn)定性高，但傳輸容量有限制，不能用來開展公眾無線接入業(yè)務(wù)。有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求一個(gè)無線接入點(diǎn)（也稱無線AP或無線HUB）充當(dāng)中心站，用于在無線工作站和有線網(wǎng)絡(luò)之間接收、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，其他站點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問由中心站來控制。各個(gè)站點(diǎn)只需要在中心站覆蓋范圍內(nèi)（通常能夠覆蓋幾十至幾百用戶，覆蓋半徑達(dá)上百米）就可與其他站點(diǎn)進(jìn)行通信，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的整體性能依賴于中心節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 工業(yè)無線以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ湃萘亢蛡鬏斔俾?/h3>

工業(yè)無線局域網(wǎng)均是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)建立起來的，從IEEE 802.11開始，通過不斷發(fā)展到現(xiàn)在的IEEE 802.11ax，傳輸速率從2 MB/s提升到至少1 GB/s，從雙倍帶寬40 MHz到使用更高的無線帶寬（80～160 MHz），支持多輸入多輸出技術(shù)（Multi-Input Multi-Output，MIMO），更多的MIMO流（最多8條流），更好的調(diào)制方式（QAM256）。

以文本格式發(fā)送或接收的單臺(tái)設(shè)備通信速率并不高，通常只有每秒kB級(jí)，而傳輸音、視頻數(shù)據(jù)時(shí)，每秒將達(dá)到MB級(jí)以上。同時(shí)要考慮機(jī)床的數(shù)據(jù)傳輸頻次、無線局域網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備數(shù)。以22臺(tái)設(shè)備采集46種數(shù)據(jù)信息，采集周期為每秒一次為例，每秒通信容量大約為23 MB，傳輸速率要求達(dá)到54 MB/s 以上即可，所以需要選用IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)以上的無線設(shè)備。

當(dāng)機(jī)床周圍有多臺(tái)無線設(shè)備時(shí)，還要考慮信道的問題。如果多臺(tái)無線設(shè)備使用一個(gè)信道，必然造成信道擁堵，繼而影響傳輸速率。相近無線路由器頻率相同會(huì)相互干擾，所以應(yīng)避免在同一信道中使用多臺(tái)無線設(shè)備。2.4 G無線路由器的帶寬只有40 MB，5G無線路由器的帶寬提高到160 MB，信道數(shù)越多，意味著容納的無線設(shè)備越多，但帶寬越窄，傳輸速率越低。相反設(shè)置的信道越少，意味著容納的無線設(shè)備越少，但是帶寬越寬，傳輸速率也越高。相對(duì)來說對(duì)于2.4G無線設(shè)備更多的使用1、11信道，5G無線設(shè)備會(huì)經(jīng)常使用36～48，52～64信道。無線設(shè)備一般會(huì)具備自動(dòng)跳轉(zhuǎn)信道的功能，即當(dāng)某一信道過于擁擠時(shí)，會(huì)跳轉(zhuǎn)至其他信道，避免堵塞。但當(dāng)無線設(shè)備過多時(shí)需要依靠WDS掃描查看周圍環(huán)境中無線信號(hào)工作的信道及信號(hào)強(qiáng)度，如表3所示，手動(dòng)調(diào)整至最優(yōu)信道。

表3 WDS信號(hào)檢測圖

3 無線工業(yè)以太網(wǎng)的構(gòu)建

如圖4所示，該生產(chǎn)線共有設(shè)備22臺(tái)，其中數(shù)控設(shè)備14臺(tái)，包括8臺(tái)FANUC 0i MD機(jī)床，4臺(tái)SINUMERIK 840D SL機(jī)床，4臺(tái)OKUMA LBR370機(jī)床，生產(chǎn)線長度為52 m，寬度5.5 m，占地面積286 m2。 數(shù)據(jù)傳輸為純數(shù)據(jù)，無DNC傳輸需求，單臺(tái)機(jī)床上傳數(shù)據(jù)為0.4～0.7 kB/s之間。

圖4 部分產(chǎn)線IP地址及設(shè)備布局情況

整個(gè)無線局域網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)是某品牌WR300工業(yè)級(jí)無線路由器，安裝于生產(chǎn)線中部上空4.5 m處，其IP地址為192.168.1.1，無線發(fā)射功率為100 mW，有效無線覆蓋半徑為50 m，采用IEEE 802.11ac通信標(biāo)準(zhǔn)，5G WIFI工作模式，信道為49，使用7 dBi全向天線。每臺(tái)機(jī)床上安裝一臺(tái)某品牌WR100機(jī)床數(shù)據(jù)接收發(fā)射器。其控制管理IP地址為192.168.2.1，無線發(fā)射功率為50 mW，有效無線覆蓋半徑為25 m，處于WR300無線有效半徑覆蓋范圍內(nèi)，為進(jìn)一步提高產(chǎn)線兩端WR100的接受靈敏性，兩次4臺(tái)機(jī)床使用8dBi外置定向天線，經(jīng)實(shí)際測試丟包率低于0.05%，符合數(shù)據(jù)采集要求。WR100負(fù)責(zé)將機(jī)床的數(shù)據(jù)上傳至WR300，WR100通過六類網(wǎng)線與機(jī)床工業(yè)以太網(wǎng)口連接。在WR100控制頁面中可以設(shè)置控制管理器IP地址和本機(jī)IP地址。WR100控制管理器與機(jī)床之間192.168.2.X 地址段連接，本機(jī)與WR300用192.168.1.X地址段連接。

生產(chǎn)線3種類型的數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)接入方式如下：

1）FANUC 0i D數(shù)控機(jī)床。內(nèi)置快速以太網(wǎng)板，標(biāo)準(zhǔn)配置有支持100 MB/s的內(nèi)嵌式以太網(wǎng)?！癋TP傳輸功能通過TXT文件傳導(dǎo)，經(jīng)FTP服務(wù)器與Windows構(gòu)架傳輸NC程序。使用FOCAS2通過Ethernet 網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制和監(jiān)視，或直接根據(jù)FOCAS2函數(shù)，利用Microsoft Visual Basic、Visual C++等軟件，應(yīng)用程序接口（API）進(jìn)行自主編程。還可通過通知功能、NC程序、梯圖程序發(fā)出指令，從CNC自發(fā)地向電腦的應(yīng)用程序通知信息，在線進(jìn)行FANUC LADDER-Ⅲ、SERVO GUIDE、梯圖程序發(fā)出指令對(duì)機(jī)床伺服系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

FANUC的以太網(wǎng)功能主要通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)的公共界面下，機(jī)床的IP地址選擇192.168.2.2，子網(wǎng)掩碼選擇255.255.255.0，設(shè)備有效選擇內(nèi)置板，在FOCAS2界面下，口編號(hào)（TCP）選擇8193，在FTP傳送界面下主機(jī)號(hào)IP地址選擇192.168.2.1（即WR100控制管理地址），最后操作→再啟動(dòng)→執(zhí)行，完成機(jī)床設(shè)置[3]。

2）SINUMERIK 840D SL機(jī)床。西門子數(shù)控機(jī)床需要使用OPC UA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。OPC UA是基于微軟公司的組件對(duì)象模型技術(shù)，其基本構(gòu)架為C/S，本質(zhì)上在兩個(gè)不同軟件（組件）間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的一種機(jī)制[4]。

SINUMERIK 840D SL機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)使用X130端口連接WR100機(jī)床數(shù)據(jù)接收發(fā)射器連接。需要說明的是SINUMERIK 840D SL 數(shù)控系統(tǒng)使用交換機(jī)將X130、X127、X1等接口組網(wǎng)，其默認(rèn)地址為192.168.214.X，在與WR100組網(wǎng)時(shí)要注意不要輕易更改默認(rèn)地址，防止接口地址更改后，設(shè)備硬件組態(tài)改變?？梢孕薷腤R100的控制管理地址為192.168.214.X。

首先安裝OPC UA（6FC5800-0AP67-0YB0）的授權(quán)。選用NCU的X130網(wǎng)口，IP地址修改為192.168.214.13，即MR100控制管理地址，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，TCP端口為4840，管理員為OpcUaClient，密碼為123，確認(rèn)密碼123，激活OPC UA，重啟生效。設(shè)置完成后，并不會(huì)成功通信，還需要設(shè)置X130功能，詳情請(qǐng)參考SINUMERIK 840D SL技術(shù)手冊。

設(shè)置PCU50的X1網(wǎng)口，將PCU公司網(wǎng)絡(luò)的IP地址修改為192.168.214.1、子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0后重啟機(jī)床進(jìn)入到840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的Windows界面下設(shè)置防火墻，選擇高級(jí)設(shè)置入站規(guī)則，點(diǎn)擊新建規(guī)則，TCP設(shè)置特定本地端口為4840，重啟計(jì)算機(jī)使OPC UA和以太網(wǎng)功能配置生效。

3）OKUMA LBR370機(jī)床，使用OSP200L數(shù)控系統(tǒng)，傳輸數(shù)據(jù)通過API接口實(shí)現(xiàn)，API就是操作系統(tǒng)留給應(yīng)用程序的一個(gè)調(diào)用接口（相當(dāng)于中間件），以文件共享的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。OSP-API 通信功能利COM（Component Object Model）技術(shù)，可通過使用支持COM的各開發(fā)環(huán)境（Visual C++、Visual Basic和Visual C#等程序語言）創(chuàng)建應(yīng)用程序。

OSP200L數(shù)控系統(tǒng)是基于Windows 7系統(tǒng)，基本操作與電腦相同。

首先是安裝API授權(quán)，將“RXOSPAPI.EXE”復(fù)制至任意文件夾。命令提示符，進(jìn)入所復(fù)制文件的文件夾，執(zhí)行以下命令：RXOSPAPI.EXE /RegServer。

然后進(jìn)入設(shè)置界面，進(jìn)入機(jī)床Windows 7的網(wǎng)絡(luò)與共享中心，設(shè)置IP地址為192.168.2.2。使用與客戶端PC相同的用戶名和密碼添加用戶賬號(hào)。從客戶端PC訪問OSP上的加工程序文件夾和通信接口時(shí)，需進(jìn)行此操作。設(shè)置共享文件夾，共享OSP上加工程序文件用文件夾（D:MD1），以使客戶端PC的操作有效。使用共享名“MD1”。設(shè)置計(jì)算機(jī)名，添加用戶賬號(hào)。設(shè)置COM安全，包括設(shè)置整體計(jì)算機(jī)安全和設(shè)置，設(shè)置應(yīng)用安全，以及設(shè)置Windows防火墻。

最后確認(rèn)設(shè)置，為確認(rèn)上述設(shè)定，運(yùn)行腳本文件（MacId.VBS）以獲取機(jī)床名稱。該腳本文件位于“VBSSample”文件夾內(nèi)。運(yùn)行命令提示符并跳轉(zhuǎn)至包含樣本的文件夾內(nèi)。按照下述格式運(yùn)行命令：cscript MacId.vbs [/M|G] Remote，如果連接對(duì)象為加工中心，則指定“/M”，如果為磨床，則指定“/G”。在Remote部分輸入連接對(duì)象OSP的計(jì)算機(jī)名或IP地址。如果機(jī)型和機(jī)床編號(hào)如圖5所示，則設(shè)置正確[5]。

圖5 API配置成功

4 結(jié)語

當(dāng)前工業(yè)無線技術(shù)發(fā)展迅速，企業(yè)在配置MES時(shí)對(duì)于現(xiàn)場數(shù)控機(jī)床應(yīng)優(yōu)先考慮使用無線組網(wǎng)方案，其布置靈活、安裝簡單、工程造價(jià)低，對(duì)于AGV等可移動(dòng)設(shè)備具有先天優(yōu)勢，便于后期調(diào)整生產(chǎn)布局，適于金屬加工企業(yè)的數(shù)字化改造。但同時(shí)應(yīng)注意的是，對(duì)于機(jī)床數(shù)量多的無線組網(wǎng)方案，應(yīng)考慮到噪聲干擾、延遲率高、信道沖突、保密性差等無線方案固有的問題，采用適當(dāng)?shù)臒o線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃信道和IP地址，選用適合的無線設(shè)備，使用WPA3等新一代的無線加密技術(shù)，對(duì)于數(shù)控機(jī)床的無線組網(wǎng)技術(shù)是有益的。