數控機床無線組網技術的應用

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分公司，長春 130011）

0 引言

大型制造型企業目前都在推進數字化轉型，工業以太網作為數字化轉型的基礎技術正在大面積普及，而數控機床作為必要的加工設備在金屬加工制造型企業中占比很高，將數控機床融入工業以太網是金屬加工制造型企業數字化轉型的必備條件。

1 無線工業以太網和有有線工業以太網的比較

某公司有數控機床1000多臺，有無線連接和有線連接兩種方式，其優劣勢分析如下：有線工業以太網的優勢是抗干擾能力強、傳輸延遲低；劣勢是需要布線、安裝鋪設工時長和網線成本高。網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，在數據傳輸時可減少電磁干擾，但價格較高。非屏蔽雙絞線內沒有屏蔽層，穩定性較差，直徑小，占用空間少，質量輕，易彎曲，易安裝，價格低。以下為常用網線：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，具有更高的衰減串擾比（ACR）和信噪比、更小的時延誤差，具有衰減小、串擾少的特性；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，最大傳輸速度可達到10 GB/s，在外部串擾等方面有較大改善。

對于無線工業以太網，優勢是安裝簡便，具有布置靈活的優點，便于后期的調整，易于擴展。劣勢是傳輸距離的限制較大，傳輸速率相比網線傳輸差距較大，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標準的WLAN。WLAN規格如表1所示。

表1 IEEE 802.11b標準

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，信道是以無線信號作為傳輸載體的數據信號傳送通道。WIFI 2.4 GHz共劃分14個信道，中國可用13個信道（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，實際帶寬為22 MHz，其中2 MHz為隔離頻帶。帶寬越大，數據傳輸速率越大[1]。

通過以上比較可知，應根據機床的數量、布局、數據傳輸的延遲情況、數據安全性等方面綜合考慮。如果是新建工廠或是數據保密的要求高，以及要求極高的響應速度的企業可以考慮使用有線以太網。如果是企業進行機床數字化改造，移動設備、空間局促沒有布置網線的空間，以及對數據傳輸的延遲情況要求不高的場合適用于無線以太網。

2 無線工業以太網的關鍵性能指標

在無線工業以太網的組建過程中硬件為無線路由器、放大器、中繼器、機床數據接收發射器，要考慮的技術指標是無線的傳輸距離和通信容量，如圖1所示。

圖1 無線工業以太網示意圖

2.1 無線方案的傳輸距離

無線路由器是整個無線工業以太網的核心節點，一般來說組建產線級別的無線工業以太網的目的是建立SCADA系統，無線路由器是MES系統與SCADA系統之間數據交換的橋梁。目前使用的工業級路由器標稱傳輸距離可達250～300 m，但由于廠房內立柱、機床設備、工位器具等起到屏蔽作用的障礙較多，所以實際傳輸距離與標稱距離有較大差距。選取2種工業級路由器，采用IEEE 802.11.ax技術標準，丟包率小于1%進行傳輸實驗，實驗結果如表2所示。

表2 工業無線路由器傳輸距離

通過表2可知，在布置工業無線路由器時應盡可能把工業無線路由器布置在產線中間，最好是頂裝，已避開障礙物，保證傳輸距離。當發現工業無線路由器無線信號不足時，應考慮以下措施：

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

2）提高天線增益。無線系統中的電磁波能量是由發射設備的發射能量和天線的放大疊加作用產生。即發射總能量=發射功率（dBm）+天線增益（dBi）[2]。天線增益是指在相同輸入功率時，天線在某一規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源）輻射功率密度的比值。內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射的能量聚集于某個方向上，增強信號強度，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床設備接受/發射端高度差小，且呈現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 天線定向對比圖

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

4）使用無線路由器橋接，擴大通信范圍。無線中繼器主要是作為通信的中繼，從而延伸無線以太網的覆蓋范圍。無線中繼器的作用范圍極其有限，在室內環境中覆蓋范圍半徑僅有10～30 m。當距離增加后需要配置多個中繼器，但中繼器的數量越多、通信距離越長就會造成傳輸的丟包率和傳輸延遲率的上升。同時無線橋接技術對于產線的擴充提供了可靠的解決方案，對機床的數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撲結構和中心拓撲結構，無中心拓撲結構任意兩個無線站點之間均可直接進行通信。其特點是：無需架設網線，穩定性高，但傳輸容量有限制，不能用來開展公眾無線接入業務。有中心拓撲結構要求一個無線接入點（也稱無線AP或無線HUB）充當中心站，用于在無線工作站和有線網絡之間接收、緩存和轉發數據，其他站點對網絡的訪問由中心站來控制。各個站點只需要在中心站覆蓋范圍內（通常能夠覆蓋幾十至幾百用戶，覆蓋半徑達上百米）就可與其他站點進行通信，這種結構的缺點是網絡的整體性能依賴于中心節點，如圖3所示。

圖3 工業無線以太網的拓撲結構

2.2 數據傳輸的通信容量和傳輸速率

工業無線局域網均是基于IEEE 802.11標準建立起來的，從IEEE 802.11開始，通過不斷發展到現在的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（Multi-Input Multi-Output，MIMO），更多的MIMO流（最多8條流），更好的調制方式（QAM256）。

以文本格式發送或接收的單臺設備通信速率并不高，通常只有每秒kB級，而傳輸音、視頻數據時，每秒將達到MB級以上。同時要考慮機床的數據傳輸頻次、無線局域網內的設備數。以22臺設備采集46種數據信息，采集周期為每秒一次為例，每秒通信容量大約為23 MB，傳輸速率要求達到54 MB/s 以上即可，所以需要選用IEEE 802.11n標準以上的無線設備。

當機床周圍有多臺無線設備時，還要考慮信道的問題。如果多臺無線設備使用一個信道，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相互干擾，所以應避免在同一信道中使用多臺無線設備。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，信道數越多，意味著容納的無線設備越多，但帶寬越窄，傳輸速率越低。相反設置的信道越少，意味著容納的無線設備越少，但是帶寬越寬，傳輸速率也越高。相對來說對于2.4G無線設備更多的使用1、11信道，5G無線設備會經常使用36～48，52～64信道。無線設備一般會具備自動跳轉信道的功能，即當某一信道過于擁擠時，會跳轉至其他信道，避免堵塞。但當無線設備過多時需要依靠WDS掃描查看周圍環境中無線信號工作的信道及信號強度，如表3所示，手動調整至最優信道。

表3 WDS信號檢測圖

3 無線工業以太網的構建

如圖4所示，該生產線共有設備22臺，其中數控設備14臺，包括8臺FANUC 0i MD機床，4臺SINUMERIK 840D SL機床，4臺OKUMA LBR370機床，生產線長度為52 m，寬度5.5 m，占地面積286 m2。 數據傳輸為純數據，無DNC傳輸需求，單臺機床上傳數據為0.4～0.7 kB/s之間。

圖4 部分產線IP地址及設備布局情況

整個無線局域網的核心節點是某品牌WR300工業級無線路由器，安裝于生產線中部上空4.5 m處，其IP地址為192.168.1.1，無線發射功率為100 mW，有效無線覆蓋半徑為50 m，采用IEEE 802.11ac通信標準，5G WIFI工作模式，信道為49，使用7 dBi全向天線。每臺機床上安裝一臺某品牌WR100機床數據接收發射器。其控制管理IP地址為192.168.2.1，無線發射功率為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，為進一步提高產線兩端WR100的接受靈敏性，兩次4臺機床使用8dBi外置定向天線，經實際測試丟包率低于0.05%，符合數據采集要求。WR100負責將機床的數據上傳至WR300，WR100通過六類網線與機床工業以太網口連接。在WR100控制頁面中可以設置控制管理器IP地址和本機IP地址。WR100控制管理器與機床之間192.168.2.X 地址段連接，本機與WR300用192.168.1.X地址段連接。

生產線3種類型的數控機床的網絡接入方式如下：

1）FANUC 0i D數控機床。內置快速以太網板，標準配置有支持100 MB/s的內嵌式以太網。“FTP傳輸功能通過TXT文件傳導，經FTP服務器與Windows構架傳輸NC程序。使用FOCAS2通過Ethernet 網口實現對機床的控制和監視，或直接根據FOCAS2函數，利用Microsoft Visual Basic、Visual C++等軟件，應用程序接口（API）進行自主編程。還可通過通知功能、NC程序、梯圖程序發出指令，從CNC自發地向電腦的應用程序通知信息，在線進行FANUC LADDER-Ⅲ、SERVO GUIDE、梯圖程序發出指令對機床伺服系統進行調整。

FANUC的以太網功能主要通過TCP/IP協議實現，在系統的公共界面下，機床的IP地址選擇192.168.2.2，子網掩碼選擇255.255.255.0，設備有效選擇內置板，在FOCAS2界面下，口編號（TCP）選擇8193，在FTP傳送界面下主機號IP地址選擇192.168.2.1（即WR100控制管理地址），最后操作→再啟動→執行，完成機床設置[3]。

2）SINUMERIK 840D SL機床。西門子數控機床需要使用OPC UA進行數據傳輸。OPC UA是基于微軟公司的組件對象模型技術，其基本構架為C/S，本質上在兩個不同軟件（組件）間進行數據交換的一種機制[4]。

SINUMERIK 840D SL機床的網絡使用X130端口連接WR100機床數據接收發射器連接。需要說明的是SINUMERIK 840D SL 數控系統使用交換機將X130、X127、X1等接口組網，其默認地址為192.168.214.X，在與WR100組網時要注意不要輕易更改默認地址，防止接口地址更改后，設備硬件組態改變。可以修改WR100的控制管理地址為192.168.214.X。

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

設置PCU50的X1網口，將PCU公司網絡的IP地址修改為192.168.214.1、子網掩碼為255.255.255.0后重啟機床進入到840Dsl數控系統的Windows界面下設置防火墻，選擇高級設置入站規則，點擊新建規則，TCP設置特定本地端口為4840，重啟計算機使OPC UA和以太網功能配置生效。

3）OKUMA LBR370機床，使用OSP200L數控系統，傳輸數據通過API接口實現，API就是操作系統留給應用程序的一個調用接口（相當于中間件），以文件共享的方式實現數據交換。OSP-API 通信功能利COM（Component Object Model）技術，可通過使用支持COM的各開發環境（Visual C++、Visual Basic和Visual C#等程序語言）創建應用程序。

OSP200L數控系統是基于Windows 7系統，基本操作與電腦相同。

首先是安裝API授權，將“RXOSPAPI.EXE”復制至任意文件夾。命令提示符，進入所復制文件的文件夾，執行以下命令：RXOSPAPI.EXE /RegServer。

然后進入設置界面，進入機床Windows 7的網絡與共享中心，設置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。從客戶端PC訪問OSP上的加工程序文件夾和通信接口時，需進行此操作。設置共享文件夾，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”。設置計算機名，添加用戶賬號。設置COM安全，包括設置整體計算機安全和設置，設置應用安全，以及設置Windows防火墻。

最后確認設置，為確認上述設定，運行腳本文件（MacId.VBS）以獲取機床名稱。該腳本文件位于“VBSSample”文件夾內。運行命令提示符并跳轉至包含樣本的文件夾內。按照下述格式運行命令：cscript MacId.vbs [/M|G] Remote，如果連接對象為加工中心，則指定“/M”，如果為磨床，則指定“/G”。在Remote部分輸入連接對象OSP的計算機名或IP地址。如果機型和機床編號如圖5所示，則設置正確[5]。

圖5 API配置成功

4 結語

當前工業無線技術發展迅速，企業在配置MES時對于現場數控機床應優先考慮使用無線組網方案，其布置靈活、安裝簡單、工程造價低，對于AGV等可移動設備具有先天優勢，便于后期調整生產布局，適于金屬加工企業的數字化改造。但同時應注意的是，對于機床數量多的無線組網方案，應考慮到噪聲干擾、延遲率高、信道沖突、保密性差等無線方案固有的問題，采用適當的無線拓撲結構，合理規劃信道和IP地址，選用適合的無線設備，使用WPA3等新一代的無線加密技術，對于數控機床的無線組網技術是有益的。