引言

    網絡化制造技術作為先進制造技術的一個重要分支在制造業中發揮的作用越來越大。而實現網絡化制造的一個重要方式就是DNC網絡體系的構建。美國電子工業協會(EIA)給DNC系統的定義為：“DNC是一個為按要求向各臺機床分配數據，并將一組NC機床與存儲零件程序或機床程序的公用存儲器連接起來的系統”。隨著計算機技術、通訊技術以及數控技術自身的發展，DNC網絡系統從以單純NC程序傳輸為主要功能的傳統DNC，發展成新型集成DNC或稱廣義DNC。這種集成化DNC網絡系統以計算機、通訊與數控等技術為基礎，把和制造過程有關的設備與上層計算機集成起來，從而實現制造設備的集中控制管理，實現集成通信、計劃、管理和設計等功能于一體，是現代化機械加工車間實現設備集成、信息集成和功能集成的一種新方法，是車間自動化的重要模式。

    當前制造企業在DNC網絡系統的搭建過程中存在著數控系統比較多、設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建方法，本文正是針對該現象，借助東南大學機電綜合工程訓練中心的硬件設備(加工中心)進行了DNC網絡體系的設計與構建。

1 DNC網絡拓撲結構設計

    網絡的拓撲結構是指計算機網絡連接使用的電纜所構成的幾何形狀，能表示網絡服務器、工作站的網絡配置和相互之間的連接關系。網絡拓撲結構分為星狀、環狀、總線、樹狀和網狀等5種類型。網絡拓撲結構如圖1所示。本文采用了基于無線以太網的DNC通信技術，利用工業以太網抗干擾性能強的特點，保證了信息傳輸的穩定性和實時性，且易于與管理層的集成。具體結構如圖1所示。

    系統采用“總線+星型”的拓撲結構，主干網采用總線結構，易于組成冗余環網；車間層采用星型結構，避免了某一臺設備的故障影響其他設備。車間內部通過串口轉換器智能終端將機床的RS232接口轉換為以太網的RJ45接口，并對每臺數控設備分配IP地址，組建成一個無線局域網絡，然后通過無線接入點(Access Point，AP)與DNC主服務器及外部Internet網連接。

2 DNC網絡體系構建

    2．1體系構建前的準備

    DNC網絡體系構建所需要的硬件及具體要求如下。

    圖1網絡拓撲結構

    1)智能終端也叫終端服務器、異步串口服務器，是一個帶有CPU和嵌入式OS及完整TCP／IP協議棧的獨立智能設備，作用是將數控設備的RS232接口轉換為以太網的RJ45接口，完成串行數據和網絡IP包之間的數據轉換。

    2)無線接入點(Access Point，AP)是用于組建無線局域網，并將智能終端有線網絡連接到無線網絡的設備，包括無線網橋和無線交換機。機床通過智能終端接入無線局域網，使得服務器到微縮智能終端的通信速率可達11Mb弘，遠遠大于標準串行通信接口。

    3)通信服務器端軟件運行平臺。計算機硬件基礎平臺配置要求為：Intel PIII800 CPU、256M。內存、10G硬盤、VGA顯示器、VGA顯卡、10—100M網卡或多串口卡、CD ROM、鍵盤和鼠標等基本配置(具體配置視需要管理的數控設備節點數量而定)。計算機軟件系統平臺配置要求為：MS中文Windows 98 sE或MS中文Win2k系列。

    4)管理模塊服務器端軟件運行平臺。計算機硬件基礎平臺配置要求為：Intel PⅢ800 CPU、256M內存、20G硬盤、VGA顯示器、VGA顯卡、10-100M網卡、CD ROM、鍵盤和鼠標等基本配置(具體配置視需要管理的數控設備節點數量而定)。計算機軟件系統平臺配置要求為：MS中文Windows 2000 Server系列操作系統以及MS SQL Server 2000數據庫的支持。瀏覽器要求為MS IE6。對系統環境的特殊需求為：安裝服務器端的硬盤分區需要NTFS分區格式。

    5)通信、管理模塊客戶端軟件運行平臺。計算機硬件基礎平臺配置要求為：Intel PIII800 CPU、256M內存、20G硬盤、VGA顯示器、VGA顯卡、10～100M網卡、鍵盤、CD ROM和鼠標等基本配置(具體配置還需要視用戶客戶端其他配套應用程序而定)。計算機軟件系統平臺配置要求為：MS的中文Windows 98 SE或Windows 2000或Windows XP等操作系統+MS IE6。

    系統所需要的通用網絡環境為企業內部以太網絡環境和TCWIP協議；軟件為大方科技有限公司的CAXA系列軟件。

2．2 DNC網絡體系的建立

    傳統的無線局域網(WLAN)通信方式是接入就近的無線接入點(Access Point，AP)，經AP的控制器(AC)傳到有線網絡，根據尋址方式轉交相應的AP。這種方式在家庭和公司環境以及一些公共場所得到廣泛地應用。機床無線通信網絡正是鑒于此組建起來的，無線AP的信號強度將直接影響到無線網絡的覆蓋范圍，而無線網絡的覆蓋范圍又將影響到無線信號的收發與傳輸。目前，主流無線AP的室內覆蓋半徑可達R120m，實際有效直線通信距離為80m左右，將其放在車間內部的高處。無線網絡客戶端需要每臺機床設置一臺，放在機床頂部。其與主無線AP的距離不要超過100m。對于距離超過100m的客戶端，建議增加無線AP的數量來補償。且該接入方式對于企業車間內部建筑結構有一定要求，百米以內應當盡量避免有大的建筑隔離墻，如果有隔離墻，需增加無線AP。

    決定無線網卡AP信號強度和覆蓋范圍的內部因素有很多，其中發射功率是最大的一個。一般來說，功率越大的產品，信號強度越好，覆蓋范圍越廣。目前主流產品的發射功率在30—200mW之間。本文選用D．Link公司的DWL-3200AP作為中心無線訪問點AP，DWL-2100AP為機床的無線訪問點，與機床相連，DWL-3200AP的輸出功率是802．11g 21dBm(128mW)／802．11b 22dBm(160 mW)，覆蓋半徑可達R300m左右，DWL-2100AP功率稍低為15dBm(32mW)。

    對于數控設備較多的車間，可以采用客戶端／服務器(C／S)模式，即中心的無線訪問點DWL-3200AP工作模式設置成為Access Point模式，提供中心有線局域網絡的連接和自身無線覆蓋區域的無線終端接入；機床端連接的無線訪問點DWL-2100AP設置成APClient模式，通過中心無線訪問點連接DNC服務器所在的局域網絡。

    對于數控設備較少(≤8臺)的車間，則全部選用DWL-2100AP，通信方式設為無線分布式系統(WDS)網橋模式，可作為一種低成本擴展無線的方案。選擇一個AP作為主WDS為中心點發送無線信號，其他接入點作為輔WDS進行信號接收并與機床相連。D-Link無線AP在一對多點橋接模式時，最多支持8個遠程點的接入。但由于DWL-2100AP不具有網絡地址轉換(NAT)功能，因此無法實現數據通信，為此需要借助路由器來實現NAT功能，從而保證網絡的暢通。WDS網橋模式網絡結構如圖2所示。

    圖2 WDS網橋模式網絡結構

    本網絡中需要設置IP地址的網絡設備包括通信服務器、管理客戶端、智能終端和無線AP等。為保證與校園網的連接，選用了網段“10．8．1．1-255”和網段“10．8．2．1—255”。網絡設備從中任選。

    采用C／S模式時，主無線DWL-3200 AP與客戶端DWL-2100 AP的作用相當于計算機的網卡，IP值可以保持為默認值，需要在同一范圍內。雙方的服務集標識符(SS／D)必須相同。否則兩個AP之間就無法實現通信。而智能終端必須與服務器在同一網段，具體C／s模式網絡設備的IP地址分配如表1所示。

    表1 c／s模式網絡設備的口地址分配

    對于采用無線網橋模式，需要連接的機床數量有7臺，在主無線接入點中輸入需要連接的AP(7臺)硬件位置(MAC)地址，并確認這7臺AP以設定成網橋工作模式建立多點無線網橋連接。無線AP網橋模式設置界面如圖3所示。

    圖3無線AP網橋模式設置界面

    WDS模式網絡設備IP地址分配如表2所示。

    表2 WDS模式網絡設備口地址分配

    DNC系統無線局域網的接入方式如圖4所示。

    圖4 DNC系統無線局域網絡接入方式

 3．3硬件的安裝

    車間數控加工中心的情況如表3所示。

    表3車間數控加工中心的情況

    一般數控系統的RS232C接口常用的有25腳和9腳兩種。具體引腳定義見表4和表5。其中數控系統RS232傳輸常用線有：TXD／RXD、RTX／CTX、DTR／DSR三對線加GND線，共7條。有時會額外加一條保護地線。

    表4標準RS232C9針D型接頭引腳定義

    表5標準RS232C篤針D型接頭引腳定義

    硬件部分主要是無線AP及智能終端的安裝。智能終端本文選擇的是NC601，本產品內置CAXA開發的面向機床聯網用戶專用通信軟件，其規格及說明見表6。NC601的串口管腳為標準DB9管腳，與標準計算機RS232C9針D型接頭定義相同，整個系統采用NC601智能終端將所有機床接入以太網絡，讓每個機床具有一個固定的IP地址并設置固定的網關及密碼(智能終端內部設置)。用以太網絡代替RS232網絡，獲得高穩定性，用網關及密碼保證系統免受非法侵入，智能終端采用非Microsoft系統，同時屏蔽二進制文件傳入機床，以此保證機床系統免受病毒感染。

    表6 NC601規格說明

    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

    機床通過智能終端直接接入以太網絡。數據從服務器到機床前的傳輸速率可達10Mbps，甚至100Mbps。在大量數據傳送時，與多串口卡系統比，其優勢不言而喻。對于無線局域網絡接入方式，其服務器到智能終端的通信速率可達11Mbps左右，也遠遠大于標準串行通信接口。每臺機床通過智能終端設置一個主機名和IP地址作為識別它們的唯一標志，機床IP地址與服務器在同一子網中，保證在主干網中的連接。此外其他相關的參數也必須進行設置，如100Mbps全雙工100f、串口參數等。

    主無線AP最好放在高處，天線向下輻射。放置越高輻射范圍越廣，可以放在車間的中間房頂處。而客戶端無線AP則一定要安放在機床外部高處，網橋安放處最好能夠直視到主無線AP，客戶端AP對電源要求比較高，為5V直流，其220V交流轉5V直流電源適配器在機床端取電時，盡量連接機床變壓器的輸入端(從380V中分一項出來)。如從變壓器輸出端接線，則盡量使用機床控制器的直流電源引用的那一相220V交流。實踐證明，如果客戶端的電源不穩定，則使用DNC通信時，常常會出現無法連接該機床的錯誤(端口連接失敗)。

3 結語

    DNC網絡體系的構建，能夠滿足網絡化制造的需要，實踐證明，該系統網絡體系結構具有靈活性大、可擴展性強和穩定性高等一系列特點。同時，由于用于構建DNC系統的硬件設備也存在著數控多、布局分散和集成化程度低的特點，故該系統的建立對于制造企業具有一定的指導意義。