無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)在工廠設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用

王詩(shī)凱，何 佳，符國(guó)建

（上海工具廠有限公司，上海 200093）

0 引言

數(shù)控設(shè)備及系統(tǒng)的發(fā)展日益功能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化，對(duì)工廠的輔助設(shè)施的配套要求也逐漸增加，新建工廠配套完整。而已建工廠新設(shè)備引進(jìn)過(guò)程中在常規(guī)電、氣、液的必須配套的情況下，許多數(shù)控設(shè)備在激活及調(diào)試的過(guò)程中，都需要廠家聯(lián)網(wǎng)調(diào)試及激活。已建工廠在早期規(guī)劃中未考慮到網(wǎng)絡(luò)需求環(huán)節(jié)，單獨(dú)鋪設(shè)網(wǎng)線費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且由于使用頻率少經(jīng)濟(jì)性差。許多進(jìn)口設(shè)備都搭載基于西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)，在調(diào)試中及其復(fù)雜。有時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)提出新要求則利用系統(tǒng)自帶TeamViewer 軟件遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)境外廠家技術(shù)進(jìn)行修正和更新。在已處于正常生產(chǎn)中工廠車間單獨(dú)鋪設(shè)網(wǎng)線費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。

無(wú)線網(wǎng)橋利用WiFi 2.4G高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)配合內(nèi)置定向天線聚集無(wú)線信號(hào)，在工廠上空架起了一條隱形的網(wǎng)線（圖1）。

1 各類網(wǎng)絡(luò)通信方式在數(shù)控設(shè)備上的應(yīng)用

目前數(shù)控設(shè)備通信方式分為以太網(wǎng)接口RJ45 與串口RS232（圖2），其中串口RS232由于傳輸距離近和速度低對(duì)接口線纜要求較高，并還需要配合PC 接口使用已逐漸淘汰。取而代之以太網(wǎng)接口RJ45具有接口通用、高速穩(wěn)定、長(zhǎng)距離傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，逐漸在各類新型數(shù)控設(shè)備上使用，承擔(dān)內(nèi)部總線及外部聯(lián)網(wǎng)作用。

圖1 無(wú)線網(wǎng)橋?qū)嵨?/p>

圖2 左側(cè)RS232 右側(cè)RJ45網(wǎng)絡(luò)接口

以太網(wǎng)接口RJ45 是常見(jiàn)的網(wǎng)線接口，使用雙絞線+水晶頭組合。優(yōu)勢(shì)在于其通用轉(zhuǎn)換性，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)兩端都為以太網(wǎng)接口RJ45，中間部分在無(wú)法有效使用雙絞線連接時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況通過(guò)其他接口或線纜轉(zhuǎn)換使用。如：光纖收發(fā)器（光通信）、電力貓（電力通信）、無(wú)線網(wǎng)橋（無(wú)線通信）、4G 傳輸（移動(dòng)通信）。

2 無(wú)線網(wǎng)橋系統(tǒng)構(gòu)成

無(wú)線網(wǎng)橋系統(tǒng)主要由發(fā)送端（AP）、客戶端（Client）、管理端（路由器、AP 管理器、PC 電腦）組成（圖3）。其中發(fā)送端與客戶端設(shè)備為相同設(shè)備可根據(jù)終端網(wǎng)絡(luò)位置需要功能互換使用（即終端網(wǎng)絡(luò)可以是辦公室網(wǎng)絡(luò)端也可以是數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)端）（圖4）。管理端主要負(fù)責(zé)WAN 終端網(wǎng)絡(luò)接入（互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)）分配LAN 端口IP 地址，根據(jù)工廠實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況選用路由器作為管理端配置網(wǎng)橋。

2.1 硬件構(gòu)成及性能

2.1.1 無(wú)線網(wǎng)橋端

使用無(wú)線網(wǎng)橋型號(hào)為水星MWB201 套裝系列。該無(wú)線網(wǎng)橋主要由子母兩個(gè)網(wǎng)橋構(gòu)成，采用802.11n 技術(shù)，無(wú)線傳輸速率達(dá)300 Mbps。內(nèi)置高增益雙極化天線，保證信號(hào)強(qiáng)勁穩(wěn)定傳輸，無(wú)線傳輸距離可達(dá)1 km（圖5）。配有獨(dú)立保護(hù)電路，當(dāng)設(shè)備工作異常時(shí)，即可自動(dòng)重啟，無(wú)需人工干預(yù)，管理更為簡(jiǎn)便。

圖3 無(wú)線網(wǎng)橋典型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸系統(tǒng)

同時(shí)在供電方面除常規(guī)電源適配器接口外還具備Passive PoE 供電方式（圖6），能通過(guò)Passive PoE 供電模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和電力的一體傳輸（在應(yīng)用中無(wú)需使用，但在特殊工況下經(jīng)試驗(yàn)在60 m 內(nèi)能100 M滿速傳輸，可有效節(jié)省的布線距離）。

圖4 無(wú)線網(wǎng)橋接口部分主子端切換

圖5 左側(cè)雙極化天線結(jié)構(gòu)右側(cè)扇形信號(hào)覆蓋方式

在該網(wǎng)橋WEB管理系統(tǒng)中，提供人性化設(shè)置，無(wú)線網(wǎng)橋發(fā)射功率線性可調(diào)，同時(shí)支持設(shè)備工作參數(shù)集中查看功能，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備工作狀態(tài)（圖7）。

圖6 PoE 供電接線及PoE 供電模塊實(shí)物

圖7 無(wú)線網(wǎng)橋內(nèi)置管理界面

無(wú)線網(wǎng)橋在子主端硬件配對(duì)時(shí)內(nèi)置智能指示燈，通過(guò)自動(dòng)運(yùn)算距離與信號(hào)強(qiáng)度、應(yīng)用數(shù)據(jù)的關(guān)系，科學(xué)選擇最佳信號(hào)擺放位置，并通過(guò)指示燈的數(shù)量顯示型號(hào)強(qiáng)度，能快速找到對(duì)應(yīng)的布置點(diǎn)位（圖8）。

2.1.2 路由管理端

使用路由管理端為普聯(lián)企業(yè)VPN 路由器TL-R478（圖9），端口傳輸速度為百兆，由于在無(wú)線網(wǎng)橋應(yīng)用中主要以無(wú)線網(wǎng)橋?yàn)橹鳎酚晒芾矶瞬蛔鲈敿?xì)介紹（路由管理端在工況條件可以的情況下，可靈活使用普通、商用有線或無(wú)線路由，由于WAN口速度較低不建議使用，其他均可。其主要功能在于PPPOE 撥號(hào)上網(wǎng)或靜態(tài)IP 端上網(wǎng)即可，并配合靜態(tài)路由配置實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)互訪）。

2.2 軟件構(gòu)成及功能

2.2.1 無(wú)線網(wǎng)橋端

圖8 無(wú)線網(wǎng)橋側(cè)邊信號(hào)燈

提供AP（發(fā)送端或主端）、Client（客戶端或子端）兩種工作模式，可通過(guò)WEB 管理系統(tǒng)集中查看無(wú)線信號(hào)質(zhì)量、射頻狀態(tài)、無(wú)線客戶端等系統(tǒng)工作參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)。

2.2.2 路由管理端

由于工廠網(wǎng)絡(luò)配置因素，采用配置靜態(tài)IP 端實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)，同時(shí)根據(jù)需求設(shè)置相應(yīng)的靜態(tài)路由表及端口轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)PC 端訪問(wèn)。

20世紀(jì)70年代，山東革委地質(zhì)局在萊蕪胡家莊地區(qū)開(kāi)展了以評(píng)價(jià)含稀土碳酸巖為主的普查找礦工作，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的含稀土碳酸巖具有較重要的經(jīng)濟(jì)和研究?jī)r(jià)值。

2.3 組網(wǎng)方式

應(yīng)用中為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)傳輸方式，由于一般只需要數(shù)控設(shè)備RJ45 網(wǎng)絡(luò)口通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋后再經(jīng)路由管理端連接互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)遠(yuǎn)端PC 即可。并可根據(jù)實(shí)際使用情況在單臺(tái)數(shù)控設(shè)備或多臺(tái)數(shù)控設(shè)備同時(shí)經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，只需增加或減少無(wú)線網(wǎng)橋客戶端硬件數(shù)量即可（圖10）。同時(shí)還能利用無(wú)線網(wǎng)橋在多臺(tái)數(shù)控設(shè)備組網(wǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使數(shù)控設(shè)備不僅能單獨(dú)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)端PC，且還能相互通信復(fù)制數(shù)控程序文件。

圖9 應(yīng)用中TL-R478 路由器實(shí)物

3 無(wú)線網(wǎng)橋現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景介紹

螺紋刀具廠生產(chǎn)車間建成時(shí)間較長(zhǎng)，以前都是些普通機(jī)床和簡(jiǎn)易數(shù)控設(shè)備無(wú)需網(wǎng)絡(luò)配置，故全車間只有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口分布于生產(chǎn)線兩端且年久傳輸不穩(wěn)定（圖11、圖12）。從前年開(kāi)始新引進(jìn)的數(shù)控設(shè)備軟件和硬件配置較高，在外方技術(shù)員安裝調(diào)試和后續(xù)使用中出現(xiàn)故障時(shí)都需要網(wǎng)絡(luò)支持遠(yuǎn)程德方廠家技術(shù)操作。而這些新設(shè)備的定置點(diǎn)往往又根據(jù)工段生產(chǎn)及工藝順序安置較為分散。如果布設(shè)網(wǎng)線，首先是使用頻率低（新機(jī)調(diào)試和軟件升級(jí)時(shí)才用）；其次是終端交換機(jī)在二樓辦公室，造成整體布線距離較長(zhǎng)，綜合成本和時(shí)間不經(jīng)濟(jì)。

圖10 利用無(wú)線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)多設(shè)備星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

圖11 車間網(wǎng)絡(luò)端口及所需網(wǎng)絡(luò)數(shù)控設(shè)備分布簡(jiǎn)圖

3.2 硬件設(shè)備與軟件配置

3.2.1 硬件設(shè)備

2 臺(tái)水星MWB201 無(wú)線網(wǎng)橋，1 臺(tái)普聯(lián)路由器TLR478，2 m 成品網(wǎng)線（符合CAT.5e 及以上標(biāo)準(zhǔn)）3 根。

圖12 二樓辦公室安裝無(wú)線網(wǎng)橋主端

3.2.2 軟件配置

（1）無(wú)線網(wǎng)橋配對(duì)設(shè)置，子、主端無(wú)線網(wǎng)橋分別通電開(kāi)機(jī)并相互靠近時(shí)期自動(dòng)識(shí)別配對(duì)，在經(jīng)過(guò)約30 s 的識(shí)別后完成自動(dòng)配對(duì)。最后分別通過(guò)其LAN 接口再經(jīng)過(guò)PC 端登錄WEB 管理界面進(jìn)行最終確認(rèn)即可（圖13）。

（2）路由管理端靜態(tài)IP 設(shè)置，路由器通電開(kāi)機(jī)后使用網(wǎng)線連接任意LAN 接口至PC 端登錄WEB 管理界面，在上網(wǎng)設(shè)置中選擇靜態(tài)IP 后填寫(xiě)相應(yīng)IP、網(wǎng)管、子網(wǎng)掩碼、DNS 服務(wù)器后按系統(tǒng)提示重啟即可（圖14）。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方式

（2）使用1 根網(wǎng)線分別接入路由器及無(wú)線網(wǎng)橋發(fā)送端（主端）LAN 接口，無(wú)線網(wǎng)橋通電開(kāi)機(jī)并將定向天線朝向所需聯(lián)網(wǎng)數(shù)控設(shè)備位置安裝（圖15）。

（3）使用1 根網(wǎng)線分別接入數(shù)控設(shè)備RJ45 網(wǎng)絡(luò)口及無(wú)線網(wǎng)橋客戶端（子端）LAN 接口，無(wú)線網(wǎng)橋通電開(kāi)機(jī)并盡可能往高處朝向無(wú)線網(wǎng)橋發(fā)送端（主端）位置安裝（可根據(jù)無(wú)線網(wǎng)橋上信號(hào)燈數(shù)量判斷）（圖16）。

圖13 無(wú)線網(wǎng)橋主端界面中顯示與子端連接狀態(tài)

圖14 靜態(tài)IP 設(shè)置界面

圖15 二樓安裝路由管理端及無(wú)線網(wǎng)橋主端

圖16 無(wú)線網(wǎng)橋子端在數(shù)控設(shè)備上安裝

（4）查看數(shù)控設(shè)備中本地網(wǎng)絡(luò)連接是否獲取對(duì)應(yīng)IP 地址及網(wǎng)絡(luò)通斷狀態(tài)。

（5）啟動(dòng)數(shù)控設(shè)備中TeamViewer 遠(yuǎn)程協(xié)助軟件，查看聯(lián)網(wǎng)獲取賬戶是否正常。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)傳輸性能測(cè)試與其他聯(lián)網(wǎng)方式對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用3 種方式進(jìn)行：①模擬布線（估算布線長(zhǎng)度約40 m 后直接使用40 m 符合CAT.5e 及以上標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線在兩臺(tái)電腦上測(cè)試傳輸速度）；②電力貓系統(tǒng)（兩臺(tái)電力貓分別安裝在數(shù)控設(shè)備端和二樓辦公室網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)端）；③無(wú)線網(wǎng)橋系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)傳輸速度測(cè)試方法采用LAN Speed Test 軟件設(shè)置反復(fù)10 次復(fù)制單個(gè)同樣100 MB 大小文件，進(jìn)行讀寫(xiě)速度及穩(wěn)定性測(cè)試并得出其文件平均傳輸速度（圖17）。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

3.5 結(jié)果分析

圖17 軟件在方案①時(shí)測(cè)試界面

表1 測(cè)試結(jié)果

首先方案②由于電力貓傳輸在220 V 交流電基礎(chǔ)上使用而且需在不能帶有濾波穩(wěn)壓器同一電網(wǎng)內(nèi)使用，現(xiàn)場(chǎng)情況是二樓辦公室與車間不在同一電網(wǎng)內(nèi)，且車間電網(wǎng)帶有濾波穩(wěn)壓器用以保護(hù)設(shè)備，故電力貓方案失效。

從方案①與方案③可以看出，模擬布線利用網(wǎng)線物理傳輸在速度上具有優(yōu)勢(shì)，但考慮使用率低布線成本，在人力物力上沒(méi)有無(wú)線網(wǎng)橋那樣能即裝即用隨時(shí)移機(jī)的優(yōu)勢(shì)。綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況是以設(shè)備新機(jī)調(diào)試及后期維護(hù)臨時(shí)短暫產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)需求，無(wú)線網(wǎng)橋無(wú)論在經(jīng)濟(jì)性、靈活性、迅捷性上更適合這類沒(méi)有配套網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)車間使用。

4 無(wú)線網(wǎng)橋經(jīng)濟(jì)性測(cè)算（表2）

由表2 可以得出，數(shù)控設(shè)備每增加1 臺(tái)，就需要網(wǎng)絡(luò)布線1次而無(wú)線網(wǎng)橋只需增加1 臺(tái)客戶端即可，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)且如果數(shù)控設(shè)備移位后則要重新布線，而無(wú)線網(wǎng)橋則不受影響。一般使用基本不會(huì)出現(xiàn)多臺(tái)數(shù)控設(shè)備同時(shí)需要網(wǎng)絡(luò)通信。此時(shí)無(wú)線網(wǎng)橋能隨時(shí)移機(jī)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了，哪臺(tái)數(shù)控設(shè)備要網(wǎng)就移到哪臺(tái)，只需無(wú)線網(wǎng)橋2 臺(tái)即可，而網(wǎng)絡(luò)布線則每臺(tái)數(shù)控設(shè)備都需布線，成本大幅增加。

表2 無(wú)線網(wǎng)橋經(jīng)濟(jì)性測(cè)算

5 無(wú)線網(wǎng)橋的擴(kuò)展應(yīng)用

無(wú)線網(wǎng)橋作為架設(shè)在空中的隱形網(wǎng)線，其最初目的為適應(yīng)礦山及電梯井監(jiān)控而研發(fā)?，F(xiàn)在將其利用在不易二次布線的車間環(huán)境中，除了能為數(shù)控設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)支持外，還能為車間任意一處需要臨時(shí)性布網(wǎng)需求的地方提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的局域網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。例如：①設(shè)備維修時(shí)，廠方技術(shù)員一般會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)臨時(shí)辦公及修理區(qū)。這時(shí)就能通過(guò)路由管理端+無(wú)線網(wǎng)橋+交換機(jī)的模式在0.5 h 內(nèi)快速完成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架設(shè)提供內(nèi)外網(wǎng)服務(wù)；②大數(shù)據(jù)時(shí)代下，對(duì)設(shè)備產(chǎn)能及運(yùn)行周期的實(shí)時(shí)掌控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，也是對(duì)工廠生產(chǎn)綜合成本測(cè)算的有力支撐。數(shù)據(jù)的傳輸都依賴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用無(wú)線網(wǎng)橋點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即路由管理端+無(wú)線網(wǎng)橋發(fā)送端（單個(gè)）+無(wú)線網(wǎng)橋客戶端（多個(gè)）—連接機(jī)床數(shù)據(jù)采集器（多個(gè)），就能同時(shí)完成多臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集分析，而且采集設(shè)備能靈活變動(dòng)而不需要二次布線（圖18）。

圖18 可利用無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)靈活利用無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)使其在數(shù)控設(shè)備及工廠車間發(fā)揮出意想不到的效果。在大幅縮短布線周期及成本的同時(shí)，具備即裝即用隨時(shí)移機(jī)的迅捷性。希望通過(guò)此次應(yīng)用案例為廣大從事機(jī)修保養(yǎng)工作的技術(shù)及操作人員提供更多新思路、新想法。