无线网桥技术在工厂设备维护中的应用

2021-01-05王诗凯符国建

设备管理与维修 2020年19期

王诗凯，何佳，符国建

（上海工具厂有限公司，上海 200093）

0 引言

数控设备及系统的发展日益功能化、网络化、数据化，对工厂的辅助设施的配套要求也逐渐增加，新建工厂配套完整。而已建工厂新设备引进过程中在常规电、气、液的必须配套的情况下，许多数控设备在激活及调试的过程中，都需要厂家联网调试及激活。已建工厂在早期规划中未考虑到网络需求环节，单独铺设网线费时、费力且由于使用频率少经济性差。许多进口设备都搭载基于西门子840D 数控系统，在调试中及其复杂。有时由于现场提出新要求则利用系统自带TeamViewer 软件远程联网境外厂家技术进行修正和更新。在已处于正常生产中工厂车间单独铺设网线费时、费力。

无线网桥利用WiFi 2.4G高速无线网络传输技术配合内置定向天线聚集无线信号，在工厂上空架起了一条隐形的网线（图1）。

1 各类网络通信方式在数控设备上的应用

目前数控设备通信方式分为以太网接口RJ45 与串口RS232（图2），其中串口RS232由于传输距离近和速度低对接口线缆要求较高，并还需要配合PC 接口使用已逐渐淘汰。取而代之以太网接口RJ45具有接口通用、高速稳定、长距离传输等优势，逐渐在各类新型数控设备上使用，承担内部总线及外部联网作用。

图1 无线网桥实物

图2 左侧RS232 右侧RJ45网络接口

以太网接口RJ45 是常见的网线接口，使用双绞线+水晶头组合。优势在于其通用转换性，在数据传输时两端都为以太网接口RJ45，中间部分在无法有效使用双绞线连接时可根据现场情况通过其他接口或线缆转换使用。如：光纤收发器（光通信）、电力猫（电力通信）、无线网桥（无线通信）、4G 传输（移动通信）。

2 无线网桥系统构成

无线网桥系统主要由发送端（AP）、客户端（Client）、管理端（路由器、AP 管理器、PC 电脑）组成（图3）。其中发送端与客户端设备为相同设备可根据终端网络位置需要功能互换使用（即终端网络可以是办公室网络端也可以是数控设备网络端）（图4）。管理端主要负责WAN 终端网络接入（互联网或局域网）分配LAN 端口IP 地址，根据工厂实际网络情况选用路由器作为管理端配置网桥。

2.1 硬件构成及性能

2.1.1 无线网桥端

使用无线网桥型号为水星MWB201 套装系列。该无线网桥主要由子母两个网桥构成，采用802.11n 技术，无线传输速率达300 Mbps。内置高增益双极化天线，保证信号强劲稳定传输，无线传输距离可达1 km（图5）。配有独立保护电路，当设备工作异常时，即可自动重启，无需人工干预，管理更为简便。

图3 无线网桥典型点对点传输系统

同时在供电方面除常规电源适配器接口外还具备Passive PoE 供电方式（图6），能通过Passive PoE 供电模块，实现网络信号和电力的一体传输（在应用中无需使用，但在特殊工况下经试验在60 m 内能100 M满速传输，可有效节省的布线距离）。

图4 无线网桥接口部分主子端切换

图5 左侧双极化天线结构右侧扇形信号覆盖方式

在该网桥WEB管理系统中，提供人性化设置，无线网桥发射功率线性可调，同时支持设备工作参数集中查看功能，实时掌握设备工作状态（图7）。

图6 PoE 供电接线及PoE 供电模块实物

图7 无线网桥内置管理界面

无线网桥在子主端硬件配对时内置智能指示灯，通过自动运算距离与信号强度、应用数据的关系，科学选择最佳信号摆放位置，并通过指示灯的数量显示型号强度，能快速找到对应的布置点位（图8）。

2.1.2 路由管理端

使用路由管理端为普联企业VPN 路由器TL-R478（图9），端口传输速度为百兆，由于在无线网桥应用中主要以无线网桥为主，路由管理端不做详细介绍（路由管理端在工况条件可以的情况下，可灵活使用普通、商用有线或无线路由，由于WAN口速度较低不建议使用，其他均可。其主要功能在于PPPOE 拨号上网或静态IP 端上网即可，并配合静态路由配置实现内外网互访）。

2.2 软件构成及功能

2.2.1 无线网桥端

图8 无线网桥侧边信号灯

提供AP（发送端或主端）、Client（客户端或子端）两种工作模式，可通过WEB 管理系统集中查看无线信号质量、射频状态、无线客户端等系统工作参数，实时监控设备工作状态。

2.2.2 路由管理端

由于工厂网络配置因素，采用配置静态IP 端实现互联网访问，同时根据需求设置相应的静态路由表及端口转发实现内网PC 端访问。

20世纪70年代，山东革委地质局在莱芜胡家庄地区开展了以评价含稀土碳酸岩为主的普查找矿工作，发现该地区的含稀土碳酸岩具有较重要的经济和研究价值。

2.3 组网方式

应用中为点对点对等网络组网传输方式，由于一般只需要数控设备RJ45 网络口通过无线网桥后再经路由管理端连接互联网或局域网远端PC 即可。并可根据实际使用情况在单台数控设备或多台数控设备同时经过无线网桥进行联网数据传输，只需增加或减少无线网桥客户端硬件数量即可（图10）。同时还能利用无线网桥在多台数控设备组网的情况下，实现星型拓扑网络结构，使数控设备不仅能单独访问互联网远端PC，且还能相互通信复制数控程序文件。

图9 应用中TL-R478 路由器实物

3 无线网桥现场应用

3.1 应用背景介绍

螺纹刀具厂生产车间建成时间较长，以前都是些普通机床和简易数控设备无需网络配置，故全车间只有两个网络端口分布于生产线两端且年久传输不稳定（图11、图12）。从前年开始新引进的数控设备软件和硬件配置较高，在外方技术员安装调试和后续使用中出现故障时都需要网络支持远程德方厂家技术操作。而这些新设备的定置点往往又根据工段生产及工艺顺序安置较为分散。如果布设网线，首先是使用频率低（新机调试和软件升级时才用）；其次是终端交换机在二楼办公室，造成整体布线距离较长，综合成本和时间不经济。

图10 利用无线网桥实现多设备星型拓扑网络

图11 车间网络端口及所需网络数控设备分布简图

3.2 硬件设备与软件配置

3.2.1 硬件设备

2 台水星MWB201 无线网桥，1 台普联路由器TLR478，2 m 成品网线（符合CAT.5e 及以上标准）3 根。

图12 二楼办公室安装无线网桥主端

3.2.2 软件配置

（1）无线网桥配对设置，子、主端无线网桥分别通电开机并相互靠近时期自动识别配对，在经过约30 s 的识别后完成自动配对。最后分别通过其LAN 接口再经过PC 端登录WEB 管理界面进行最终确认即可（图13）。

（2）路由管理端静态IP 设置，路由器通电开机后使用网线连接任意LAN 接口至PC 端登录WEB 管理界面，在上网设置中选择静态IP 后填写相应IP、网管、子网掩码、DNS 服务器后按系统提示重启即可（图14）。

3.3 现场应用方式

（2）使用1 根网线分别接入路由器及无线网桥发送端（主端）LAN 接口，无线网桥通电开机并将定向天线朝向所需联网数控设备位置安装（图15）。

（3）使用1 根网线分别接入数控设备RJ45 网络口及无线网桥客户端（子端）LAN 接口，无线网桥通电开机并尽可能往高处朝向无线网桥发送端（主端）位置安装（可根据无线网桥上信号灯数量判断）（图16）。

图13 无线网桥主端界面中显示与子端连接状态

图14 静态IP 设置界面

图15 二楼安装路由管理端及无线网桥主端

图16 无线网桥子端在数控设备上安装

（4）查看数控设备中本地网络连接是否获取对应IP 地址及网络通断状态。

（5）启动数控设备中TeamViewer 远程协助软件，查看联网获取账户是否正常。

3.4 现场传输性能测试与其他联网方式对比

现场测试采用3 种方式进行：①模拟布线（估算布线长度约40 m 后直接使用40 m 符合CAT.5e 及以上标准网线在两台电脑上测试传输速度）；②电力猫系统（两台电力猫分别安装在数控设备端和二楼办公室网络交换机端）；③无线网桥系统。

数据传输速度测试方法采用LAN Speed Test 软件设置反复10 次复制单个同样100 MB 大小文件，进行读写速度及稳定性测试并得出其文件平均传输速度（图17）。测试结果见表1。

3.5 结果分析

图17 软件在方案①时测试界面

表1 测试结果

首先方案②由于电力猫传输在220 V 交流电基础上使用而且需在不能带有滤波稳压器同一电网内使用，现场情况是二楼办公室与车间不在同一电网内，且车间电网带有滤波稳压器用以保护设备，故电力猫方案失效。

从方案①与方案③可以看出，模拟布线利用网线物理传输在速度上具有优势，但考虑使用率低布线成本，在人力物力上没有无线网桥那样能即装即用随时移机的优势。综合现场实际使用情况是以设备新机调试及后期维护临时短暂产生网络需求，无线网桥无论在经济性、灵活性、迅捷性上更适合这类没有配套网络的生产车间使用。

4 无线网桥经济性测算（表2）

由表2 可以得出，数控设备每增加1 台，就需要网络布线1次而无线网桥只需增加1 台客户端即可，其价格优势已经显现且如果数控设备移位后则要重新布线，而无线网桥则不受影响。一般使用基本不会出现多台数控设备同时需要网络通信。此时无线网桥能随时移机的优势就体现出来了，哪台数控设备要网就移到哪台，只需无线网桥2 台即可，而网络布线则每台数控设备都需布线，成本大幅增加。

表2 无线网桥经济性测算

5 无线网桥的扩展应用

无线网桥作为架设在空中的隐形网线，其最初目的为适应矿山及电梯井监控而研发。现在将其利用在不易二次布线的车间环境中，除了能为数控设备提供网络支持外，还能为车间任意一处需要临时性布网需求的地方提供点对点或点对多点的局域网及互联网服务。例如：①设备维修时，厂方技术员一般会在现场架设临时办公及修理区。这时就能通过路由管理端+无线网桥+交换机的模式在0.5 h 内快速完成点对多点的网络架设提供内外网服务；②大数据时代下，对设备产能及运行周期的实时掌控和数据统计，也是对工厂生产综合成本测算的有力支撑。数据的传输都依赖网络技术，利用无线网桥点对多点网络架构，即路由管理端+无线网桥发送端（单个）+无线网桥客户端（多个）—连接机床数据采集器（多个），就能同时完成多台设备产能运行数据的采集分析，而且采集设备能灵活变动而不需要二次布线（图18）。