引言
网络化制造技术作为先进制造技术的一个重要分支在制造业中发挥的作用越来越大。而实现网络化制造的一个重要方式就是DNC网络体系的构建。美国电子工业协会(EIA)给DNC系统的定义为：“DNC是一个为按要求向各台机床分配数据，并将一组NC机床与存储零件程序或机床程序的公用存储器连接起来的系统”。随着计算机技术、通讯技术以及数控技术自身的发展，DNC网络系统从以单纯NC程序传输为主要功能的传统DNC，发展成新型集成DNC或称广义DNC。这种集成化DNC网络系统以计算机、通讯与数控等技术为基础，把和制造过程有关的设备与上层计算机集成起来，从而实现制造设备的集中控制管理，实现集成通信、计划、管理和设计等功能于一体，是现代化机械加工车间实现设备集成、信息集成和功能集成的一种新方法，是车间自动化的重要模式。
当前制造企业在DNC网络系统的搭建过程中存在着数控系统比较多、设备比较分散和集成化程度低等一系列的困难，为此，必须要找到一种合适的构建方法，本文正是针对该现象，借助东南大学机电综合工程训练中心的硬件设备(加工中心)进行了DNC网络体系的设计与构建。
1 DNC网络拓扑结构设计
网络的拓扑结构是指计算机网络连接使用的电缆所构成的几何形状，能表示网络服务器、工作站的网络配置和相互之间的连接关系。网络拓扑结构分为星状、环状、总线、树状和网状等5种类型。网络拓扑结构如图1所示。本文采用了基于无线以太网的DNC通信技术，利用工业以太网抗干扰性能强的特点，保证了信息传输的稳定性和实时性，且易于与管理层的集成。具体结构如图1所示。
系统采用“总线+星型”的拓扑结构，主干网采用总线结构，易于组成冗余环网；车间层采用星型结构，避免了某一台设备的故障影响其他设备。车间内部通过串口转换器智能终端将机床的RS232接口转换为以太网的RJ45接口，并对每台数控设备分配IP地址，组建成一个无线局域网络，然后通过无线接入点(Access Point，AP)与DNC主服务器及外部Internet网连接。
2 DNC网络体系构建
2．1体系构建前的准备
DNC网络体系构建所需要的硬件及具体要求如下。
图1网络拓扑结构
1)智能终端也叫终端服务器、异步串口服务器，是一个带有CPU和嵌入式OS及完整TCP／IP协议栈的独立智能设备，作用是将数控设备的RS232接口转换为以太网的RJ45接口，完成串行数据和网络IP包之间的数据转换。
2)无线接入点(Access Point，AP)是用于组建无线局域网，并将智能终端有线网络连接到无线网络的设备，包括无线网桥和无线交换机。机床通过智能终端接入无线局域网，使得服务器到微缩智能终端的通信速率可达11Mb弘，远远大于标准串行通信接口。
3)通信服务器端软件运行平台。计算机硬件基础平台配置要求为：Intel PIII800 CPU、256M。内存、10G硬盘、VGA显示器、VGA显卡、10—100M网卡或多串口卡、CD ROM、键盘和鼠标等基本配置(具体配置视需要管理的数控设备节点数量而定)。计算机软件系统平台配置要求为：MS中文Windows 98 sE或MS中文Win2k系列。
4)管理模块服务器端软件运行平台。计算机硬件基础平台配置要求为：Intel PⅢ800 CPU、256M内存、20G硬盘、VGA显示器、VGA显卡、10-100M网卡、CD ROM、键盘和鼠标等基本配置(具体配置视需要管理的数控设备节点数量而定)。计算机软件系统平台配置要求为：MS中文Windows 2000 Server系列操作系统以及MS SQL Server 2000数据库的支持。浏览器要求为MS IE6。对系统环境的特殊需求为：安装服务器端的硬盘分区需要NTFS分区格式。
5)通信、管理模块客户端软件运行平台。计算机硬件基础平台配置要求为：Intel PIII800 CPU、256M内存、20G硬盘、VGA显示器、VGA显卡、10～100M网卡、键盘、CD ROM和鼠标等基本配置(具体配置还需要视用户客户端其他配套应用程序而定)。计算机软件系统平台配置要求为：MS的中文Windows 98 SE或Windows 2000或Windows XP等操作系统+MS IE6。
系统所需要的通用网络环境为企业内部以太网络环境和TCWIP协议；软件为大方科技有限公司的CAXA系列软件。
2．2 DNC网络体系的建立
传统的无线局域网(WLAN)通信方式是接入就近的无线接入点(Access Point，AP)，经AP的控制器(AC)传到有线网络，根据寻址方式转交相应的AP。这种方式在家庭和公司环境以及一些公共场所得到广泛地应用。机床无线通信网络正是鉴于此组建起来的，无线AP的信号强度将直接影响到无线网络的覆盖范围，而无线网络的覆盖范围又将影响到无线信号的收发与传输。目前，主流无线AP的室内覆盖半径可达R120m，实际有效直线通信距离为80m左右，将其放在车间内部的高处。无线网络客户端需要每台机床设置一台，放在机床顶部。其与主无线AP的距离不要超过100m。对于距离超过100m的客户端，建议增加无线AP的数量来补偿。且该接入方式对于企业车间内部建筑结构有一定要求，百米以内应当尽量避免有大的建筑隔离墙，如果有隔离墙，需增加无线AP。
决定无线网卡AP信号强度和覆盖范围的内部因素有很多，其中发射功率是最大的一个。一般来说，功率越大的产品，信号强度越好，覆盖范围越广。目前主流产品的发射功率在30—200mW之间。本文选用D．Link公司的DWL-3200AP作为中心无线访问点AP，DWL-2100AP为机床的无线访问点，与机床相连，DWL-3200AP的输出功率是802．11g 21dBm(128mW)／802．11b 22dBm(160 mW)，覆盖半径可达R300m左右，DWL-2100AP功率稍低为15dBm(32mW)。
对于数控设备较多的车间，可以采用客户端／服务器(C／S)模式，即中心的无线访问点DWL-3200AP工作模式设置成为Access Point模式，提供中心有线局域网络的连接和自身无线覆盖区域的无线终端接入；机床端连接的无线访问点DWL-2100AP设置成APClient模式，通过中心无线访问点连接DNC服务器所在的局域网络。
对于数控设备较少(≤8台)的车间，则全部选用DWL-2100AP，通信方式设为无线分布式系统(WDS)网桥模式，可作为一种低成本扩展无线的方案。选择一个AP作为主WDS为中心点发送无线信号，其他接入点作为辅WDS进行信号接收并与机床相连。D-Link无线AP在一对多点桥接模式时，最多支持8个远程点的接入。但由于DWL-2100AP不具有网络地址转换(NAT)功能，因此无法实现数据通信，为此需要借助路由器来实现NAT功能，从而保证网络的畅通。WDS网桥模式网络结构如图2所示。
图2 WDS网桥模式网络结构
本网络中需要设置IP地址的网络设备包括通信服务器、管理客户端、智能终端和无线AP等。为保证与校园网的连接，选用了网段“10．8．1．1-255”和网段“10．8．2．1—255”。网络设备从中任选。
采用C／S模式时，主无线DWL-3200 AP与客户端DWL-2100 AP的作用相当于计算机的网卡，IP值可以保持为默认值，需要在同一范围内。双方的服务集标识符(SS／D)必须相同。否则两个AP之间就无法实现通信。而智能终端必须与服务器在同一网段，具体C／s模式网络设备的IP地址分配如表1所示。
表1 c／s模式网络设备的口地址分配
对于采用无线网桥模式，需要连接的机床数量有7台，在主无线接入点中输入需要连接的AP(7台)硬件位置(MAC)地址，并确认这7台AP以设定成网桥工作模式建立多点无线网桥连接。无线AP网桥模式设置界面如图3所示。
图3无线AP网桥模式设置界面
WDS模式网络设备IP地址分配如表2所示。
表2 WDS模式网络设备口地址分配
DNC系统无线局域网的接入方式如图4所示。
图4 DNC系统无线局域网络接入方式
3．3硬件的安装
车间数控加工中心的情况如表3所示。
表3车间数控加工中心的情况
一般数控系统的RS232C接口常用的有25脚和9脚两种。具体引脚定义见表4和表5。其中数控系统RS232传输常用线有：TXD／RXD、RTX／CTX、DTR／DSR三对线加GND线，共7条。有时会额外加一条保护地线。
表4标准RS232C9针D型接头引脚定义
表5标准RS232C笃针D型接头引脚定义
硬件部分主要是无线AP及智能终端的安装。智能终端本文选择的是NC601，本产品内置CAXA开发的面向机床联网用户专用通信软件，其规格及说明见表6。NC601的串口管脚为标准DB9管脚，与标准计算机RS232C9针D型接头定义相同，整个系统采用NC601智能终端将所有机床接入以太网络，让每个机床具有一个固定的IP地址并设置固定的网关及密码(智能终端内部设置)。用以太网络代替RS232网络，获得高稳定性，用网关及密码保证系统免受非法侵入，智能终端采用非Microsoft系统，同时屏蔽二进制文件传入机床，以此保证机床系统免受病毒感染。
表6 NC601规格说明
NC601 D型串口引脚定义如表7所示。
表7 NC601 D型串口引脚定义
机床通过智能终端直接接入以太网络。数据从服务器到机床前的传输速率可达10Mbps，甚至100Mbps。在大量数据传送时，与多串口卡系统比，其优势不言而喻。对于无线局域网络接入方式，其服务器到智能终端的通信速率可达11Mbps左右，也远远大于标准串行通信接口。每台机床通过智能终端设置一个主机名和IP地址作为识别它们的唯一标志，机床IP地址与服务器在同一子网中，保证在主干网中的连接。此外其他相关的参数也必须进行设置，如100Mbps全双工100f、串口参数等。
主无线AP最好放在高处，天线向下辐射。放置越高辐射范围越广，可以放在车间的中间房顶处。而客户端无线AP则一定要安放在机床外部高处，网桥安放处最好能够直视到主无线AP，客户端AP对电源要求比较高，为5V直流，其220V交流转5V直流电源适配器在机床端取电时，尽量连接机床变压器的输入端(从380V中分一项出来)。如从变压器输出端接线，则尽量使用机床控制器的直流电源引用的那一相220V交流。实践证明，如果客户端的电源不稳定，则使用DNC通信时，常常会出现无法连接该机床的错误(端口连接失败)。
3 结语
DNC网络体系的构建，能够满足网络化制造的需要，实践证明，该系统网络体系结构具有灵活性大、可扩展性强和稳定性高等一系列特点。同时，由于用于构建DNC系统的硬件设备也存在着数控多、布局分散和集成化程度低的特点，故该系统的建立对于制造企业具有一定的指导意义。
(审核编辑: 智汇小新)
