基于物聯網的數控車間集成通訊系統的設計*

徐楚橋　孫文磊

(新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

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基于物聯網的數控車間集成通訊系統的設計*

徐楚橋孫文磊

(新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

設計實現了一種基于物聯網的數控車間集成通訊系統的解決方案，針對國內企業目前使用的主流數控機床，從不同數控系統的通訊方式和通訊協議出發，提出了數控車間無線組網方案，利用Java語言，開發了對車間內多臺不同數控系統機床進行集成管理和通訊的系統軟件。在一定程度上解決了離散車間的集成化問題和DNC軟件在通用性上的問題，并于實際運用中取得良好效果。

物聯網；通訊；集成性；通用性； Java

隨著互聯網的發展，促進制造裝備的控制技術得到極大的提高，使制造裝備向網絡化、智能化階段邁進。制造技術與信息技術深度融合，是當前制造產業發展的最大趨勢。如：德國推出工業4.0、美國提出智能制造、日本提出的“智能制造系統計劃”等 。中國科技部高新司先進制造與自動化處在先進制造技術領域“十三五”戰略研究中也提出了基于“互聯網+”，通過融合制造物理系統與信息系統，實現生產制造的智能化和互聯化，依靠科技創新，培育中國制造業的“智慧企業”，打造中國版的“工業4.0”和“工業互聯網”，走符合我國制造產業特色的自主發展之路的戰略部署。而就目前中國制造企業車間層的生產現狀，大部分都還停留在人工拷貝程序，機床、NC代碼、工程圖紙文檔管理混亂，這就迫切需要建立基于物聯網的車間集成通訊系統，保證系統之間的信息交互和流通，這也是實現“無紙化”、數字化制造，打造網絡化、智能化企業的基礎和先決條件。

由于目前中國大多數企業車間內機床新舊不一、系統不一，有可能一個企業車間內有多種不同數控系統的機床，這就對系統的集成性和通用性提出了要求，所以就要求集成通訊系統囊括目前使用的不同數控系統的所有通訊模式，才能將整個車間的所有機床集成到一起進行通信和管理，也就是實現通用性和集成性。本文在對目前國內使用的主流數控機床的通訊方式和協議進行系統分析的基礎上，提出了基于物聯網的數控車間集成通訊系統的物理組網方案以及利用Java語言實現軟件開發的方法。

1　物理組網方案

目前，中國企業使用的數控系統基本為FANUC、SIEMENS、華中數控、廣州數控。其通信模式可分為兩類：一類為早期的FANUC系列、廣州數控980TD系列、廣州數控928TA系列、華中數控3.0系列和華中數控4.0系列等都是應用RS-232串口來實現機床與計算機之間代碼的傳輸；另一類為后期的帶有網卡的數控系統，其機床上直接帶有RJ45以太網口 ，利用機床自身以太網絡通信。

1.1主要硬件

所需要的主要硬件有串口服務器或智能終端、無線網橋、無線AP、以太網交換機等。

其中，串口服務器簡單的說就是一種網絡通訊接口轉換設備，它能夠將我們常見的RS-232、RS-485、RS-422串口轉換成TCP/IP網絡接口，實現RS-232、RS-485、RS-422串口與TCP/IP網絡接口的數據雙向透明傳輸，使得常規的串口設備能夠立即具備TCP/IP網絡接口功能，從而達到連接網絡進行數據通信、實現網絡化管理和遠程控制的目的。

無線AP(access point)即無線接入點，它是用于無線網絡的無線交換機，它主要是提供無線工作站對有線局域網和從有線局域網對無線工作站的訪問，在訪問接入點覆蓋范圍內的無線工作站可以通過它進行相互通信。其有AP無線接入點模式、Repeater中繼模式、Bridge with AP橋模式Multi-SSID模式以及AP client接入點客戶端模式。這里選用的是AP client接入點客戶端模式，可以和其他AP進行無線連接，延展網絡的覆蓋范圍。

1.2組網方案

將車間帶串口的數控機床的RS-232 串口接到串口服務器或智能終端上轉換為RJ45以太網口，將轉換后的網口連接到無線連接器上，帶有網口的機床和觸摸屏則直接將其RJ45以太網口接到無線連接器上，無線連接器可采用Passive PoE網線供電，讓AP擺脫電源接入點的限制，使無線接入器直接粘貼在數控機床身上，然后通過無線接入器的AP client接入點客戶端模式，和其他AP進行無線連接，將車間內所有機床以及觸摸屏通過設定固定IP地址及MAK地址連接到總的無線AP上，最后再將總的無線AP通過以太網交換機連接到數據庫服務器以及其他計算機上，如圖1所示。

以上物理組網方案不僅可以實現車間所有數控機床及觸摸屏與上層服務器和客戶機之間的聯網通訊，而且這里利用無線連接和Passive PoE網線供電，既解決了傳輸距離的問題，又極大地節省了空間，減少了線路，特別適合企業車間這種線路繁多的復雜環境。

2　利用Java實現軟件的開發

軟件部分主要在建立好的物理連接網絡基礎上，對所有數控機床進行系統的集成管理，實現點對點、點對多的通信交互及整體管理，以使企業的管理者和決策層能不在車間內而對車間內的數控機床進行管理和及時通信，從而大大地減少了人力、節省了時間，提高了軟件的通用性。圖2為系統軟件主界面。

2.1語言的選擇

集成性和通用性是貫穿本系統的重要理念和中心思想，用Java語言編寫的程序，可以運行在任何平臺和設備上，如跨越IBM個人電腦、MAC蘋果計算機、各種微處理硬件平臺，以及Windows、UNIX、OS/2、MAC OS等系統平臺，真正實現“一次編寫，到處運行”，且語言簡潔，可靠性高，可移植性好，非常適用于企業網絡和Internet環境。所以選擇Java語言編寫本系統，利用基于Java開源類庫RXTX提供的Windows，Linux，Mac OS X，Solaris操作系統下的兼容javax.comm串口通訊包API實現對數控機床串口操作和通信。

2.2機床參數的設置

在軟件“機床參數設置”界面中設置的參數，必須與機床的串口參數保持一致，才能與機床進行連接和通信。只需第一次添加機床時進行設置，即可將機床信息和參數保存在數據庫中，當數控機床參數發生變動時，也可及時在軟件中進行修改。機床參數設置界面如圖3所示，主要參數說明如下：

“XON--DC”：軟件握手方式下，接收的一方在代碼傳輸的過程中，用該字符控制發送方開始發送的動作信號。

“XOFF--DC”：軟件握手方式下，接收的一方在代碼傳輸的過程中，用該字符控制發送方暫時停止發送的動作信號。

“波特率”：數據傳送速率，表示每秒鐘傳送二進制代碼的位數，它的單位是位/秒。常用的波特率為4800、9600、19200、38400。

“數據位”：串口通信中單位時間內的電平高低代表一位，多個位代表一個字符，這個位數的約定即數據位長度。一般位長度的約定根據系統的不同有：5位、6位、7位、8位幾種。

2.3機床的集成管理

利用機床樹將存放在數據庫中的所有數控機床的名稱、類型、分組、參數等信息進行有條理、系統地展現和管理，如圖2左側所示。以便于對所有機床信息在數據庫中的保存和讀取，更加簡單方便地對所有機床進行整體、系統的管理。并針對不同型號的機床通信協議的不同和參數的不同，設置不同的連接方式，對機床樹上的每臺數控機床都可打開其對應的通信模式和窗口，以使得真正對車間所有機床的整體、集成管理。

2.4串口機床通信的流程與方法

不同數控系統的機床擁有其各自不同的通信協議，這就要求針對不同通信方式的機床系統編寫不同的通信程序語句，才能實現與所有機床的通信，真正達到通用性和集成性。如華中數控系統，就有其特殊的通信協議，要求通信程序在發送文件代碼的正文前發送特殊的十六進制程序頭，大小為46個字符，共92位，必須寫滿，否則程序代碼將發送失敗。

在此以華中數控機床為例介紹串口機床通信軟件的設計流程與方法。圖4為華中數控十六進制程序頭，第一行“52”代表需要機床接收文件，“30”代表要發送普通文件，“3F”代表要機床做好接收準備，“49 41 00”為固定標識符，“4F 31 32 33 34”標識發送計算機上文件名稱為“1234”的文件，后面的“00 00 00 00 00”及第二行、第三行的 6 組“00”都是填位用的(文件名共 32 位)。第三行中間標記處“31 38 01 00”為文件大小(共 4 位)。其后“3F 49 41 00”又為固定標識符，再其后開始全部為所要發送的文檔內容。在編寫程序的過程中，就必須按照華中的協議格式傳輸。其他不同數控系統的串口機床雖通信協議與此不盡相同，但通信原理上都是一致的，只需在編寫語句時，針對不同的數控系統加上與之對應的通訊協議的頭文件，在此就不再贅述。發送與接收程序的設計流程如圖5所示：

利用基于Java開源類庫RXTX提供的javax.comm串口通訊包實現以上流程和對數控機床串口的操作和通信，關鍵程序代碼如下：

portId = (CommPortIdentifier) portList.nextElement();

//遍歷所有機床串口列表

if (portId.getPortType() == CommPortIdentifier.PORT_SERIAL){

//選取發送文件的機床串口

try{……// 參數初始化

serialPort = ( SerialPort ) portId.open( "SerialReader", timeout);

// 打開端口

serialPort.addEventListener( this );

serialPort.notifyOnDataAvailable( true );

catch ( PortInUseException e )

{e.printStackTrace(); }}}

public void serialEvent(SerialPortEvent event) {

switch (event.getEventType()) {

ase SerialPortEvent.DATA_AVAILABLE://獲取到串口返回信息

readComm();

break;}}

public void readComm() {

//讀取串口返回信息方法

byte[] readBuffer = new byte[1024];

try { inputStream = serialPort.getInputStream();

//從線路上讀取數據流

int len = 0;

while ((len = inputStream.read(readBuffer)) != -1) {

//多次讀取,將所有數據讀入緩存區

System.out.println(new String(readBuffer, 0, len).trim()+new Date());

test += new String(readBuffer, 0, len).trim();//讀出緩存區文件并釋放緩存

break; }

}catch (IOException e) {

e.printStackTrace();}}

2.5網卡機床通信的流程與方法

機床的網絡模塊與PC機網卡的工作模式類似，由硬件和軟件組成。硬件指網卡及網卡驅動程序，軟件就是機床的網絡通信模塊。

帶網卡的機床和車間觸摸屏由于其自帶網卡和網卡驅動，在建立好的數控機床與服務器之間的局域網中，其與上層服務器之間可以通過訪問各自的IP地址下的共享文件來實現通信與文件的交互。但是同樣在面對繁多的機床，如何進行集成管理，如何精準地點對點、點對多地與欲連接機床實現通信和交互，以及如何將此種通信模式和諧地、更好地融入到軟件界面中，結合機床的通信規則，機床與服務器的通信原理，我們提出的解決方案如下：

首先，數控機床默認訪問的路徑是C盤(不是操作系統所在盤)目錄下的PROG文件夾，因此我們必須將服務器中的所有的通信文件放在C盤目錄下的PROG文件夾中來集中管理，并將此PROG文件夾設置共享，再在服務器主機上創建FTP服務器， FTP服務器可以由客戶端通過協議訪問，上傳或下載文檔。客戶端從一個任意的非特權端口N(N>1024)連接到FTP服務器的命令端口，也就是21端口，然后客戶端開始監聽端口N+1，并發送FTP命令“port N+1”到FTP服務器。接著服務器會從它自己的數據端口(20)連接到客戶端指定的數據端口(N+1)。服務器發起到客戶的連接時，當客戶端通知服務器它處于被動模式時才啟用。然后在軟件中編寫“連接機床”窗口，訪問對應的IP地址下的數控機床(每臺數控機床對應著不同的IP地址)，讀取機床數據，同時打開服務器中PROG文件夾中的文件數據。本地上傳、下載文件可以采用鼠標拖拽方式，將機床窗口 List 內文件與服務器 List 窗口中文件相互拖拽。車間觸摸屏通信原理亦如此。通過網卡與服務器連接，加載網絡成功后的機床端如圖6所示。

3　結語

本文介紹了基于物聯網的數控車間集成通訊系統的設計方案與軟、硬件的實現方法，針對不同類型數控機床的通信方式和通訊協議的不同，覆蓋了國內主流數控機床的通訊方法，能將車間所有機床集中在一個軟件界面內進行管理和通訊。該系統在新疆大學工程訓練中心數控車間(含華中、FANUC等帶串口、網卡機床)內經過測試，運行正常。不僅在一定程度上解決了離散車間的集成化問題和DNC軟件在通用性上的問題，而且為后續的MES系統的開發與完善以及實現生產制造的智能化和互聯化奠定了基礎和先決條件。

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物聯網的車間制造執行系統的研究。

(編輯譚弘穎)

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Design of intergrated communication system in CNC workshop based on IOT

XU Chuqiao,SUN Wenlei

(School of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047,CHN)

An intergrated communication system in CNC workshop based on IOT was designed and realized,which has proposed a solution of wireless network in CNC workshop and developed an application software to communicate with CNC machine tools with different system by Java, considering the different communication protocols and methods from different CNC system used by current Chinese factory.The question in intergrating the discretized workshop and improving the universality of the DNC software has been solved to some extent and good effect has been gained during actual operation.

internet of things (IOT); communication;integration;commonality; Java

TG659；TP393.1

B

徐楚橋，男， 1992年生，碩士，從事基于

2015-08-18)

160428

*新疆科技重點專項項目(201130110)；新疆科技支疆項目(2013911032)