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[導(dǎo)讀]引言   近年來移動(dòng)通信技術(shù)和掌上電腦的飛速發(fā)展及其在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,必將對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生深刻的影響,并為數(shù)字化制造帶來重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。   在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化制造不僅僅取決于企業(yè)上層管

引言     

  近年來移動(dòng)通信技術(shù)和掌上電腦的飛速發(fā)展及其在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,必將對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生深刻的影響,并為數(shù)字化制造帶來重大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
     
  在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化制造不僅僅取決于企業(yè)上層管理和設(shè)計(jì)的數(shù)字化和信息化,也取決于車間底層的數(shù)字化和信息化。我們提出一種基于移動(dòng)通信技術(shù)的人機(jī)協(xié)同的新型數(shù)字化制造模式,它把無線移動(dòng)通信技術(shù)引進(jìn)來,創(chuàng)建一種以人為中心的能充分發(fā)揮“人的智能”和“機(jī)器智能”的分布式人機(jī)協(xié)同工作模式。車間數(shù)字助理(Shop Floor PDA)和新型數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成了這種新型制造模式的兩個(gè)核心環(huán)節(jié),本文只討論后者。
     
  采用無線通信技術(shù)的新型開放式數(shù)控系統(tǒng)
     
  采用無線通信技術(shù)的新型開放式數(shù)控系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成:一部分是可移動(dòng)的掌上控制器,即數(shù)控PDA;另一部分則安裝于機(jī)床上,完成傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制和PLC功能,稱為嵌入式機(jī)床控制器。兩部分之間通過Wi- Fi(802.11)或藍(lán)牙(Bluetooth)接口實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。在這種模式下,現(xiàn)今數(shù)控系統(tǒng)中的很大一部分功能將被轉(zhuǎn)移到數(shù)控PDA 上。這些功能主要包括加工程序的編制、仿真與下載(包括手工編程和從CAD/CAM 工作站或臺(tái)式電腦上下載巨型加工程序)、機(jī)床調(diào)整、加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)的采集以及和車間管理/調(diào)度服務(wù)器通信等。而機(jī)床控制器則主要執(zhí)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制和 PLC 功能。這種新型數(shù)控是真正的嵌入式系統(tǒng),能大大降低數(shù)控系統(tǒng)的體積和成本。同時(shí),通過數(shù)控PDA 也徹底改變了數(shù)控機(jī)床的操作模式,把以機(jī)器為中心改變?yōu)橐匀藶橹行?。操作者無論在位置上還是在姿勢(shì)上都不再被機(jī)床所束縛。操作更方便,更舒適,也容易實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作。

  由于這種專業(yè)化的數(shù)控PDA可以通過無線局域網(wǎng)和Internet上網(wǎng),獲得車間或單元服務(wù)器乃至CAD/CAM 技術(shù)中心的支持,因而極大的增強(qiáng)了數(shù)控系統(tǒng)的功能。同時(shí),因?yàn)閿?shù)控PDA 是一個(gè)通用的數(shù)控裝置,可以顯示多種機(jī)床的操作界面,控制不同的數(shù)控機(jī)床。由此,一個(gè)手握數(shù)控PDA的操作者和若干臺(tái)數(shù)控機(jī)床就能構(gòu)成一個(gè)人機(jī)協(xié)同的加工單元。這種在數(shù)字技術(shù)支持下的以人為中心的加工單元,較之傳統(tǒng)的柔性加工單元更加靈活、更加可靠。此外,數(shù)控PDA 還具有本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)管理功能,因而能用于組建車間網(wǎng)絡(luò)化制造的分布式數(shù)據(jù)庫(kù),使之成為分布式體系結(jié)構(gòu)中實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)結(jié)點(diǎn)。
    
  1.1 數(shù)控PDA 的硬件結(jié)構(gòu)
     
  基于IEEE802.11 下的數(shù)控PDA 的硬件體系結(jié)構(gòu)主要由32 位嵌入式微處理器、高速內(nèi)存、FLSH電子盤、無線通信模塊以及高效電池和LCD觸摸屏等部分組成(如圖2所示)。在硬件設(shè)計(jì)上采用Intel公司Strong ARM SA — 1100 32 位RISC 微處理器,它以ARM 公司的SA — 1 內(nèi)核作為其系統(tǒng)內(nèi)核,時(shí)鐘頻率高達(dá)206MHz,可以為數(shù)控PDA 提供強(qiáng)大的處理能力。在通信方面,數(shù)控PDA 提供了USB接口、串行接口和無線通信模塊。通過這些接口可以方便地與上級(jí)服務(wù)器或嵌入式機(jī)床控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。無線模塊采用Airgo公司的支持 IEEE802.11a/b/g 3 種無線LAN標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器芯片組。該芯片組可同時(shí)支持2.4GHz 和5GHz 頻帶下的OFDM(正交頻分多路復(fù)用)變頻方式。除了IEEE802.11a/b,還可支持最近作為標(biāo)準(zhǔn)剛剛獲得通過的IEEE802.11g。 


     
 

  IEEE802.11g是利用2.4GHz頻帶來實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)傳輸速度54Mbit/ 秒的無線LAN 規(guī)格。該芯片組由基帶芯片和R F 芯片組成,支持使用5 G H z 帶寬的IEEE802.11a、使用2.4GHz 帶寬的IEEE802.11b 及IEEE802.11g 的無線LAN 方式?;鶐酒瑤в蠭EEE802.11 的MAC功能和PHY功能,并進(jìn)行MIMO信號(hào)處理。同時(shí),該芯片組嵌入了IEEE802.11的安全功能加速器及服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證電路。
     
  如圖2 所示,數(shù)控PDA的主設(shè)備是由微處理器和IEEE802.11芯片組構(gòu)成。IEEE802.11芯片組接受來自主機(jī)的控制指令,經(jīng)過基帶控制器的處理后命令無線收發(fā)器發(fā)出2.4-5.0GHz 帶寬的無線電波。IEEE802.11 芯片組和主機(jī)的連接可以通過USB、MINI PCI,CARDBUS,從而省去所需外部橋接器件。HCI(Host Controller Interface)的上層通信協(xié)議由主機(jī)負(fù)責(zé)處理,下層的通信協(xié)議則由芯片組內(nèi)的基帶層芯片與無線收發(fā)器芯片負(fù)責(zé)。數(shù)控PDA 可與嵌入式機(jī)床控制器802.11無線網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。
     
  由于把主要的系統(tǒng)管理功能、人機(jī)交互和數(shù)控編程等轉(zhuǎn)移給了數(shù)控PDA,因而新型數(shù)控的機(jī)床控制部分比傳統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備簡(jiǎn)化了許多,近似于一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器和PLC。其硬軟件配置主要滿足伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和機(jī)床I/O 功能的要求,但它必須增加無線通信的功能模塊。在硬件上,采用基于104總線的嵌入式工控PC機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。這種體系結(jié)構(gòu)不僅能完全滿足上述要求,而且具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固可靠和成本低等特點(diǎn),不失為一種較理想的選擇。
     
數(shù)控PDA 的軟件結(jié)構(gòu) #e#

 

  1.2 數(shù)控PDA 的軟件結(jié)構(gòu)
     
  當(dāng)前用于掌上電腦上的嵌入式操作系統(tǒng)有很多, 較典型的有Windows CE、Pocket OS、Palm OS、Hopen、嵌入式Linux 等。Windows CE.NET 作為目前掌上電腦的是一個(gè)基于Win32應(yīng)用程序編程接口(API)的操作系統(tǒng)。我們采用Windows CE.NET 和Visual Studio.Net分別作為數(shù)控PDA的操作系統(tǒng)平臺(tái)和應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)。整個(gè)軟件系統(tǒng)按功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分為3 個(gè)層次,分別是人機(jī)界面和系統(tǒng)管理層、數(shù)據(jù)組織與管理層、與上級(jí)服務(wù)器及下級(jí)嵌入式機(jī)床控制器進(jìn)行通信的通信層。通信層包括了通信鏈路的建立、數(shù)據(jù)鏈路通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)、表示層的具體實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理完成數(shù)據(jù)的建立、排序、檢索與維護(hù),實(shí)現(xiàn)真正的移動(dòng)傳輸。系統(tǒng)的控制管理層是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心,對(duì)于數(shù)控 PDA 來說,其功能和智能化程度的區(qū)別都反映在這一層上,系統(tǒng)功能的增減也均在這一層進(jìn)行,包括程序的編譯解釋、調(diào)整、自動(dòng)、診斷、參數(shù)設(shè)置、仿真等與用戶操作有關(guān)的功能子模塊。
     
  各功能模塊通過無線通信程序與底層進(jìn)行信息交換。其軟件功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。通信層采用串口,USB 和無線通信口3 種通信方式。串口通信方式采用RS232串行總線技術(shù),全雙工,傳送波特率為57600bps;USB 通信方式采用USB2.0 高速通用串行總線,傳送速率可高達(dá)480Mbps;無線通信方式遵循IEEE802.11 通信協(xié)議,支持最高傳輸速率為54Mbps。整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件具有控制、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。

 

  2.新型數(shù)控中無線通信技術(shù)
     
  2.1 802.11通信機(jī)制
     
  目前常用的掌上電腦的無線聯(lián)網(wǎng)方式有GPRS, IEEE802.11(Wi-Fi),藍(lán)牙技術(shù)、家庭網(wǎng)絡(luò)HOMERF 等。這些方式各有優(yōu)劣。IEEE802.11 是1999 年最新版本的無線局域網(wǎng)(WLAN)標(biāo)準(zhǔn)。與藍(lán)牙協(xié)議和家庭網(wǎng)絡(luò)的HOME RF 標(biāo)準(zhǔn)相比IEEE802.11 協(xié)議具有傳輸距離遠(yuǎn),傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn),是無線通信技術(shù)發(fā)展的主流。和其他IEEE802.x 標(biāo)準(zhǔn)一樣,802.11 標(biāo)準(zhǔn)著重定義了物理層(PHY)和介質(zhì)訪問控制(MAC)子層。IEEE802.11 的MAC 層提供對(duì)無線共享介質(zhì)的訪問控制。除此之外,還提供支持無線傳輸和站點(diǎn)移動(dòng)所必須的網(wǎng)絡(luò)連接、認(rèn)證、保密和電源管理等功能。近年來,802.11標(biāo)準(zhǔn)又?jǐn)U展出802.11b、802.11a、802.11g等系列,這些擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)采用的是不同的物理層標(biāo)準(zhǔn),使通信速率提高到11Mbit/s、22Mbit/s至54 Mbit/s,但它們對(duì)MAC層協(xié)議沒有重大改變。
2.2 新型數(shù)控中無線通信的具體實(shí)現(xiàn)方案
     
  在新型數(shù)控體系結(jié)構(gòu)中,數(shù)控P D A 是通過IEEE802.11x 通信協(xié)議與車間服務(wù)器及機(jī)床控制器通信。根據(jù)機(jī)床控制系統(tǒng)的不同配置,其無線通信的實(shí)現(xiàn)方案也不同。主要有以下幾種:
     
 ?。?) 數(shù)控PDA的無線模塊和單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)相連的無線通信接口電路;
 ?。?) 數(shù)控PDA的無線模塊通過與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的RS232/802.11轉(zhuǎn)換器相連接;
 ?。?) 通過數(shù)控PDA的無線模塊與嵌入式機(jī)床控制器的802.11x無線網(wǎng)卡通信。
     
  在單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中,通過一種基于單片機(jī)無線通訊接口電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)控PDA 與單片機(jī)的無線通信。這種單片機(jī)無線通訊接口電路是由Micrel公司推出的單片發(fā)射器芯片(MICRF102)和單片接受器芯片(MICRF007)組成。工作在國(guó)際通用ISM 頻段300~400MHZ,具有ASK 調(diào)制和解調(diào)能力,抗干擾能力強(qiáng),非常適合于工業(yè)控制領(lǐng)域。同時(shí)它又具備頻率穩(wěn)定性好,接受靈敏度高,功耗底等優(yōu)點(diǎn)??梢苑奖銛?shù)控PDA 與單片機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)無線通信。其接口電路工作原理如圖4 所示。

 

  對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床來說,通常這些設(shè)備所提供的通信接口是普通的RS-232串行接口。如何使這些設(shè)備與數(shù)控PDA 通信呢?一個(gè)經(jīng)濟(jì)、快速的解決方案是,在傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的串行接口上外接一個(gè)RS-232/802.11轉(zhuǎn)換器,將數(shù)控設(shè)備的串口RS-232信號(hào)與無線通信信號(hào)相互轉(zhuǎn)換,使之符合IEEE 802.11x通信協(xié)議。它使數(shù)控設(shè)備與無線局域網(wǎng)聯(lián)網(wǎng),有效地?cái)U(kuò)展了數(shù)控設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通信能力,并且最終使固定的數(shù)控設(shè)備可以與自由移控動(dòng)的數(shù)控PDA實(shí)現(xiàn)無線通信。
     
  總而言之一種基于IEEE 802.11協(xié)議下的無線串口是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化制造的重要趨勢(shì)。其無線通信結(jié)構(gòu)見圖5所示。二者間無線通信的實(shí)現(xiàn),實(shí)際上可以看作是用無線模塊替代有線串口連接,亦既將兩個(gè)無線模塊組成的無線信道看成是一個(gè)兩端口的設(shè)備。對(duì)兩設(shè)備而言,串口通信時(shí)有線連接與無線連接的端子對(duì)應(yīng)關(guān)系是一樣的。用無線信道替代有線連接的通信程序編制也基本相同。但需要注意以下幾點(diǎn):

 

  (1) 在有線連接的通信程序中串口幀格式、串口速率可任意設(shè)置。連接線本身對(duì)上述兩個(gè)參數(shù)無限制。而在無線模塊中這兩個(gè)參數(shù)為一固定值,因此這兩個(gè)參數(shù)要與無線模塊的設(shè)置一致。
     
 ?。?) 有線連接時(shí),發(fā)端發(fā)出數(shù)據(jù)的時(shí)刻與收端收到數(shù)據(jù)的時(shí)刻無時(shí)間間隔。而無線模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換及時(shí)鐘同步,所以在無線通信時(shí)主設(shè)備發(fā)出數(shù)據(jù)的時(shí)刻與從設(shè)備收到數(shù)據(jù)的時(shí)刻有時(shí)間間隔。
     
  (3) 有線連接時(shí)串口通信是全雙工的。無線模塊的通信是雙向半雙工的。因此在通信編程時(shí)應(yīng)進(jìn)行控制將收發(fā)的時(shí)間錯(cuò)開。
     
  對(duì)于當(dāng)代的開放式數(shù)控系統(tǒng)來說,可以在通用的操作系統(tǒng)支持下實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的和功能強(qiáng)大的無線通信。目前國(guó)內(nèi)外的開放式數(shù)控系統(tǒng)所采用的操作系統(tǒng),一種是基于DOS,另一種是基于Windows98/NT。DOS 是運(yùn)行于16 位實(shí)模式下的單任務(wù)操作系統(tǒng),實(shí)時(shí)性好,但受16位實(shí)模式的限制,難以實(shí)現(xiàn)高效可靠的網(wǎng)絡(luò)尤其是無線網(wǎng)絡(luò)通信的要求;Windows98/NT 功能強(qiáng)大,但體系結(jié)構(gòu)龐大,實(shí)時(shí)性差,不能滿足數(shù)控要求。Windows CE.NET 是微軟推出的新一代嵌入式操作系統(tǒng),具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,兼?zhèn)銬OS 和Windows 的優(yōu)點(diǎn),“小而精”,是完全開放的模塊化體系結(jié)構(gòu),支持藍(lán)牙和802.11x無線通信協(xié)議以及友好的圖形界面??紤]到Microsoft公司的產(chǎn)品有更多技術(shù)支持和可利用的資源,結(jié)合我們幾年的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),因此我們選其作為新型數(shù)控系統(tǒng)的嵌入式機(jī)床控制器的操作系統(tǒng)平臺(tái)。硬件采用104總線的工業(yè)控制主板加802.11x無線網(wǎng)卡,實(shí)現(xiàn)與數(shù)控PDA 無線模塊的無線通信。
     
  2.3 STR-6無線數(shù)據(jù)傳輸模塊介紹
     
  我們選用上海桑博科技有限公司生產(chǎn)的STR-6無線收發(fā)模塊作為實(shí)現(xiàn)數(shù)控PDA 與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的RS-232串口的無線通信。它具有微功率發(fā)射、高抗擾能力和低誤碼率、傳輸距離遠(yuǎn)、多信道、大緩沖區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。它提供標(biāo)準(zhǔn)的RS- 232,RS-485和UART/TTL 電平3 種接口方式,可直接與計(jì)算機(jī)、用戶的RS-485 設(shè)備、單片機(jī)或其他UART 器件連接使用。利用兩臺(tái)連有STR-6無線收發(fā)模塊的計(jì)算機(jī)可以在相距500 米距離以內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能。無線模塊的工作原理圖如圖6 所示。

 

  STR -6無線收發(fā)模塊通信實(shí)現(xiàn)方法:無線模塊A在發(fā)送數(shù)據(jù)之前首先發(fā)送握手信號(hào)給對(duì)方無線模塊B,無線模塊B 收到握手信號(hào)后反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。若無線模塊A收不到正確的反饋應(yīng)答信號(hào),表明雙方?jīng)]有正常建立無線通信連接,無線模塊A 則繼續(xù)發(fā)送握手信號(hào)直到收到反饋信號(hào)為止。無線模塊A 收到反饋信號(hào)后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。無線模塊B 根據(jù)所接受的信息,將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在用戶所指定的路徑下,完成整個(gè)無線通信過程。
     
  結(jié)論
     
  車間數(shù)字化是企業(yè)制造數(shù)字化和信息化的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié),也是我們所面臨的一個(gè)難點(diǎn)。企求排除人的參與,完全依靠計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化和信息化是不現(xiàn)實(shí)的。只有通過把當(dāng)前無線與移動(dòng)通信技術(shù)引入到制造業(yè)中,實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的信息獲取和人機(jī)溝通,把人的智能和機(jī)器的智能無縫的結(jié)合起來,形成一個(gè)以人為中心的人機(jī)協(xié)同的制造模式,才能真正實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。采用無線通信技術(shù)的具有數(shù)控PDA 功能的新型數(shù)控系統(tǒng)的研制,將為實(shí)現(xiàn)這種嶄新的制造模式打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
 

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要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

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