0引言
随着中国改革开放的步伐，制造业持续快速发展，建立了相对完整的产业体系，有力推动了中国制造的进程，增强了综合国力。但从“2019年华为516事件”，也让国人警醒中国的制造还处于大而不强的境地，对比很多的高精端制造上面我们离发达国家存在很大差距。而工业母机的先进水平决定了制造工艺和质量的关键，所以我们在工业高端产品的加工上基本都是购买德日美等国的机床。短时间来看我们的企业不用长时间研发也不用花大的成本就能短平快的挣到钱，但一旦对方限制技术专利的使用或者产品的断供就会造成我们产业链的断点从而让经济受到巨大损失。中国制造2025提出了“一二三四五五十”总体结构，其中发展的十大领域就有高端数控机床，而且明确要求两化融合（信息化和工业化）。本文就数控机床物联网的通信技术设计和实现做一些实例介绍，希望能帮助更多的机械企业建立机床物联网，为推动工厂自动化、信息化和智能化提供参考价值。
1 机床物联网整体通信架构设计与实现
目前中国机床整体数量约在1400万台，业务市场规模在4500亿人民币，产业主要聚集在汽车、航天、电子、电力四大模块，除了金字塔尖的部分头部企业，大多数都是中小型企业。这些中小型企业有国产的机床厂，也有大量的机加工企业，他们拥有一些共性的问题，那就是设备复杂老旧、信息碎片离散、核心技术缺乏等。为了解决这些问题，我们首先要完成机床的信息化，通过大数据分析针对设备、生产、管理等找到解决方案，才能进一步提升机床制造先进性，同时也为中国基础制造提供方向和决策支撑。
那么我们下面用摩肯（南京）技术有限公司的机床物联网解决方案为例，目前机床物联网的通信主要分为有线连接和无线通信，同时机床物联网通信系统结构分为两个层次：现在层和外部网络层。其中现在层负责机床控制系统与电机驱动、IO等模块之间的通信；而外部网络指机床控制系统与其他设备控制系统或外连终端的通信。
1.1 机床物联网有线通信
针对机床物联我采用的是MK-111的数据采集器，该产品内置Cortex-M4内核的ARM高性能微控制器，自适应实时存储加速器，运行频率高达168MHz，满足高速数据采集和处理需求；集成多种数据采集通信接口：一路隔离百兆以太网接口、一路RS232接口、两路隔断RS485接口，适应多种工业场景数据采集。同时配备4个LED指示灯，用于人机交互，通过指示灯状态，可实时了解网关的运行情况。配备两路拨码开关，可用于设置网关不同的运行模式。
将机床或者PLC、机械臂等设备通过串口或者网口连接MK-111，再通过网线连接工业路由器将采集的数据用以太网上传至MES服务器，并且结合MDA或者ERP等系统，按照业务算法输出相应的KPI，呈现到公司的大屏或管理者APP终端侧，达到自动化管理和降本提质的效果。如图-1
图-1
1.2 机床物联网无线通信
该解决方案与有线通信的区别在于数据采集器和使用的网络形式存在差异，我采用的是MK-112或MK-113，主要基于客户工厂的需求来定。MK-112和MK-113集成了SIM Com工业级4G数传模块，性能稳定，数据传输可靠。支持LBS基站定位功能，可实现对设备位置信息采集，另外支持GSM/UMTS/LTE等多频段信号，如LTE CAT4下行最大速率可达到150Mbps。同时增加了LED指示灯，满足多种场景的人机交互。增加了多路开关量信号输入接口，可用于采集开关量输入信号等。下面以5G工业内网为例，我们同样将机床、电机驱动和PLC等设备通过5G连接采集数据，然后通过TCP/IP通信协议将数据上传到本地云或者服务器，再结合其他ERP或PLM等数据通过制定的MES算法功能进行呈现。如图-2
图-2
2 机床物联网未来的通信架构设计
对于上面的两种机床物联的方式，很多客户都问我有线通信和无线通信的区别到底是什么？其实从本质上来讲都是将设备互联，数据采集出来，呈现的结果是一样的，那为何还要设计两种不同通信的方式呢？那我们先介绍一下这两者之间的业务现场组网差别，有线通信主要就是工业以太网技术，技术成熟、易于组网、价格低廉、开发性好、通信速率高等优点，但是现场布线复杂，不利于后续改造，同时如果涉及机床以外的相关传感类设备，容易线缆脱落造成传输中断或机器故障等现象。而无线通信不管是4G还是5G都存在信号波动的问题，尤其是5G虽然高带宽、高速率、低时延，但因为覆盖半径较小，建站密集度高，成本太大。对于中小型企业建立5G专网的覆盖，ROI收益较小，所以建设意愿不大。
目前我们相对成熟的技术就是通过少量的5G专网+WIFI6+ZigBee+多链路传输来解决高成本和弱覆盖、安全性差的问题，机床和其他设备的互联用5G来互联，机床控制系统通过5G信号分发至WIFI6来通信解决干扰问题，而ZigBee正好利用其低功耗、低成本、安全性好，大容量的特性解决传感数据的传输，如：温度、噪声、电流、压力、振动等。另外市场上乾元通QYT5000智能路由终端就是一个很好的例子，一次性把5G成本高、单一链路安全性差和信号穿透力弱的问题都给解决了。
3 结束语
随着5G+工业物联网的高质量高速度的发展，加快了工业物联网+具体应用领域的结合，同时市场上涌现了大量的良好产品，对广大群众、幸福生活的需求带来便利，也将为大量的媒介、服务平台和中国经济发展提供助力。虽然本文仅仅围绕机床物联网搭建的通信架构，但我相信该方案换到其他工业物联的场景下，依然有其独特的参考价值，希望能给我们工业母机的发展带来一些帮助。
参考文献：
1. 《中国制造2025》行动纲领 2015.05.19
2. 《中国机床的现状与发展》百度文库 2021.11.17
3. 《5G+WIFI6的网络解决方案》华为2021北京工博会