西门子模块6ES7515-2FM02-0AB0性能参数

 随着光纤通信产业的复苏以及FTTX的发展，光分路器（Splitter）市场的春天也随之到来。

   目前光分路器主要有两种类型：一种是采用传统光无源器件制作技术（拉锥耦合方法）生产的熔融拉锥式光纤分路器；另一种是采用集成光学技术生产的平面光波导（PLC）分路器。PLC分路器是当今国内外研究的热点，具有很好的应用前景，然而PLC分路器的封装是制造PLC分路器中的难点。

    PLC分路器内部结构。

    PLC分路器的封装是指将平面波导分路器上的各个导光通路（即波导通路）与光纤阵列中的光纤一一对准，然后用特定的胶（如环氧胶）将其粘合在一起的技术。其中PLC分路器与光纤阵列的对准**度是该项技术的关键。PLC分路器的封装涉及到光纤阵列与光波导的六维紧密对准，难度较大。当采用人工操作时，其缺点是效率低，重复性差，人为因素多且难以实现规模化的生产等。

    PLC分路器实物照片。

    PLC分路器的制作

    PLC分路器采用半导体工艺（光刻、腐蚀、显影等技术）制作。光波导阵列位于芯片的上表面，分路功能集成在芯片上，也就是在一只芯片上实现1、1等分路；然后，在芯片两端分别耦合输入端以及输出端的多通道光纤阵列并进行封装。其内部结构和实物照片分别如图1、2所示。

    与熔融拉锥式分路器相比，PLC分路器的优点有：（1）损耗对光波长不敏感，可以满足不同波长的传输需要。（2）分光均匀，可以将信号均匀分配给用户。（3）结构紧凑，体积小，可以直接安装在现有的各种交接箱内，不需留出很大的安装空间。（4）单只器件分路通道很多，可以达到32路以上。（5）多路成本低，分路数越多，成本优势越明显。

    同时，PLC分路器的主要缺点有：（1）器件制作工艺复杂，技术门槛较高，目前芯片被国外几家公司垄断，国内能够大批量封装生产的企业很少。（2）相对于熔融拉锥式分路器成本较高，特别在低通道分路器方面更处于劣势。

    PLC分路器封装技术

    PLC分路器的封装过程包括耦合对准和粘接等操作。PLC分路器芯片与光纤阵列的耦合对准有手工和自动两种，它们依赖的硬件主要有六维精密微调架、光源、功率计、显微观测系统等，而常用的是自动对准，它是通过光功率反馈形成闭环控制，因而对接精度和对接的耦合效率高。

    PLC分路器封装主要流程如下：

    （1）耦合对准的准备工作：先将波导清洗干净后小心地安装到波导架上；再将光纤清洗干净，一端安装在入射端的精密调整架上，另一端接上光源（先接6.328微米的红光光源，以便初步调试通光时观察所用）。

    （2）借助显微观测系统观察入射端光纤与波导的位置，并通过计算机指令手动调整光纤与波导的平行度和端面间隔。

    （3）打开激光光源，根据显微系统观测到的X轴和Y轴的图像，并借助波导输出端的光斑初步判断入射端光纤与波导的耦合对准情况，以实现光纤和波导对接时良好的通光效果。

    （4）当显微观测系统观察到波导输出端的光斑达到理想的效果后，移开显微观测系统。

    （5）将波导输出端光纤阵列（FA）的和第八通道清洗干净，并用吹气球吹干。再采用步骤(2)的方法将波导输出端与光纤阵列连接并初步调整到合适的位置。然后将其连接到双通道功率计的两个探测接口上。

    （6）将光纤阵列入射端6.328微米波长的光源切换为微米的光源，启动光功率搜索程序自动调整波导输出端与光纤阵列的位置，使波导出射端接收到的光功率值大，且两个采样通道的光功率值应尽量相等（即自动调整输出端光纤阵列，使其与波导入射端实现**的对准，从而提高整体的耦合效率）。

    图3.1分支PLC分路器芯片封装结构

    （7）当波导输出端光纤阵列的光功率值达到大且尽量相等后，再进行点胶工作。

    （8）重复步骤（6），再次寻找波导输出端光纤阵列接收到的光功率大值，以保证点胶后波导与光纤阵列的佳耦合对准，并将其固化，再进行后续操作，完成封装。

    在上面的耦合对准过程中，PLC分路器有8个通道且每个通道都要**对准，由于波导芯片和光纤阵列（FA）的制造工艺保证了各个通道间的相对位置，所以只需把PLC分路器与FA的通道和第八通道同时对准，便可保证其他通道也实现了对准，这样可以减少封装的复杂程度。在上面的封装操作中重要、技术难度高的就是耦合对准操作，它包括初调和**对准两个步骤。其中初调的目的是使波导能够良好的通光；**对准的目的是完成佳光功率耦合点的**定位，它是靠搜索光功率大值的程序来实现的。对接光波导需要6个自由度；3个平动（X、Y、Z）和3个转动（α、β、g），要使封装的波导器件性能良好，则对准的平动精度应控制在0.5微米以下，转动精度应高于0.05度。

    1×8分支PLC分路器的封装

    对1分支PLC分路器进行封装，封装的耦合对准过程采用上面介绍的封装工艺流程。对准封装后的结构如图3所示，封装的组件由PLC分路器芯片和光纤阵列组成。在PLC分路器芯片的连接部位，为了确保连接的机械强度和长期可靠性，对玻璃板整片用胶粘住。光纤阵列是用机械的方法在玻璃板上以250微米间距加工成V形沟槽，然后将光纤阵列固定在此。制作8芯光纤阵列的高累计间隔误差平均为0.48微米，**度极高。在PLC分路器芯片与光纤阵列的连接以及各个部件的组装过程中，为了减少组装时间，采用紫外固化粘接剂。光纤连接界面是保持长期可靠的重点，应选用耐湿、耐剥离的氟化物环氧树脂与硅烷链材料组合的粘接剂。为了减少端面的反射，采用8°研磨技术。连接和组装好光纤阵列后的PLC分路器芯片被封装在金属（铝）管壳内。1分支的组件外形尺寸约为73。

  随着网络技术的发展，网络控制技术越来越引起大家的重视。网络控制系统是将计算机网络技术和自动化控制技术结合起来，从而实现网络控制。

    随着网络技术的发展，网络控制技术越来越引起大家的重视。网络控制系统是将计算机网络技术和自动化控制技术结合起来，从而实现网络控制。网络控制系统集机床技术、控制技术、通信技术、检测技术、图像技术、计算机软件技术、网络技术等于一体，通过Internet/ Intranet 对机床进行远程监控，可以使机床具有更大的柔性和可控性。国内外许多学者已经对网络控制系统进行了研究和开发 ，有的基于Web通讯平台 ，有的以bbbbbbs为开发平台，用VC++工具，采用bbbbbbs Sockets技术 ，还有的基于CORBA中间件技术等等。

    本文采用Java Sockets技术来实现通过网络对机床的实时监控功能。

    1、 Java简介

    对于通用网络编程语言来说，三个必要的支柱是：可移植性、速度和安全性。图1表示了Java和其他语言进行比较的结果。

图1 JAVA和其他语言比较

    由上图可以看出Java语言在各方面表现都比较均衡的，通过以上的比较和分析得知无论是从长远的发展和目前的需求来看，使用Java语言都是一个正确的选择。网络控制系统作为一个在网络环境下开发和使用的程序，它必须具有良好的通用性、跨平台性、稳定性和安全性。使用Java语言来实现网络编程，能够满足其在各个方面的需要。

    Java提供了两种功能强大的网络支持机制：bbb访问网络资源的类和用Socket通讯的类，来满足不同的要求。一是bbb用于访问Internet网上资源的应用；另一种是针对client/server(客户端/服务器)模式的应用以及实现某些特殊的协议的应用，它的通讯过程是基于TCP/IP协议中传输层接口socket实现的。

    1.1 TCP/IP协议

    所谓TCP/IP只是一个简称，分别指网络协议IP（Internet Protocol）及传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol），是国际互联网技术中两个非常重要的通信协议，适用于任何一组互联网络上的通讯。并且组建以TCP/IP为网络的成本相对较少，以TCP/IP组建的网络也较为弹性。TCP/IP体系结构是专门用来描述TCP/IP 协议族的，TCP/ IP 的结构将网络分成四个层次，分别是应用层、传输层、网络层和数据链路层。

    1.2 Java sockets简介

    套接字( socket )是一种通用的网络编程接口，它是对通信端点的一种抽象，提供了一种发送和接收数据的机制。套接字目前有两种: 数据报套接字( Datagram Sockets) 和流式套接字(Stream Sockets) 。我们采用流式套接字，因为流式套接字可以将数据按顺序无重复地发送到目的地，它提供的是一种可靠的面向连接的数据传输方式。

    1.2.1 流式套接字的使用方法

    流式套接字的使用方法是基于连接的协议，在传输、接收数据之前必须先建立连接，然后才能从数据流中读出数据。首先服务器要创建一个用于侦听的套接字，为该套接字分配地址之后，调用listen ( ) 函数使它处于侦听状态; 客户机在创建套接字完毕后，为套接字分配地址，然后调用connect () 函数，请求与服务器套接字连接; 服务器套接字在收到客户机的连接请求后，调用accept () 函数，该函数创建一个用于连接的套接字。应用该套接字和客户机上的连接套接字，就可以在服务器和客户机之间进行数据传输了。在结束传输之后，双方调用closesocket ( ) 函数关闭套接字。其使用方法如图2所示。

图2 Java Stream Sockets 的通信流程图

    2、网络控制系统的实现

    2.1 网络控制系统原理

    网络控制系统软件运行在客户机上，客户机通过Intranet/Internet和服务器连接。机床的数控系统在服务器中运行，首先启动服务器的本机数控系统，进行初始设置后，进入网络控制状态，打开侦听套节字，等待客户机的连接请求，待收到客户机的连接请求后，对联机信息进行验证，如果符合联机条件，则和客户机建立连接，双方可以互相发送和接收信息或指令。服务器的数控系统在网络控制状态下可以利用摄像头实时采集机床加工状态图像和参数，将图像以位图格式保存并定时发送到客户机显示加工状态，将状态参数实时发送到客户机；服务器和客户机之间也可以通过超级语音或网络对讲机进行语音交流。在客户机的远程控制系统软件中可以编辑数控加工代码，然后将数控代码传递到服务器中，并下载到PMAC 上等待控制指令。从客户机向服务器发送机床加工控制指令，控制机床运转，同时接收服务器发送的信息，动态监视机床加工情况。通过远程控制程序，客户机还可在线修改机床加工参数，并能调试机床。

    2.2 网络控制系统硬件结构

    本文设计了一套NC嵌入PC 型的开放式数控系统。系统的控制轴数为3轴，联动轴数为2轴，本系统以工业PC作为主机，CNC的内核采用美国DELTATAU公司推出PMAC-LITE型可编程多轴运动控制器，PC 上的CPU与PMAC卡的CPU构成主从式双微处理器结构，两个CPU各自实现相应的功能，其中PMAC完成插补运算、位置控制、刀补、速度处理以及PLC等实时控制；PC则通过调用Pcomm32包函数库里的相应功能函数，实现数控系统的基本功能。为了实现PMAC多轴运动控制的功能，还需在PMAC板上扩展相应的I/O板、伺服驱动单元、伺服电机、编码器等，终形成一个完整的控制系统。网络系统采用"服务器+ 客户机"方式，数控系统运行在服务器上，网络控制软件运行在客户机上，服务器和客户机通过网卡和通信电缆连接在Intranet/ Internet 上，数控机床上安装CCD 摄像头，用来监视机床加工情况，并通过图像采集卡，将机床的运转情况实时采集保存；服务器和客户机PC上均设置语音功能，以便二者通过对话能更好的交流。该系统硬件结构如图3 所示。

图3 网络控制系统硬件结构图

    2.3 网络控制系统软件设计

    友好的人机界面对于任何控制系统是不可缺少的。本系统界面设计采用bbbbbbs 编程中的分隔视技术，将数控系统人机界面分成二个子窗口。左边的窗口为图像显示窗口，实现机床加工过程的图像监视；右边的窗口为网络控制窗口，实现网络联机与断开、加工代码编辑及发送、机床加工状态参数显示、机床在线网络调试等功能。

    软件设计的关键是数据的网络传递，为了保证数据及时传递，在软件设计中采用了多线程技术，专门建立一个线程对采集的机床数据进行网络传递。该系统的流程图如图4 所示。数控代码在客户机上编辑好之后，可以一次性传递给服务器，服务器将数控代码保存到内存中，然后在编译执行数控代码。控制指令的传递可以随时从客户机传递到服务器，服务器接到指令后立即执行。对于机床加工图像和状态参数的传递则要复杂一些。在服务器上，数控系统通过CCD摄像头实时采集加工图像，利用定时器在每一个周期内将图像保存为位图文件，然后将位图文件通过网络传递到客户机上，客户机在接收完每一个位图文件后，用定时器在每一个周期在图像显示窗口进行刷新显示，使加工图像保持连续性。同时服务器上的数控系统实时采集机床状态参数，利用定时器每一个周期将以一定格式的数据传递到客户机，客户机对数据进行接收后分析，再用定时器在一个周期内对状态参数进行更新显示。

    为了避免位图数据和参数数据在传递时的混乱现象，在服务器端采用中断方法，在传递图像数据时中断参数数据的传递，等图像数据传递完之后再传递参数数据，这样就很好的解决了在数据传递过程中的占用通道的矛盾问题。软件在运行过程中图像显示和参数更新会存在一定的滞后性，这与网络传递的速度以及数据量的大小有一定关系。

    3、网络安全策略

    远程控制的安全性是非常关键而又复杂的问题，主要包括信息的完整、保密和可用等因素。采用加密性网络安全技术可以提供网络通信的端到端的安全保障。防火墙技术也能提高服务器端的安全等级，此外，漏洞扫描和入侵检测技术对提高系统安全性能也带来好处。

图4 网络控制系统软件流程图

    4、总结

    本文具体介绍了一套应用于数控机床的网络控制系统，基于TCP/ IP 通讯协议，利用Java Sockets (套接字) ，建立服务器/ 客户机模式，装有数控系统的主机作为服务器，网络控制端作为客户机。通过客户机对数控机床进行网络控制和调试，可以使机床具有更大的柔性和可控性。该系统可以异地实时操作机床，基本达到动态调试和监控机床运转情况的目的，为机床控制和调试技术提供了高效的途径，具有一定的实用性和价值