應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)研究

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)越來越引起大家的重視。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集機(jī)床技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、檢測技術(shù)、圖像技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等于一體，通過Internet/Intranet對機(jī)床進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以使機(jī)床具有更大的柔性和可控性。網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)作為一種新興技術(shù)，已經(jīng)引起了許多科研單位的廣泛關(guān)注[1～3]，多種類型的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)正在得到研究和開發(fā)，有的基于Web通訊平臺(tái)[4～6]，有的利用Socket技術(shù)，還有的基于CORBA中間件技術(shù)等等，這必將給制造業(yè)的發(fā)展帶來一場有意義的變革。

　　本文介紹筆者開發(fā)的數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Windows2000為開發(fā)平臺(tái)，用VisualC++工具開發(fā)，采用WindowsSockets，實(shí)現(xiàn)了在局域網(wǎng)內(nèi)對機(jī)床的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

　　1、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

　　1.1TCP/IP簡介

　　所謂TCP/IP只是一個(gè)簡稱，分別指網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IP(InternetProtocol)及傳輸控制協(xié)議TCP(TransmissionControlProtocol)，是國際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中兩個(gè)非常重要的通訊協(xié)議，適用于任何一組互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上的通訊。

　　TCP/IP的結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)分成四個(gè)層次，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。這將國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模式(OSI)的七層傳輸參考模式中的一些層面合并，二者之間映射關(guān)系如圖1所示。

　　圖1 TCP/IP與OSI結(jié)構(gòu)模型的映射關(guān)系

　　1.2WindowsSockets簡介

　　基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信可以通過WindowsSockets來實(shí)現(xiàn)。套節(jié)字(socket)是一種通用的網(wǎng)絡(luò)編程接口，它是對通信端點(diǎn)的一種抽象，提供了一種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的機(jī)制。

　　套節(jié)字目前有兩種：數(shù)據(jù)報(bào)套節(jié)字(DatagramSockets)和流式套節(jié)字(StreamSockets)。我們采用流式套節(jié)字，因?yàn)榱魇教坠?jié)字可以將數(shù)據(jù)按順序無重復(fù)地發(fā)送到目的地，它提供的是一種可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方式。

　　WindowsSockets提供給引用程序開發(fā)者一套簡單的應(yīng)用程序接口，應(yīng)用程序調(diào)用其接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)相互之間的通信。此外WindowsSockets又利用下層的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議(如TCP/IP)功能和操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)際的通訊工作。它們之間的關(guān)系如圖2所示。

　　圖2 應(yīng)用程序與Sockets的關(guān)系

　　1.3流式套節(jié)字的使用方法

　　流式套節(jié)字的使用方法是基于連接的協(xié)議，在傳輸、接收數(shù)據(jù)之前必須先建立連接，然后才能從數(shù)據(jù)流中讀出數(shù)據(jù)。

　　首先服務(wù)器要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)用于偵聽的套節(jié)字，為該套節(jié)字分配地址之后，調(diào)用listen()函數(shù)使它處于偵聽狀態(tài)；客戶機(jī)在創(chuàng)建套節(jié)字完畢后，為套節(jié)字分配地址，然后調(diào)用connect()函數(shù)，請求與服務(wù)器套節(jié)字連接；服務(wù)器套節(jié)字在收到客戶機(jī)的連接請求后，調(diào)用accept()函數(shù)，該函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)用于連接的套節(jié)字。應(yīng)用該套節(jié)字和客戶機(jī)上的連接套節(jié)字，就可以在服務(wù)器和客戶機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。在結(jié)束傳輸之后，雙方調(diào)用closesocket()函數(shù)關(guān)閉套節(jié)字。其使用方法如圖3所示。

圖3 流式套節(jié)字通信流程

2、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件運(yùn)行在客戶機(jī)上，客戶機(jī)通過局域網(wǎng)和服務(wù)器連接。機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)在服務(wù)器中運(yùn)行，首先啟動(dòng)服務(wù)器的本機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行初始設(shè)置后，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)控制狀態(tài)，打開偵聽套節(jié)字，等待客戶機(jī)的連接請求，待收到客戶機(jī)的連接請求后，對聯(lián)機(jī)信息進(jìn)行驗(yàn)證，如果符合聯(lián)機(jī)條件，則和客戶機(jī)建立連接，雙方可以互相發(fā)送和接收信息或指令。服務(wù)器的數(shù)控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)控制狀態(tài)下可以利用CCD實(shí)時(shí)采集機(jī)床加工狀態(tài)圖像和參數(shù)，將圖像以位圖格式保存并定時(shí)發(fā)送到客戶機(jī)顯示加工狀態(tài)，將狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送到客戶機(jī)。在客戶機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件中可以編輯數(shù)控加工代碼，然后將數(shù)控代碼傳遞到服務(wù)器中，并下載到PMAC上等待控制指令。從客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)送機(jī)床加工控制指令，控制機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)接收服務(wù)器發(fā)送的信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視機(jī)床加工情況。通過遠(yuǎn)程控制程序，客戶機(jī)還可在線修改機(jī)床加工參數(shù)，并能調(diào)試機(jī)床。

　　2.2網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)采用“PC+NC”結(jié)構(gòu)，PC機(jī)采用奔4主機(jī)，NC部分采用開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器PMAC2-PCI；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用“服務(wù)器+客戶機(jī)”方式，數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行在服務(wù)器上，網(wǎng)絡(luò)控制軟件運(yùn)行在客戶機(jī)上，服務(wù)器和客戶機(jī)通過網(wǎng)卡和通信電纜連接在Intranet/Internet上，數(shù)控機(jī)床上安裝CCD攝像頭，用來監(jiān)視機(jī)床加工情況，并通過圖像采集卡，將機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)情況實(shí)時(shí)采集保存。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　圖4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　2.3網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　友好的人機(jī)界面對于任何控制系統(tǒng)是不可缺少的。本系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)采用Windows編程中的分隔視技術(shù)，將數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面分成二個(gè)子窗口。左邊的窗口為圖像顯示窗口，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工過程的圖像監(jiān)視；右邊的窗口為網(wǎng)絡(luò)控制窗口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)與斷開、加工代碼編輯及發(fā)送、機(jī)床加工狀態(tài)參數(shù)顯示、機(jī)床在線網(wǎng)絡(luò)調(diào)試等功能。

　　軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳遞，為了保證數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞，在軟件設(shè)計(jì)中采用了多線程技術(shù)，專門建立一個(gè)線程對采集的機(jī)床數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳遞。該系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。數(shù)控代碼在客戶機(jī)上編輯好之后，可以一次性傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)控代碼保存到內(nèi)存中，然后在編譯執(zhí)行數(shù)控代碼。控制指令的傳遞可以隨時(shí)從客戶機(jī)傳遞到服務(wù)器，服務(wù)器接到指令后立即執(zhí)行。對于機(jī)床加工圖像和狀態(tài)參數(shù)的傳遞則要復(fù)雜一些。在服務(wù)器上，數(shù)控系統(tǒng)通過CCD攝像頭實(shí)時(shí)采集加工圖像，利用定時(shí)器在每一個(gè)周期內(nèi)將圖像保存為位圖文件，然后將位圖文件通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到客戶機(jī)上，客戶機(jī)在接收完每一個(gè)位圖文件后，用定時(shí)器在每一個(gè)周期在圖像顯示窗口進(jìn)行刷新顯示，使加工圖像保持連續(xù)性。同時(shí)服務(wù)器上的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集機(jī)床狀態(tài)參數(shù)，利用定時(shí)器每一個(gè)周期將以一定格式的數(shù)據(jù)傳遞到客戶機(jī)，客戶機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收后分析，再用定時(shí)器在一個(gè)周期內(nèi)對狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行更新顯示。為了避免位圖數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)在傳遞時(shí)的混亂現(xiàn)象，在服務(wù)器端采用中斷方法，在傳遞圖像數(shù)據(jù)時(shí)中斷參數(shù)數(shù)據(jù)的傳遞，等圖像數(shù)據(jù)傳遞完之后再傳遞參數(shù)數(shù)據(jù)，這樣就很好的解決了在數(shù)據(jù)傳遞過程中的占用通道的矛盾問題。

　　圖5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件流程圖

　　圖6為開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在局域網(wǎng)內(nèi)對機(jī)床加工進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的演示情況。通過試驗(yàn)可以看出，控制命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳遞實(shí)時(shí)性較好，可以滿足實(shí)際控制的需要；加工狀態(tài)的圖像顯示刷新速度較慢，實(shí)時(shí)性稍差，圖像顯示具有跳躍性，需要進(jìn)一步提高圖像顯示的流暢性。

　　圖6 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控演示界面

　　4、結(jié)論

　　本文具體介紹了一套應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，基于TCP/IP通訊協(xié)議，利用Socket(套節(jié)字)，建立服務(wù)器/客戶機(jī)模式，裝有數(shù)控系統(tǒng)的主機(jī)作為服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)控制端作為客戶機(jī)。通過客戶機(jī)對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制和調(diào)試，可以使機(jī)床具有更大的柔性和可控性。該系統(tǒng)可以異地實(shí)時(shí)操作機(jī)床，基本達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)試和監(jiān)控機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)情況的目的，為機(jī)床控制和調(diào)試技術(shù)提供了高效的途徑，具有一定的實(shí)用性和價(jià)值。