CS的數(shù)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

1、C/S的數(shù)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)     本文作者：鄭魁敬，袁磊，周鑫 單位：燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，大大擴(kuò)展了企業(yè)的制造和銷售范圍，基于Internet/Intranet的全球制造已經(jīng)成為現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展趨勢1。網(wǎng)絡(luò)數(shù)控通過網(wǎng)絡(luò)對多臺數(shù)控設(shè)備進(jìn)行綜合管理和控制，完成數(shù)控程序傳輸、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、信息管理和交換等功能23。目前，我國企業(yè)擁有的數(shù)控設(shè)備利用率偏低，在數(shù)控設(shè)備的程序傳輸和信息管理方面也存在著不足45，如數(shù)控資源分配不均、NC程序傳輸不暢、程序管理混亂、車間的信息化水平低等。因此，實(shí)施數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化制造6，可提高數(shù)控設(shè)備的利用率，提高

2、數(shù)控設(shè)備的管理水平，提高車間的信息化水平，優(yōu)化整合生產(chǎn)資源。文中開發(fā)了一種基于以太網(wǎng)的數(shù)控設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)和數(shù)控設(shè)備連接，可對數(shù)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，進(jìn)行數(shù)控程序的傳輸和管理，共享服務(wù)器數(shù)據(jù)庫信息，查詢和管理數(shù)控設(shè)備信息，制定和管理零件工藝流程信息等。1網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建方案網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)硬件主要包括:服務(wù)器主機(jī)、數(shù)控設(shè)備、I/O接口、通信單元、數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)等。通訊軟件安裝在服務(wù)器計(jì)算機(jī)上，能與數(shù)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)特定通訊并響應(yīng)客戶端請求。數(shù)控設(shè)備提供的通訊接口決定了網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的功能。目前比較常見的接口710主要有串行通訊接口、專用接口、網(wǎng)絡(luò)接口。針對以上各種接口，可以確定聯(lián)網(wǎng)方案:

3、對于具有串行通訊接口的數(shù)控設(shè)備，通過串口服務(wù)器進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后連到以太網(wǎng)交換機(jī);對于具有網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)控設(shè)備，將其直接接入互聯(lián)網(wǎng)，然后將網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)作為服務(wù)器通過HUB連入局域網(wǎng)，也可以同時(shí)連入幾臺客戶機(jī)，作為信息查詢和輸入的終端。如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共分為3層:車間層、DNC主機(jī)層和數(shù)控設(shè)備層。DNC主機(jī)相當(dāng)于車間局域網(wǎng)和數(shù)控設(shè)備網(wǎng)之間交換數(shù)據(jù)的紐帶，既要負(fù)責(zé)和設(shè)備網(wǎng)進(jìn)行通訊，采集數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)，向數(shù)控設(shè)備發(fā)送和接收NC程序，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);又要負(fù)責(zé)和車間局域網(wǎng)內(nèi)客戶端計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，響應(yīng)客戶端的請求，提供上傳NC程序，編制和查詢零件工藝路線等服務(wù)。由于采用客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，管理人

4、員使用車間局域網(wǎng)內(nèi)的任意計(jì)算機(jī)都可以登錄服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢和管理操作，了解設(shè)備的運(yùn)行情況，從而實(shí)現(xiàn)了信息和設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)集成。這種結(jié)構(gòu)很容易和互聯(lián)網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。2網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)軟件功能設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)軟件分為4個(gè)子功能系統(tǒng):通訊管理子系統(tǒng)、數(shù)控設(shè)備管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng)，如圖2所示。21通訊管理子系統(tǒng)該部分主要負(fù)責(zé)建立服務(wù)器和各客戶端的連接。服務(wù)器在指定端口監(jiān)聽連接請求，每當(dāng)接收到一個(gè)請求就要啟動一個(gè)新的線程來維持和該客戶端的通訊，因此需要采用面向連接的、并發(fā)的軟件結(jié)構(gòu)。流式套接字提供了一種可靠的、面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方法，數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)絡(luò)間無差錯、無重復(fù)的

5、發(fā)送，而且按照發(fā)送時(shí)的順序進(jìn)行接收，因此采用流式套接字可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。由于系統(tǒng)服務(wù)器需要同時(shí)和多個(gè)客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此需要采用Windows的多線程編程技術(shù)，使用該技術(shù)，操作系統(tǒng)會將CPU時(shí)間劃分成許多個(gè)時(shí)間片，并按一定的優(yōu)先級將時(shí)間片分配給各線程，各線程在各自的時(shí)間片內(nèi)共享CPU，從而形成并發(fā)多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制，通過互斥對象來實(shí)現(xiàn)各線程之間同步。主要功能有網(wǎng)絡(luò)連接、文件傳輸、視頻采集和傳輸。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式主要有文字、文件和圖像數(shù)據(jù)。22數(shù)控設(shè)備管理子系統(tǒng)由于連接的數(shù)控設(shè)備既有串行接口的，也有網(wǎng)絡(luò)接口的，因此開發(fā)的系統(tǒng)要能兼容這兩種接口。具有串口的數(shù)控設(shè)備通過串口服務(wù)器經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換可

6、以轉(zhuǎn)換成RJ45接口接入局域網(wǎng)，通過串口映射技術(shù)可以將串口服務(wù)器上的串口映射成為Windows系統(tǒng)下的標(biāo)準(zhǔn)串口進(jìn)行操作。一臺計(jì)算機(jī)最多可以映射256臺串口服務(wù)器，足夠滿足大多數(shù)企業(yè)需要。串口編程可通過Win32API函數(shù)開發(fā)。這種方法雖然編程比較復(fù)雜，但是具有很強(qiáng)的靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的串口通信。用Win32API函數(shù)進(jìn)行串口編程順序?yàn)?(1)打開串口，即指定要打開的串口號、打開串口的方式;(2)配置串口參數(shù)，主要包括串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)方式等;(3)讀寫串口，通過串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。(4)關(guān)閉串口，使用完串口后要關(guān)閉串口。由于從串口傳來的數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，因此要首先建立一個(gè)

7、事件線程，用來監(jiān)視串口中發(fā)生的事件。當(dāng)串口輸入緩沖區(qū)接收到字符時(shí)，調(diào)用接收消息函數(shù)接收來自串口的數(shù)據(jù)。對于具有網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)控設(shè)備，首先將網(wǎng)線插入設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口，在設(shè)備端設(shè)置好在局域網(wǎng)的IP地址、網(wǎng)關(guān)、端口號等參數(shù)，然后網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)向該IP地址發(fā)送連接請求獲取到通訊所需的設(shè)備句柄，這樣每個(gè)句柄就對應(yīng)一個(gè)數(shù)控設(shè)備，通過調(diào)用開發(fā)包函數(shù)獲取所需信息。23數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)由于系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括服務(wù)器的運(yùn)行信息、和客戶端的交互信息、零件的生產(chǎn)加工工藝信息、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息及NC程序信息等，需要對這些信息進(jìn)行管理和保存。文中選擇SQLServer數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫訪問采用DAO(數(shù)

8、據(jù)訪問對象)方法。為實(shí)現(xiàn)程序模塊化和代碼重用，編寫一個(gè)CSqlServer類封裝數(shù)據(jù)庫初始化和數(shù)據(jù)管理功能。該類封裝主要功能有:連接數(shù)據(jù)源、建立各所需表、向各表中插入數(shù)據(jù)、執(zhí)行SQL語句等。需要采取如下過程實(shí)現(xiàn)操作數(shù)據(jù)源中數(shù)據(jù):(1)初始化COM環(huán)境。(2)創(chuàng)建一個(gè)Connection對象并打開到數(shù)據(jù)源的連接。Connection對象定義了用于連接的字符串信息，包括數(shù)據(jù)源名稱、用戶ID、口令、連接超時(shí)、缺省數(shù)據(jù)庫及光標(biāo)的位置。(3)執(zhí)行一個(gè)SQL語句。成功連接數(shù)據(jù)源后，就可以運(yùn)行查詢等功能語句了，可以通過Connection對象的Execute()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。(4)使用Recordset對象打

9、開記錄集。執(zhí)行SQL語句的結(jié)果保存在Recordset對象中，需要對該對象進(jìn)行操作來達(dá)到我們需要的數(shù)據(jù)。(5)關(guān)閉到數(shù)據(jù)源的連接。通過Connection對象的Close方法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)用戶啟動應(yīng)用程序的時(shí)候，程序首先搜索數(shù)據(jù)庫中是否存在程序運(yùn)行所需的表，若不存在，要先執(zhí)行創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫中表的任務(wù)。需要建立9張表:(1)客戶端連接信息表;(2)設(shè)備信息表;(3)消息信息表;(4)NC程序信息表;(5)接收文件信息表;(6)發(fā)送文件信息表;(7)零件信息表;(8)服務(wù)器日志信息表;(9)零件工藝信息表。通過任意一個(gè)客戶端登陸到服務(wù)器就能獲得數(shù)據(jù)庫中數(shù)控設(shè)備信息、故障信息、NC程序信息等，并可根據(jù)需要對其

10、進(jìn)行添加、修改、刪除等操作。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)界面如圖4所示。24網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)正朝著開放性方向發(fā)展，采用通用高性能計(jì)算機(jī)和通用操作系統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備具有極強(qiáng)的接口性能。開放式系統(tǒng)對TCP/IP協(xié)議的支持使得對該類數(shù)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)變得簡單，軟件開發(fā)只需要考慮C/S模式下的數(shù)據(jù)交換。由于開放式系統(tǒng)采用通用操作系統(tǒng)，因此可以共享通用PC機(jī)的軟件資源。首先被控端要建立到主控計(jì)算機(jī)的連接，該部分可以通過socket實(shí)現(xiàn)。連接建立后就可以按事先約定好的規(guī)則進(jìn)行通訊，控制類指令采取小寫字母前加“#”的形式。如當(dāng)點(diǎn)擊遠(yuǎn)程加工按鈕時(shí)，控制計(jì)算機(jī)向被控端發(fā)送數(shù)據(jù)“#re-moteprocess”。接收端首先判斷接收數(shù)

11、據(jù)前三位，若為“#”說明是控制類指令，接著判斷后面字符，若為“remoteprocess”，準(zhǔn)備接收網(wǎng)絡(luò)NC程序，并根據(jù)程序進(jìn)行自動加工任務(wù)，若指令為“#stop”，則通知被控端停止加工，指令“#X+”通知被控端執(zhí)行X軸正向進(jìn)給一個(gè)脈沖的操作。通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的控制功能包括遠(yuǎn)程加工、停止、各坐標(biāo)軸正反向進(jìn)給等。對于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來說，需要通過攝像頭獲取加工現(xiàn)場的視頻信息并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控端，并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的判斷和處理。由于視頻的采集和傳輸同時(shí)進(jìn)行，因此要同時(shí)開啟兩個(gè)線程分別進(jìn)行采集和傳輸工作。視頻的采集可以利用攝像頭所帶的函數(shù)庫進(jìn)行開發(fā)。為了提高網(wǎng)絡(luò)傳送速度，圖像發(fā)送前要先壓縮，如果正在執(zhí)行發(fā)送操

12、作，則圖像采集線程只采集不壓縮;如果發(fā)送過程已經(jīng)結(jié)束，則執(zhí)行壓縮、發(fā)送任務(wù)?？吹降囊曨l一般由一幀一幀連續(xù)的圖像構(gòu)成，圖像的數(shù)據(jù)量很大，對于一張分辨率為376×240的彩色圖片來說，其數(shù)據(jù)量大概有270kB。如果原始圖像數(shù)據(jù)不經(jīng)過壓縮，通過網(wǎng)絡(luò)是無法流暢地進(jìn)行傳輸?shù)模吹降目赡苤皇菙嗬m(xù)的一張張圖片而已，因此在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸之前首先要對圖片進(jìn)行壓縮。因此需要設(shè)計(jì)兩個(gè)不同的線程，一個(gè)線程負(fù)責(zé)圖像的采集和壓縮，另一個(gè)線程負(fù)責(zé)圖像的傳輸。圖像的采集是不停的進(jìn)行的，但是圖像的壓縮不是。當(dāng)圖像壓縮完一幀時(shí)，發(fā)送線程執(zhí)行將其發(fā)送出去的任務(wù)，在發(fā)送的過程中圖像的采集仍在繼續(xù)，但是采集的圖像沒有進(jìn)行壓縮和

13、保存。在圖像傳輸線程中，使用一個(gè)while循環(huán)不斷地執(zhí)行圖像發(fā)送任務(wù)。同時(shí)引入兩個(gè)布爾類型全局變量Stop和IsSending，來協(xié)調(diào)壓縮和發(fā)送工作同時(shí)進(jìn)行。圖像采集與發(fā)送流程如圖5所示。3系統(tǒng)可靠性分析系統(tǒng)的可靠性方面主要包含硬件設(shè)備運(yùn)行的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?1硬件設(shè)備運(yùn)行的可靠性分析由于粉塵、電磁干擾、溫度、濕度等都會對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅，因此對數(shù)控設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)需要考慮工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境條件。工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求比民用更高，在耐腐性、防塵、防水、加固等方面都有自己的要求，其安裝方式和工作溫度也和民用產(chǎn)品大不相同，通過使用雙電源供電，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，在工

14、業(yè)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，還可以采取其他的方法來提高工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性，如可以采用冗余設(shè)計(jì)，為以太網(wǎng)配備硬件和鏈路冗余，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備或某一天鏈路發(fā)送故障停止工作時(shí)，配備的冗余設(shè)備和鏈路能立即接管所有的傳輸任務(wù)。此外，還可以采用抗干擾性更強(qiáng)的屏蔽雙絞線或光纖來取代非屏蔽雙絞線，進(jìn)一步提高鏈路的抗干擾能力;或采用總線供電技術(shù)，來提高工業(yè)以太網(wǎng)的防爆能力。32數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑治鰯?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，往往會碰到傳輸可靠性問題。如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，是需要考慮的問題。安全性問題可以分為內(nèi)部安全和外部安全兩種。內(nèi)部安全面臨的主要是公司內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，如有時(shí)數(shù)據(jù)可能會被發(fā)送到局域網(wǎng)內(nèi)的所有計(jì)算機(jī)，從

15、而可能造成信息的泄露;服務(wù)器計(jì)算機(jī)連在局域網(wǎng)上也會收到大量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，如果這些數(shù)據(jù)剛好和服務(wù)器控制指令相吻合，就有可能會觸發(fā)服務(wù)器對設(shè)備的某些控制操作，引起不可預(yù)知的后果。外部安全指的是面臨來自互聯(lián)網(wǎng)的威脅，公司局域網(wǎng)要和互聯(lián)網(wǎng)相連，因此面臨著來自互聯(lián)網(wǎng)的攻擊和風(fēng)險(xiǎn)。對于內(nèi)部安全，可以通過將辦公網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)隔離、架設(shè)防火墻等措施來解決。對于外部威脅，可以采取數(shù)據(jù)加密技術(shù)、數(shù)字簽名技術(shù)、訪問控制技術(shù)等解決。文中采用DES算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。數(shù)據(jù)發(fā)送前進(jìn)行加密、接收后進(jìn)行解密，當(dāng)接收數(shù)據(jù)端沒有得到授權(quán)時(shí)得到的數(shù)據(jù)就是加密后的亂碼，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。將DES算法封裝到一個(gè)自定義類CDES中，可

16、以更好地實(shí)現(xiàn)類的重用和使用的方便性。下面以加密為例對DES算法的編程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行簡單說明，其流程如圖6所示。(1)將8字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成64位數(shù)據(jù)。由于應(yīng)用程序使用的數(shù)據(jù)都是以字節(jié)為單位的，而DES算法是針對位來進(jìn)行操作的，所以在加密前首先要將其轉(zhuǎn)換為位數(shù)據(jù)。(2)對得到的64位明文X進(jìn)行一次初始置換IP，從而得到X0。這一步的主要目的是打亂數(shù)據(jù)原來的次序。它可以把X的第58位移到第1位，將第50位移到第2位，依次進(jìn)行置換。(3)將置換得到的X0分成左右兩部分，左邊記為L0，右邊為R0。對R0實(shí)行子密鑰K1控制下的f變換，將f變換的到的結(jié)果再與L0進(jìn)行逐位異或運(yùn)算，得到的結(jié)果記為下一輪迭代的R1，而原

17、來的R0則作為下一輪迭代的L1。這樣依次進(jìn)行16輪迭代，得到結(jié)果R16L16。(4)將16輪迭代的結(jié)果R16L16施行初始逆置換IP1，最后得到的結(jié)果就是加密后的密文。(5)將得到的64位密文轉(zhuǎn)換成8字節(jié)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)就是加密后的結(jié)果，可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸了，如果接收端沒有使用正確的密鑰進(jìn)行解密，那么接收到的就不是所需要的數(shù)據(jù)，而是亂碼。在PC機(jī)上測得DES算法加/解密速度大約為12萬次/s。即使按每秒可以猜測100萬個(gè)密鑰來計(jì)算，使用PC機(jī)破解DES算法也需要2285a，因此DES算法還是非常安全的。4系統(tǒng)實(shí)時(shí)性分析通過網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)性非常重要。這里的實(shí)時(shí)性不是說平均響應(yīng)時(shí)間越小越好

18、，而是要求網(wǎng)絡(luò)的最大響應(yīng)時(shí)間要滿足一定要求。一般來說，過程控制網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間要求為00105s，制造自動化網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間要求為0510s。文中是基于以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制(MAC)層協(xié)議采用的是帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問(CSMA/CD)方式，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)的響應(yīng)時(shí)間一般是不固定的。以端到端數(shù)據(jù)傳輸為例，造成的數(shù)據(jù)延時(shí)包括報(bào)文經(jīng)過發(fā)送端網(wǎng)卡需要的時(shí)間，報(bào)文的排隊(duì)延時(shí)，報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，報(bào)文的傳輸延時(shí)，以及報(bào)文經(jīng)過接收端網(wǎng)卡需要的時(shí)間。造成以太網(wǎng)延時(shí)的主要是排隊(duì)延時(shí)和轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，其中排隊(duì)延時(shí)所占的比例最大。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷比較重時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間不具有確定性，難以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求。隨著硬件技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)的通信技術(shù)和通信速率也在不斷進(jìn)步。通過采用新技術(shù)對傳統(tǒng)以太網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)，以太網(wǎng)完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求，如提高網(wǎng)絡(luò)帶寬，采用全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)取代原來傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)技術(shù)，限制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，改進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)等。通過對工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)傳輸