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开放式数控系统远程监控及系统集成研究 摘要 随着数控技术和计算机网络技术的发展，开放式数控及网络化制 造成为未来制造业的发展趋势。本文具体研究如下： 本文利用s o c k e t 网络编程技术实现了应用服务器与数控机床端 的网络连接对话与监控。通过定制内部通讯命令，利用发送命令的方 式实现了对远程数控系统的加工控制；在数控机床端运用多线程技 术，在新建线程里将数控加工信息传送给应用服务器；应用服务器通 过接收显示机床信息，并进行刀具轨迹仿真，实现了对远程数控加工 进行准实时监控。基于此远程监控平台，本文设计了数控网络教学系 统，在原有应用服务器上实现服务器功能，可以连接多台学生客户机， 实现了部分数控技术网络教学功能。 利用本校自行研制的其它数控模块，本文根据模块化系统集成原 理实现了数控系统的集成；利用v c + + 的动态连接库技术，在系统中 开发了刀具补偿和预编译模块开放性接口，可将客户自行编制的功能 模块加载到系统中，满足不同用户的功能要求；利用l u a 脚本技术， 在系统设计了运动控制卡的开放性结构：开发了驱动设备( 步进伺 服) 选择接口，能使本数控系统根据不同用户的需求，应用到不同的 执行机构上。 关键词：远程监控开放式数控系统系统集成 o p e ns t r u c t u r e a r eo fm o v e m e n tc o n t r o l l e ra r ed e v e l o p e di nt h es y s t e m t h e o p t i o n a l i n t e r f a c eo fd r i v e e q u i p m e n t ( s t e pe l e c t r o m o t o r s e r v o e l e c t r o m o t o r ) i sd e v e l o p e d ，w h i c hc a nc a u s et h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m t ob ea p p l i e do nd i f f e r e n ti m p l e m e n t i n gm a c h i n eo nt h eg r o u n do f d if f e r e n tu s e r sd e m a n d s k e y w o r d s ：l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n g ；o p e n ；c n c ；s y s t e m in t e g r a t i o n 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者虢啤牟澎1 加7 年月形日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布亿隐密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：啤卑鹞导师签名： 二。刁年月of 日 广西大掌硕士掌位论文开放式数控系统远程监控及身泐集成研究 1 1 数控系统的发展 第一章绪论 从1 9 5 2 年世界第一台数控机床诞生以来，数控技术已经经历了几十年的发展，并 日益完善，到今天已经历经了两个阶段和六代【lj 。1 9 5 2 1 9 7 0 年为数控( n c ) 阶段，这一 阶段划分为三代：第一代电子管( 1 9 5 2 年) ；第二代晶体管( 1 9 5 9 年) ：第三代小规模集 成电路( 1 9 6 5 年) 。自1 9 7 0 年起，小型计算机用于数控，数控技术进入计算机数控( c n c ) 阶段，这是第四代数控；1 9 7 4 年进入第五代数控，其特征为微处理器用于数控；2 0 世 纪9 0 年代后基于p c 的数控( p c n c ) 开始得到迅速发展。 经过上述半个世纪的发展，数控机床已经形成了高、中、低档俱全，涵盖各种功能 的不同产品系列。在过去的几十年中较好地促进了生产力的发展，但随着信息时代的来 临，传统的工业生产模式已经很难满足新时代的要求，随着世界经济一体化进程的加快 以及企业在全球范围内竞争的加剧，人们对产品的各种性能的要求越来越高。主要表现 在产品的形状和结构不断复杂化，加工质量的要求日益苛刻，产品更新换代速度加快。 这些要求使得传统大型单一功能制造系统已无法适应变化的市场需求，当今市场越来越 需求适合中小批量加工、具有良好柔性和多种加工功能的制造系统。这一市场发展的客 观趋势促成了一个新的概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的开放式数控系统。2 0 世纪9 0 年代出现的p c n c 较好地满足了开放式数控系统的各种特点和要求，成为开放式 数控系统研究和实现的主要途径。 1 2 开放式数控概述 1 2 1 开放式数控的概念与特点 丌放式数控系统从2 0 世纪9 0 年代初就引起了人们的注意，随着制造业发展，对数控 机床的柔性和通用性提出了更高的要求，同时伴随着计算机技术的迅速发展，基于p c 的丌放式数控系统应运而生，并已经成为当前研究的热点【引。 f - 西大学硕士掌位论文开放式数控系统远程监控及系统秦成研究 国际电气电子工程师协会定义开放式数控系统为：“具有下列特性的系统可以被称 为丌放系统：符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它的 系统应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面”。它应具有的特征为：( 1 ) ， 采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其结构是可以移植和透明的；( 2 ) ，根据 需要可方便的实现重构、编辑，以便实现一个系统多种用途；( 3 ) ，开放式体系结构中 各模块相互独立，系统厂、机床厂及最终用户都很容易地把一些专用功能和其它有个性 的模块进行独立开发，为此要有方便的支撑工具，控制程序设计按系统子系统 模块三级进行，各模块接口协议要明确：( 4 ) ，要具有一种较好的通信和接口协议，以 便各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，满足实时控制要求。所以，开放式数 控系统应该是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制系统。 在具体系统实现上，基于p c 的开放式数控系统硬件结构可分为3 种【3 1 ：p c 嵌2 k n c 型、 n c 嵌入p c 型和全软件型。p c 嵌入n c 型需用专用总线进行连接，虽然这样加快了传输和 响应速度，但不能有效利用p c 的资源，且结构复杂，不具备开放性；n c 嵌入p c 型虽对 n c 资源利用较少，但其软件通用性好，编程灵活，可扩展性好；全软件型模块化编程 处理灵活，但实时性能较差，难以利用原c n c 资源。 1 2 2 国外开放式数控发展 国际上与开放式数控研究相关的项目比较多，但是最具影响力的仍是美国的o m a c 计划、欧洲的o s a c a 计划以及日本的o s e c 计划，因而这三个计划的发展现状基本上 代表了国外开放性数控的发展现状5 1 1 6 】【7 】。 ( 1 ) 美国的0 m a c 计划 美国的o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 计划是美国的通用、福特和克 莱斯勒三大汽车公司从1 9 9 4 年开始启动的。该计划旨在发挥美国在计算机科学方面的 领先优势，使得制造商和用户都有了更大的主动性。 ( 2 ) 欧盟o s a c a 计划 o s a c a ( o p e ns y s t e na r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l sw i t ha u t o m a t i o ns y s t e m s ) 计划是1 9 9 0 年由欧共体2 2 家控制器丌发商、机床生产商等联合提出的。该计划分三个阶段：第一阶 段完成了o s a c a 的规范和应用指南的制定；第二阶段主要开发了系统平台的标准、通 用的软件模块和通用的o s a c a 平台；第三阶段的使命是推广o s a c a 思想及前两个阶 段的技术成果，使之成为自动化领域的国际标准。 ( ：3 ) f 1 本o s e c 计划 r 本o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o ll e r ) 计划于1 9 9 4 年由东芝机 开放式数招系统磊程监控及系统集成研究 器厂及三菱电子等6 家日本公司联合提出。o s e c 的开放性指系统能满足用户对制造系 统不同配置的要求、最小化费用要求和应用先进控制算法及基于p c 的标准化人机界面 的要求。 以美国d e l a tt a u 公司推出的p m a c 开放式多轴运动控制为代表，d e l a tt a u 公司利用n g c 和o m a c 等协议，采用p c 机加p m a c 控制卡构成的p m a c 开放式数 控系统，获得了良好的应用效果。在与p c 机的通讯上p m a c 提供了3 种通讯手段 串行方式、并行方式和双口r a m 方式。采用双口r a m 方式可使p m a c 与p c 机进行 高速通信。上层软件主要实现系统配置、数控程序编辑、系统诊断和通信功能，可使用 v c 、v b 语言编制，利用w i n d o w s 丰富的功能来实现友好的人机界面。p m a c 的软 件通讯功能由p t a l kd t 的通讯函数库完成。以a c t i v e x 控件形式提供一套类库，它包含 一系列通讯函数，提供上层与p t a l kd t 之间快速有效的通讯。利用p t a l kd t 开发应用程 序，实现了加工程序、p l c 程序及运动程序的下传、上层对p m a c 的指令传输及p m a c 对上层的反馈等通讯功能。 1 2 3 国内开放式数控系统的发展 我国的数控技术经历了四十多年的发展，最初是一些科学院所、学校和少数机床厂 进行的数控系统研究与丌发，但受到国产电子元器件、加工工艺技术落后、部门经济等 因素的制约，未能取得较大的发展，科研和生产基本处于停滞状态。1 9 8 0 年开始，我国 先后从日本和德国引进数控制造技术，合作生产数控机床，打破了国产数控技术徘徊不 前的局面。此后经过“六五”的技术引进，“七五”期间的消化吸收，“八五”的科技 攻关和“九五”产业攻关，我国的数控系统技术获得了质的飞跃【8 l ，开发出一批具有自 主版权的中高档数控系统，如中国珠峰数控公司的中华i 型是用工业p c 机作为主控制板， 实现了多功能控制系统。北京航天数控集团自行开发的航天i 型采用与通用p c 机体系结 构兼容的总线，模块化、开放型嵌入式结构，构成了典型的前后机构数控系统，较好的 解决了实时多过程控制。华中理工大学的华中i 型是以3 2 位工控机为硬件主体，配置了 具有曲面构造与自动编程的c a d 功能软件，能进行复杂曲面的构造、数控加工规划、 n c 程序生成、干涉检验和加工仿真，并实现了曲面和直线的插补功能【9 j o 此外，中科院 沈阳计算机所研制的蓝天i 型、北京航空航天大学的c h 2 0 1 0 也都是基于p c 平台的数控系 统，各具特色。这些捌有自主版权的高档数控系统的开发成功，表明我国己经具备开发、 ，生产中、高档数控系统的能力。 1 3 远程监控系统概述 厂西大掌硕士学位论文 开放式数控系统远程监控及系统集成研究 13 1 远程监控技术概述 从上个世纪9 0 年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方式 都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的重要性正在逐 渐被人们所认识和重视。远程监控是指远端的监控系统通过通信系统对现场的系统进行 监测与控制，其目的在于突破地域和环境上的限制，实现集中和高层监控，最终实现生 产资源和社会资源的优化配置。现代远程监控技术是计算机技术、通信技术、网络技术 和监控技术的结合，是信息技术与控制技术的集成【】0 1 。近年来，随着网络技术、通信技 术和计算机技术的不断发展，出现了将多种技术融入远程监控中以及远程监控系统实现 途径的多样化局面，这大大拓展了远程监控在实践中应用的广度和深度，使得远程监控 的渗透到社会生产和生活的方方面面。 远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数据采集后 直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的现场监控没有多大的区别，只是 数掘传输距离比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控系统相同；另一种是现场监 控与远程监控并存。一般是采用现场总线技术将分布于各个设备的传感器、监控设备等 连接起来，这样就从分立单元阶段进入了集成单元阶段，然后各个管理站点的服务再用 局域网连接起来，这样就形成了企业内部网( i n t r a n e to 由于建立了基本的网络信息基础 结构，设备监测、维护技术进入了集成系统阶段，在一个单位的内部基本上实现了资源 和信息共享。 1 3 2 远处监控系统发展 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究【l l 】【12 1 。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办， 有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系统开放 式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。 由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断示范系统， 这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、 f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性 的系统t e s tb e d 。t e s tb e d 用嵌入式w e b 组网、用实日, - j j a v a 和b a y e s i a n n e t 初步形成在 开放式数控系统远程监控及系统集成研究 i n t e m e t 范围内的信息监控和诊断推理。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e m a l l i a n c e ) 、s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o na n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等，也纷纷通过网络进行设备监控与 故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。许多大公司也在他 们的产品中加入- j i n t e m e t 的功能，如b e n t l y 公司的计算机在线设备运行监测系统d a t a m a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状 态信息；著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a bw i n d o w s c v i 以及l a bv i e w 中加入了网络通讯处理模块【i 引，因而可以通过w w w 、f t p 、e m a i l 方式在网络范围 内进行监控数据的传送。法国“a l a r m ”研究组对生产过程的智能报警和监控系统进 行了长期研究，并在多个项目中进行了应用。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大学、哈 尔滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先进的研究成果，如西安交通大学研 制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d ”、华中科技大学开发 的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d ”、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态 监视与故障诊断专家系统m m m d e s ”等。 1 3 3 远程监控技术在数控系统中的运用 近年来，制造业无论是观念，还是技术都发生了很大的变化。传统的以相对固定的 机器和生产场所为中心，由上至下进行管理控制的大批量制造生产模式正逐步向以人为 中心，基于技术的先进制造生产模式转变。全球制造的思想就是利用异地的资源( 设备、 知识、人力) 来制造市场所需产品，因此加工单元的远程监控技术就成为它的重要组成 部分。加工单元的远程监控表现为生产加工的操作者与被操作对象在物理上进行分离， 而在信息、逻辑上进行集成。远程监控技术的发展，一方面扩大了操作者对操作对象的 控制范围，提高了管理者对加工设备运行情况掌握的方便程度，实现了远程的技术咨询、 远程设备的故障诊断及维修；另一方面达到了制造资源的共享，迅速开拓市场，充分体 现“以人为中心，创造宜人化生产环境”的制造思想。 跨越时空障碍，通过网络对远程的设备进行远程监控，直是许多应用领域的迫切 需求和科研人员研究的重要课题。同时也是当前计算机网络技术应用的重要课题。网络 开放式数控系统远程监控及系统纛成研究 监控技术的研究目的，就是利用日臻完善的计算机网络和现场总线理论与技术，特别是 飞速发展的i n t e r n e t i n t r a n e t 技术，开发出一套实用的网络监控系统，以实现方便、灵活、 有效地对远程设备进行控制与状态监测，其技术意义和社会意义都是十分深远的u 引。在 这种情况下，开展对开放式数控系统网络远程监控的研究，成为了开放式数控系统的一 个重要性能指标，得到了世界各国的广泛重视。如通过进行数控系统网络功能化的改造， 使得车间中的数控加工系统具有网络功能，并能共享远程环境的大容量数据资源，如硬 盘、磁盘存储列阵等多种海量数据存储器。或将远程计算中心的c a d c a m 系统生成的 庞大的g 代码加工程序通过网络传输给d n - l - 设备，并存储在本地硬盘中，然后由数控加 工系统读取硬盘中的该g 代码，进行零件加工。那么数控系统将可以直接通过网络读取 远程数据存储媒介中的大型程序，这将大大提高数控系统对大容量数控程序的控制能 力，网络数控系统通过高速通信网络可及时地向远程监控点提供当前加工状态信息并接 收远程监控命令，为真f 的网络制造提供最必要的支持。 1 3 4 开放式数控系统远程监控技术的发展与现状 数控机床的远程监控技术的产生与发展主要体现在数控机床以及数控系统的网络 化方面。网络数控系统通过高速通信网络( i n t e r n e t ) 应及时地向远程监控点提供当前加工 状态信息并接收远程监控命令，是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造 的基础单元。 数控机床网络通信在技术实现上可大体上分为二种路线：一是在数控系统内部集成 网络通信功能，设计制造带有网络接口的数控系统；二是在数控系统外部，为数控系统 附加网络功能，在硬件上对原有数控系统的各种通信接口进行改造和转换，达到连网通 信的目的。此种方式实现较为灵活，但在功能上要受到原有通信接口的局限。 对于在数控系统内部集成网络通信功能的技术，由于涉及到数控系统的设计制造技 术，所以，其技术都由数控系统生产厂商推出和实现。这方面最有代表性的是西门子公 司的高端数控系统产品8 4 0 d 8 1 0 d f m n c 平i 8 4 0 ( w i n d o w s 版。这几种数控系统可以通 过模拟电话、i s d n 或e t h e r n e t 接入i n t e m e t ，与远程的计算机通信，实现远程诊断和远程 服务。远程的技术人员在远程计算机上不但可以实时地观看机床运行时的画面，并且能 够象现场人员一样进行相应的交互式操作，诸如编辑修改加工程序数据，监控各轴当前 6 开放式数控系统远程监控及系统集成研究 状态，编辑修改p l c 程序，进行文件传输等等，同时还可以在现场人员与远程服务工程 师之| 1 ； j 启动一个会话窗口，一方输入的文字信息在另一方同时显示出来，实现二者的即 时在线聊天( c h a t ) 。r 本山崎马扎克( m a z a k ) 公司的f u s i o n6 4 0 产品也实现了类似的远程 诊断功能。同本大限( o k u m a ) 公司则推出了网络c n c 产品o s p e l 0 0 ，并以o s p e 1 0 0 为核 心，提出了i tp l a z a 概念。目标是在网络支持下实现远程虚拟机，达到远程的实时在线 加工仿真g l c a d c a m 一体化。 相对而言，国内数控系统的设计水平和制造生产能力都整体很弱，在基于专用计算 机的传统型数控系统方面基本没有产品和集成网络功能的技术推出，而在开放式体系结 构的数控系统的研究和发展上具有一定的水平，并且也推出了一系列产品。 在数控系统内部集成网络通信功能的另一种方法是采用新的体系结构。对于采用基 于p c 的开放式体系结构的数控系统，由于本身的开放式式结构和p c 机具有的成熟的网 络功能和连网技术，所以其网络相关功能的实现较为容易。进入9 0 年代以来，由于计算 机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家 利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使 数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。 许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心( n c m s ) 与空军共同领导的“下 一代工作站机床控制器体系结构”n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o nw o r ks t a t i o n m a c h i n e c o n t r 0 1 ) ，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e f o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) ，日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r ) 计划，中国的o n c ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 等。开发的研究成果已得 到应用，女1 1 c i n c i n n a t i m i l a c r o n 公司从1 9 9 5 年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控 车床等产品中采用了开放式体系结构的a 2 1 0 0 系统。开放式体系结构可以大量采用通用 微机的先进技术，如多媒体技术、网络技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程、 网络在线编程与加工等。 近年来，我国的广大数控研究者相继开发出了如中华i 型、蓝天i 型、航天i 型、华中 i 型等丌放式数控系统。其中以华中i 型较具代表性，它采用工业p c 机上配适配器卡的结 构，是基于通用3 2 位工业p c 机和d o s 平台的开放式体系结构，具有较好的模块化、层次 化特征，系统配套能力强扩展与伸缩性较好，便于二次开发，较好地实现了网络环境下 的c a d c a p p c a m 一体化。其它几种类型的国产开放式数控系统也都有其各自的特点， 并都在进一步的完善和发展之中。 开放式数控系统远程监控及系统秦成研究 1 4 课题研究目的和意义 本课题来源于广西壮族自治区科技厅项目( 基于d s p 技术和w i n d o w s 平台开放式 数控系统丌发研究) 和广西南宁科技攻关项目。 其主要目的在于通过该课题的研究，实现数控系统远程监控功能，并实现开放式数 控系统的集成，达到数控加工和远程监控要求，为以后开发出更高性能的数控系统奠定 基础，从而开发出拥有自主知识产权的多功能的数控系统。 1 5 论文主要研究内容 本文的研究内容主要分为两部分：研制一个具有远程监控功能的数控系统远程监控 模块，实现两套系统功能：l 、现场远程加工控制系统，能实现两台异地应用计算机对 数控系统的监控( 其中一台具有监控功能，另一台只有监视功能，不能进行控制) ；2 、 多客户网络化教学系统，实现一台应用服务器对数控系统进行监控( 功能与l 中相似) ， 此外其还具有网络服务器功能，能够连接多个网络客户，并向它们广播数控系统的当前 信息，完成监视功能，另外还要实现其它网络教学功能。研究的另一部分内容为实现对 现有的开放式数控系统的功能模块的完善，并把各模块集成为一个完整的开放式数控系 统。主要研究内容如下： ( 1 ) 远程监控系统的总体设计。提出基于w i n d o w s 和i n t e m e t 的数控系统远程监控 模块的体系结构和监控方式，目标是把开放式数控系统成为网络节点，直接接入i n t e r n e t 。 ( 2 ) 远程监控软件的设计。根据系统要实现的功能在软件的设计上分为三部分来实 现。一是数控端远程监控系统的设计，用于为数控系统提供网络连接管理功能，并完成 对加工情况的各种加工数据的采集和传输，完成对n c 加工文件的传输和接收，以及接 受远程主机对机床的运动控制和参数修改：二是应用服务器的设计，其具有两层功能： 监控数控机床及网络服务器功能。监控功能实现对数控机床的网络连接，控制数控系统 进行远程加工，获取并显示加工信息，对n c 加工文件的传输和接收，获取并修改数控 系统的参数。网络服务器功能实现对网络多客户的连接和连接管理，向客户广播数控系 统加工数据，实现与客户的教学对话和文件传输。三是客户端设计，实现与应用服务器 的连接，获取并显示加工信息，实现教学对话和文件传输等功能。 ( 3 ) 开放式数控系统的功能模块完善和集成。对刀具补偿功能模块和系统参数修改 开放式数控系统远程监控及系统集成研究 模块进行完善，运用软件集成技术把各功能模块集成为完整的开放式数控系统，并实现 对刀具补偿功能等模块的开放性接口设计。 9 广西大学硕士学位论文 开放式数控系统远程监控及系统集成研究 第二章远程监控系统总体设计 2 1 系统功能及需求分析 2 1 1 现有开放式数控系统现状分析 本远程监控系统是应用于现有课题组自主研发的开放式数控系统，该数控系统采用 p c + a d t 8 5 0 运动控制卡的构造方式，基于p c i 总线和w i n d o w s 平台进行开发，结合 x k 5 0 3 0 数控铣床光机进行配套应用。其硬件结构的特点是n c 嵌入p c ，即a d t 8 5 0 运 动控制卡安装于工业p c 的p c i 插槽中，因而数控系统可以直接运用p c 机的一般功能， 如网络功能、u s b 功能等。数控系统可使用p c 机中的以太网通讯网卡连入局域网或 i n t e m e t ，可使用现有成熟的t c p i p 协议，无须另外编制网络接口及通讯协议。 数控系统软件采用v i s u a lc + + 6 o 作为开发工具，其支持底层网络通讯服务；系统 以w i n d o w s2 0 0 0 为平台，利用其多任务特性，数控系统在保证前台加工任务的同时还 可执行远程监控、故障诊断等功能；软件系统采用模块化设计方法，各个功能自成模块， 方便二次开发，远程监控系统可作为一个功能模块加入到数控系统中。 2 1 2 系统功能分析 本开放式数控远程监控系统的主要目的是客户通过i n t e m e t 或者无线通讯系统在整 个网络范围内来监控他们的产品生产和加工系统，可以远程监视数控系统的运行状态， 并做出必要的控制动作，协助加工现场。开发出的系统应可实现点对点的远程监控或多 客户网络化教学的功能，点对点的远程监控对系统的控制及实时性要求较高，而多客户 网络化教学对实时性要求要低一些，主要实现教学互动功能，远程监控系统应实现的具 体功能有： ( 1 ) 数控系统状态远程监视：远程客户端能通过监控命令，要求数控服务器端向其发送 当前数控系统的运行状态信息，包括：数控系统的当前坐标值、当前加工的进给速度、 主轴转速、i o 状态、各轴及伺服报警状态、当前加工文件、加工倍率等信息。 ( 2 ) 远程加工服务：远程客户端能通过远程监控系统向数控服务器发送控制命令，控制 1 0 广西大掌硕士掌位论文 开放式数控系统远程监控及系统集成研究 数控系统加工指定的n c 文件，控制系统的运行、暂停和停止，控制主轴的运行状态、 冷却液丌关、加工倍率等。 ( 3 ) 远程加工文件传输服务：远程客户端能将本地c a d c a m 系统生成的加工程序传送 给数控服务器端，达到与数控服务器端共享资源的功能，并能获取数控端内的加工文件， 对其进行修改和删除等操作。 ( 4 ) 远程系统参数修改功能：远程客户端能通过远程监控系统，获取数控服务器端的系 统参数，并利用系统提供的接口修改系统参数。 ( 5 ) 远程对话功能：远程客户端和数控服务器端能建立对话机制，能相互传送信息，供 客、端远程协助加工现场，也可为数控服务器端提供远程故障诊断服务或为网络教学提 供条件。 ( 6 ) 其它辅助功能：刀具轨迹显示功能：客户端在进行远程加工监控时，应能显示当前 数控机床运动的刀具轨迹视图，即远程监控系统要根据数控系统的实时数据绘制出刀具 轨迹，供客户观测机床加工运动的准确性；程序编辑功能：客户端应配备加工程序的编 辑功能，方便加工代码的修改； 2 1 3 主要陛能要求 本远程监控系统是建立在p c + 运动控制卡的开放式数控系统上的，控制卡采用众为 兴公司的a d t 8 5 0 运动控制卡，下位机为工业p c ，上位机程序采用v c + + 6 0 进行软件 的编制，开放式数控系统的具体情况在第四章中进行说明。针对该数控系统的特点，为 更好的实现远程监控系统的预期功能，主要考虑以下性能要求： ( 1 ) 数据实时性要求 由于i n t e r n e t 是由很多设备组成的复杂通讯网络，当监控数据从一个交换机传送到 另一个交换机的时候，就产生了延时，且延时的时间与路由的选择有关，这些特点使网 络具有延时的不可改变和随机的特性。而数控系统是种精密加工设备，对数据的采集 和反馈控制具有较高的要求，这就使控制的实时性对远程监控系统尤为重要。 ( 2 ) 数据安全性要求 本远程监控系统要远程控制的是数控系统，虽然开放式数控系统降低了系统的开发 成本，但总体上丌放式数控系统还是昂贵的加工设备，对其的远程监控要考虑到安全性 的要求，且加工代码和系统参数也是软体资源，不能外泄。再加上网络犯罪的日趋增加， 开放式教控系统远程监控及系统嘉成研究 对监控数据的安全性要求更加重要。 2 2 远程监控方式选择 远程监控方式一般有两种：使用w i n s o c k 技术，利用t c p i p 协议进行连接，机床 端负责采集现场的实时信号，并将现场设备状态和实时数据通过网络发送到客户端，而 客户端负责接收来自服务器的各种信息，并把相应的命令发送到服务端l b 】。在复杂数控 系统中，可以将实时采集的数控系统各种状态信息，按定的协议编码，传送到监控端， 对之解码，并利用特定的a c t i v e x 控件定制的组件模板生成虚拟操作与监测面板，仿真 数控系统的操作：在虚拟面板上操作时，监控机将操作指令传送给数控系统，由数控系 统对操作指令进行解释、判断，生成数控系统可执行的指令来操纵数控系统。使用 抓屏技术，在开放式数控开发时，就将数控系统的各种状态参数实时显示在操作界面上， 然后动态抓取屏幕信息，将屏幕信息传送给远端的监控计算机，监控机接收到后再将此 屏幕信息还原；如果监控机想对数控系统进行操作，可以通过鼠标键盘对传回的操作界 面进行操作，监控机捕捉到鼠标、键盘的操作命令后将此操作命令传回数控系统。同时， 数控系统采用h o o k 技术屏蔽自己的鼠标、键盘命令，执行接收到的监控机传来的命令。 这样的监控方式就像是监控人员坐到数控系统前亲自操作一样，从而实现远程监控。 相比而言，使用w i n s o c k 技术需要编制相互的通讯协议以完成控制动作，工作量较 大：使用抓屏技术虽然直观生动，但网络数据的传输量大。 本系统的监控方式的选择要依据系统的需求来定，从数据实时性方面考虑，由于 i n t e r n e t 是由很多设备构成的复杂的通讯网络，t c p i p 的使用使得在任何互连的网络集 合中进行通讯成为可能。在i n t e r n e t 上数据按照数据包传输协议通讯，当数据在交换机 问或交换机间与计算机间传输时，就产生了延时。而数据包的路由选择能影响i n t e r n e t 上数据包的交换和所路过节点的处理策略，致使i n t e r n e t 网络传输延时成为个随机变 量【】。对于数控机床远程监控网络，时间延迟的大小可由下式估算： 设总的时间延迟是t ，则有【1 7 1 【1 8 1 t = 7 ：+ t ，十( d ，+ d 、) 矿 其中，i 为通讯延时，包括通讯仞始化时间和在介质中的传输时间，信号通过传输 介质在两地f 白j 的物理传输时问是随着距离的增大而增大的。在网络中，路由选择的不同 会使信息沿不同的线路传输，从而导致信息传输时问的变化是不可预测、不可消除的。 开放式数控系统远程监控及系统暴成研究 j ，为数控机床通信控制器产生的延时，包括通信控制器完成指令的解释和执行、数据转 换的时间。d d ，是发送和接收的数据量， 矿是传输速率，与介质有关。 可见在数控硬件和网络硬件不变的情况下，系统的实时性主要与发送和接收的数据 量d 、d ，有关。使用w i n s o c k 技术的方式进行传输的主要是机床的实时数据，如机床 坐标和运行状态等，数据量般在几十k b 左右；而使用抓屏技术的方式，以8 0 0 x6 0 0 分辨率的屏幕为例，一张桌面图片的大小大概在2 m b 左右。虽然有些系统采用市场上成 熟的软件，妻n p c a n y w h e r e 软件进行监控，其有图像压缩、分屏和发送变化等技术，每 次只传输变化的分屏画面，减少了数据传输量，但传输量仍然在m b 级，相l 匕w i n s o c k 方式要大得多，此外，分屏和图像的压缩必将增加数据转换时间l ，增大系统延时。 从以上的分析比较，为了实现本系统对数据实时性的需求，系统采用w i n s o c k 技术， 编制内部通讯协议实现控制和监视等功能。 2 3 监控系统体系结构分析 网络体系结构是整个网络监控系统的基础，选择合理的体系结构对监控系统开发工 作量、系统允许效率、允许速度及系统允许稳定性都有至关重要的作用。目前流行的网 络体系结构有：客户服务器结构( c s ) 、多层客户服务器结构及浏览器朋艮务器结构 ( b s ) 【1 9 】。多层客户服务器结构实际上是一种多层的c s 结构。 2 31 b s 结构与c s 结构对比 b s 结构是一种三层结构，即形式逻辑层、应用逻辑层和数据层，相对于传统的c s 结构，其为两级模式，在消息传输过程中l 匕b s 结构少一层，这就意味c s 结构减少了信 息传递的长度和时间，而对于数控系统的远程监控来说，一个重要的指标就是系统的实 时性，因而结构上，c s 结构优于前者：此外，采用b s 模式开发工作量较大，且需要添 加w e b 服务器，增加了系统设计成本，且开发工作量相对增加，使用效果也不如采用 c s 模式：再者，在b s 结构中，客户端是与w e b 服务器相连，通过浏览器发送请求， w e b p j 幔务器再与数据服务器相连，客户端没有专用的客户端程序，而采用普遍的浏览器， 在网络安全上存在定的隐患，而c s 结构可设计专用的客户端程序，只有专用客户端 程序j 。能访问数控服务器端，网络安全性较好。 r - 西大掌硕士掌位论文开放式数控系统远程监控及系统集成研究 2 3 2c s 内部结构对比( 客户服务器结构与多层客户服务器结构对比) 前文分析后选择了c s 体系结构，而c s 结构中可选用普通客户服务器结构和多层 客p i j j e 务器结构。 普通客p i j j e 务器结构为两级结构，其结构图t x r j 图2 1 所示。此结构的应用逻辑在客 户端，数据服务器( 数控机床端) 响应各客户端的请求，具有较好的安全性和灵活性的 特点，但应用逻辑和客户界面的融合使其存在伸缩性差和安装维护困难的缺点。 ：t， 数据服务器 y j 、 ，、。、 ， 应用逻辑 l ， l 应用逻辑 用户界面 。j ：藤息燕面：，0 客户端1 客户端n i 图2 1 普通客户服务器结构图 图2 2 多层客户服务器结构图 f i g2 2t h ec o n f i g u r a t i o nm a p o fm u l t i l a m i n a t ec l i e n ta n ds e r v e rm o d e 多层客户服务器结构中最为典型的是三层结构：客户、应用服务器、数据服务器【2 ， 其结构图如图2 2 所示。这种结构的特点是用户界面与应用逻辑分离，使所有客户共用 个运用逻辑，它减轻了数据服务器( 数控机床端) 的工作量，其只响应运用服务器的 控制，而作为系统核心的应用服务器则提供事务处理、安全控制以及响应多客户应用程 序请求的服务。显而易见，这种结构一定程度上影响了客户端到数据服务器( 数控机床 端) 的实时性，但其安伞性高、灵活度大、维护简单，一般适用于业务逻辑较强的领域。 奸拙或h 拉e 埴进丑监控托曩蟪成目完 24 系统体系结构 用户层( 网络教学) 远程监控屡 画画 远程用庄 远程片j 户n 坤曲 窖户端( 监视)应j 廿服务器 田23 系统体系结构图 f i 62 3t h ec o n f i g u r a t i o n m a po fs y s t e m 山以上的分析_ 舄知，根据数控系统远程监挖的要求，对于数控系统远程监控系统采 用c s 结构相对采用b i s 结构实时性虾、安全性好，战率系统设计采用c s 结构；而在 c s 结构的内部结构选择上，两种结构各有利弊。针对奉系统要实现点对点远程监控和 多客户网络教学功能的特点率远程监控系统采用基f 传统c t s 结构和多层c s 结构的 濉台编程的方往，对丁实肘性要求高舶点计点远程监控采川普通：二层c s 结构，对于逻 辑性强的多客户嘲络敦学采用多层客户服务器结构， 为了简化系统编制的工作量，并减少对相同功能的重复丌发，本系统的，f 发采用可 广西大孥硕士掌位论支开放式数控系统远程监控及系统集成研多巴 选功能插件的开发方式，既把开发的重点放在应用服务器上：当实现点对点远程监控功 能时，应用服务器充当普通二层c s 结构中的客户端；当实现多客户网络教学时，完成 基本服务器的功能。这样的系统设计就是要在二层c s 结构中的客户端上设计服务器功 能，当需要实现网络教学的服务器功能时，客户端充当多层c s 结构的应用服务器，完 成多客户网络教学功能。 根据本丌放式数控远程监控系统的特点及功能要求，本系统的体系结构如图2 3 所 示，它分为四层：开放式数控层、信息传输层、远程监控层以及用户层。开放式数控层 是最低层，具有开放式特性，完成数控系统的输入输出、伺服驱动、n c 代码编译、刀 具补偿、各轴连续插补、位置控制等功能；信息传输层是中间层，它通过网络交换机连 接实现下层数控加工层与上层远程监控层的信息传输；上层远程监控层的功能是通过 i n t e m e t 来实现的，其主要目的是监视远程数控系统的状态，并控制数控系统的动作及 远程加工。用户层主要用于网络教学，可以与远程监控层的应用服务器进行远程文件操 作及机床状态监视等网络教学操作，但不具有控制功能。 2 5 系统编制工具与运行环境 能实现网络编程的工具有v i s u a lc + 十、v i s u a lb a s i c 、a s p n e t 等，它们各有特点， 由于本系统是应用到现有的开放式数控系统之上，因而系统编写工具和运行环境的选择 还要考虑与原系统的兼容性。机床端的开放式数控系统的设计利用v i s u a lc + + 6 0 作为开 发语言，以w i n d o w s 2 0 0 0 作为开发平台。并且v i s u a lc + + 6 0 采用面向对象编程方式，具 有强有力的i n t e m e t 支持，m f c 类库封装了w i n 3 2i n t e m e ( w i n i n t ) ，使得i n t e m e t 编程更为 容易，其有以下特点：代码可重用，因此可节省项目开发时间；程序可分割，易于测试： 当需求改变时，面向对象编程易于扩充。因此，本系统在开发过程中采用当前作为主流 丌发环境而且综合性的功能强大v i s u a lc + + 6 0 作为编程工具进行软件开发。 在系统运行平台的选择上，w i n d o w s2 0 0 0 即w i n d o w sn t 5 0 是继w i n d o w sn t 4 0 的 新一代操作系统，其继承了w i n d o w s n t 4 0 的所有优点，并引入了全新的w d m ( w i n d o w s d r i v e rm o d e l ) 驱动程序框架；而现在流行的w i n d o w sx p 操作系统是w i n d o w