（测试计量技术及仪器专业论文）基于嵌入式internet的nc机床远程监控系统的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 网络技术目前己逐步成为现代信息技术的主流，在制造业中的表现 尤为引人注目。网络化作为当代数控机床发展的主要趋势之一，为远程 监控及网络制造提供了最坚实的基础数控机床通过高速通信网络及时 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，为数控系 统生产厂家提供远程诊断与维护功能。更进一步地，数控机床在i n t e r n e t 平台上实现联网，可以使其构建一种新型的网络结构，实现底层数控加 工设备与c a d c a e c a m 系统和企业m i s e r p 的集成，在产品远程设计制造 和信息化生产的基础上构建c i m s 。 目前，在许多数控机床的高端产品中，数控系统本身内置有网络功 能并已实现远程监控功能。但大多数国产普及型数控系统自身不具有网 络功能或仅能实现网络文件的传输和保存等简单功能，且大多基于d o s 平 台，界面不够友好，操作不便。针对这些问题，本课题将嵌入式i n t e r n e t 技术应用于数控系统的网络远程监控，在研制了低成本数控机床网络接 入通信控制器的基础上，构建了基于c s 模式的网络监控平台。采用基于 m f c 的w i n d o w ss o c k e t 网络编程技术、多线程编程技术，开发出基于 w i n d o w s 平台的数控机床网络监控系统软件。通过远程监控主机对数控设 备的被控参数进行远程控制和调整，同时能够完成数控机床和远程监控 主机之间的网络通信功能，如n c 程序的上传和下载、图像传输、在线实 时加工等通信控制器的硬件采用嵌入式i n t e r n e t 技术实现，由 a t m e g a l 2 8 lm c u 和r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制芯片组成。本网络监控系统经过 模拟调试，已成功实现：( 1 ) 服务器与数控机床客户机之间的网络通信和 数据交换；( 2 ) 对数控机床加工过程的实时监控和对数控机床操作界面的 监控。 本课题实现的监控技术适合于各类生产中大量使用的普通数控机 床，具有通用性好、成本低的特点。同时，在技术上具有使数控机床本 身成为网络中的独立节点，直接连入i n t e r n e t ，便于远程主机的通讯和 控制及与企业的其它网络集成的优势。此外，本课题设计的嵌入式 i n t e r n e t 系统不仅适用于数控机床的远程监控，而且也适用于医学、电 力系统等。 关键词：嵌入式in t e r n e t ；数控机床；远程监控系统 基于嵌入式i n t e r n e t 的n c 机床远程监控系统的研究 a b s t r a c t n o wt h et e c h n i q u eo fn e t w o r kt h a th a sb e c a m em a i n s t r e a mo fm o d e m i n f o r m a t i o nt e c h n i q u es t e pb ys t e pw a sv e r yn o t i c e a b l ea tm a n u f a c t u r i n g o n et r e n do fm o d e r nn cm a c h i n et o o l si si n t e r c o n n e c t e dt on e t w o r k w h i c h p r o v i d e s m o s t m a s s i v eb a s ef o rr e m o t e m o n i t o r i n g a n dn e t w o r k m a n u f a c t u r i n g n cm a c h i n et o o l sp r o v i d e dt h ei n f o r m a t i o no fc u r r e n t l y m a c h i n i n gs t a t ef o rr e m o t em o n i t o r i n gs p o ta n dr e c e i v e dt h ec o m m a n do f r e m o t em o n i t o r i n gv i ah i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，a sw e l l a s ， p r o v i d e dr e m o t ed i a g n o s i sa n dm a i n t e n a n c e u l t e r i o r l y ，i fn cm a c h i n et o o l s w e r ei n t e r c o n n e c t e dt on e t w o r kt h a tw o u l dm a k ean e wf r a m e w o r ko fn e t r e a l i z ei n t e g r a t i o no fb o t t o me q u i p m e n to fn cm a c h i n i n ga n ds y s t e mo f c a d c a e c a ma n dm i s e r po fe n t e r p r i s e ，a n db u i l dc i m sw h i c hi sb a s e d o nr e m o t ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ea l o n gw i t hi n f o r m a t i o np r o d u c t i o n n cs y s t e mh a si n t e r n a ln e t w o r kf u n c t i o na n dr e a l i z e dt h ef u n c t i o no f r e m o t em o n i t o r i n gi ns o m ea d v a n c e dn cm a c h i n et o o l sn o w b u t ，i nc h i n a ， m o s tp o p u l a rn cs y s t e ma tp r e s e n th a v en on e t w o r kf u n c t i o no rc a nr e a l i z e s o m es i m p l ef u n c t i o n so n l yy e t ，f o ri n s t a n c et r a n s m i s s i o na n ds a v eo ft h e n e t w o r kf i l e a n dm o s t l yb a s e do nd o sp l a t f o r m ，t h ei n t e r f a c ew a s n t i n t u i t i o n a le n o u g ha n do p e r a t i o nw a s n 。te a s y t h ep a p e rw a sw r i t t e no n p u r p o s eo fs o l v i n gt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，e m b e d d e di n t e r n e t t e c h n o l o g yw a su s e d t on e t w o r kr e m o t em o n i t o ro fn cs y s t e m t h e t e c h n i q u et om o n i t o rn cm a c h i n et o o l sr e m o t e l yv i ai n t e r n e tw h i c hb a s e d o nc h e a pc o m m u n i c a t ec o n t r o l l e r t h i s s y s t e mu s e dc sm o d et oe s t a b l i s h t h en e t w o r kr e m o t em o n i t o rp l a t f o r m ，a n d a d o p t e d w i n d o w ss o c k e t p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y b a s e do n m f c ，m u l t i t h r e a dp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g yt od e v e l o pt h es y s t e m a t i cn e t w o r km o n i t o r i n gs o f t w a r eb a s e do n w i n d o w sp l a t f o r m t h ep a r a m e t e r so fn ce q u i p m e n t sw e r ec o n t r o l l e da n d a d j u s t e dv i ar e m o t em o n i t o r i n gc o m p u t e r a t t h es a m e t i m e ，t h e c o m m u n i c a t e df u n c t i o nb e t w e e nt h en cm a c h i n e sa n dr e m o t em o n i t o r i n g c o m p u t e rw e r ea c c o m p l i s h e d ，s u c ha su p l o a do rd o w n l o a dan cp r o g r a m ， d e l i v e r i n gp i c t u r e s ，r e a - t i m em a c h i n i n go n l i n ea n ds oo n t h eh a r d w a r eo f c o m m u n i c a t ec o n t r o l l e rw a sr e a l i z e db ye m b e d d e di n t e r n e tt e c h n i q u e ，a n d c o m p o s e do fa t m e g a l 2 8 lm c ua n dr t l 8 0 1 9 a s t h r o u g hs i m u l a t i n g 硕士学位论文 d e b u g ，t h i sn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m h a sa l r e a d yb e e ns u c c e e d e di n r e a l i z i n g ：( 1 ) n e t w o r k c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ，d a t ae x c h a n g ef u n c t i o n b e t w e e ns e r v e ra n dc l i e n to ft h en cs y s t e m ；( 2 ) t h ec o n t r o lt os y s t e m a t i c p r o c e s s i n gc o u r s e i nr e a l - t i m ea n dt h ec o n t r o lt ot h es y s t e mo p e r a t i o n i n t e r f a c eo fn c t h et e c h n i q u ei nt h et h e s i sa d a p t e dt oc o m m o nn cm a c h i n et o o l s ， w h i c hw e r el a r g e l yu s e di np r o d u c t i o n i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fg e n e r a l a n dc h e a p i ta l s oh a st h ea d v a n t a g e st h a tn cm a c h i n et o o l sc o n n e c t e dt o i n t e r n e td i r e c t l y ，h a db e c a m et h eu n a t t a c h e dn o do fn e t w o r k ；c o m m u n i c a t e d e x p e d i e n t l y w i t ht h er e m o t em o n i t o r i n gc o m p u t e ra n d i n t e g r a t e d e x p e d i e n t l yw i t ho t h e rn e t w o r ko fe n t e r p r i s e s i na d d i t i o n ，t h e e m b e d d e d i n t e r n e tc o n t r o ls y s t e mn o to n l yb ea p p l i c a b l et or e m o t em o t 峡n go fn c m a c h i n et o o l ，b u ta l s ob ea p p l i c a b l et ot h em e d i c a ls c i e n c e ，e l e c t r i cp o w e r s y s t e me t c k e yw o r d s ：e m b e d e di n t e r n e t ；n c m a c h i n et o o l s ；r e m o t em o n i t o r i n g s y s t e m i i l 基于嵌入式i n t e r n o t 的n c 机床远程监控系统的研究 插图索引 图1 1d n c 传统通信拓扑结构7 图1 2 改进型d n c 结构8 图2 1网关+ 轻量级设备网络9 图2 2 远程监控系统的拓扑结构1 1 图2 3t c p i p 的协议层次1 2 图2 4w e b 服务器与多个远程客户连接1 7 图2 5网络结构简图1 8 图3 1数控机床远程监控系统的原理图2 l 图3 2 通信控制原理图2 2 图3 3 硬件系统原理图2 3 图3 4r t l s 0 1 9 a s 内部结构图2 5 图3 5r t l 8 0 1 9 a s 原理框图2 5 图3 6r t l 8 0 1 9 a s 管脚图2 7 图3 7 通信控制器电路接口图2 7 图3 8r t l s 0 1 9 a s 收发缓冲区示意图3 1 图3 9a r p 函数和其它函数的关系3 3 图3 ，1 0 r p 发送函数a r p s e n d ( ) 3 3 图3 1 la r p 接收函数a r p r e i v e 0 3 4 图3 1 2i p 发送流程3 4 图3 13i p 接收流程3 5 图3 1 4p i n g 发送流程3 6 图3 15i c m p 目的站不可达发送流程3 6 图3 1 6i c m p 接收流程3 7 图3 1 7t c p 协议主要函数关系和数据处理流程3 8 图4 1客户机和服务器工作模式示意图4 0 图4 2 软件组成结构图4 0 图4 3 服务器客户机模式流程图4 2 图4 4 监听线程流程图4 3 图4 5 用户控制线程流程图4 4 图4 6 流式套接字通信流程4 5 图4 7 服务器端工作流程图4 7 图4 8 客户机端工作流程图4 8 i v 硕士学位论文 图5 1网络制造系统的安全存取控制模式5 7 图5 2 分层用户控制存取副模式5 8 图5 3基于v p n 的网络制造系统的安全解决方案5 9 图6 1网络连通性调试界面6 2 图6 ，2网络连接失败晃面6 2 图6 3网络连接成功界面6 3 图6 4 监控端成功连接受控机床的界面6 4 图6 5 受控端机床实际加工界面6 5 图6 6 监控端的监视界面6 5 v 基于嵌入式i n t e r n e t 的n c 机床远程监控系统的研究 附表索引 总体协议的选择1 8 模拟量接口引脚功能2 8 开关量接口引脚功能2 8 串行接口( r s 2 3 2 ) 引脚功能2 9 以太网接口( r j 4 5 ) 引脚功能2 9 编程器接口( r j 4 5 ) 引脚功能2 9 i p 协议值3 4 网路系统的安全体系层次模型5 5 v i l 1 2 3 4 5 6 l 2 3 3 3 3 3 3 5 表表表表表表表表 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本入在导师的指导下独立迸行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 储繇段莉筻 魄冲f 月够日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定。同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰 州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书a 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：冲j - 月刀日 日期劢d 7 年岁月) - 2 日 袋苛 劫适砸姚 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 计算机网络技术的迅速发展深刻改变着人们的生活方式、工作方式， 对企业信息化和自动化领域的发展也产生了巨大的影响。特别是 i n t e r n e t 的发展已经引起了世界范围产业结构的变化，这种变化反映在 经济、文化、科技、军事、政治、教育和社会生活等各个方面。 计算机技术给人类社会的深远影响也无可估量。提起计算机，人们 最容易联想到的是p c 机。事实上，当今应用最为广泛的微型计算机系统 包括两大分支：通用微机系统和嵌入式微机系统( 简称嵌入式系统) 嵌入 式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，赢得了 巨大的市场。无论是应用的范围，使用的规模，还是采用的数量等方面， 嵌入式系统都远远超过了通用微机系统。 随着计算机技术的不断深入发展，i n t e r n e t 的广泛应用，各种嵌入 式设备都产生了连接性的需求，从家电到工业设备，似乎所有设备都需 要连入网络，这便形成了嵌入式i n t e r n e t 技术。接入i n t e r n e t 的嵌入式 设备成为了网络资源的新族。通过网络监测到环境恶劣的加工现场；通 过网络进行异地加工；通过网络合理调度加工设备；共享稀少贵重设备 资源等等。总之，嵌入式设备接入网络将为虚拟制造、信息化加工奠定 技术基础p - 3 1 。网络专家预测，将来在i n t e r n e t 上传输的信息中，将有7 0 的信息来自小型嵌入式系统1 4 1 。嵌入式i n t e r n e t 将有很好的发展前景和 广阔的市场，未来的i n t e r n e t 技术将是嵌入式i n t e r n e t 占主导地位。嵌 入式i n t e r n e t 远程监控系统就是在这种背景下发展起来的。 1 2 课题目的和意义 本课题研究的目的是通过i n t e r n e t 把不同地域的数控设备，现场设 备工程师，设备维护工程师和领域内的专家组织和联系起来，在设备与 人，人与人之间实现快速的信息传递和共享，使车间与车间、车间与企 业计算中心、企业与企业之间可以同时、异地的同步。形成一个网络化 的数控加工、设备诊断和维护的咨询系统，通过网络对数控机床加工过 程进行远程监控。 随着i n t r a n e t i n t e r n e t 信息技术的迅速发展，要求企业从现场控制 基于嵌入式i u t c r n c t 的n c 机床远程监控系统的研究 层到管理层能实现全面的无缝信息集成，并提供一个开放的基础构架。 人们只需要通过i n t e r n e t 就可以通过网络访问来自现场的有关信息，并 可以提供控制和管理的决策。随着自动控制系统日益向开放性，技术标 准化方向迈进，i n t e r n e t 和t c p i p 技术的结合应用必将成为复杂工业控 制系统的研究热点。 过去的嵌入式设备大多采用8 1 6 位单片机。它们披广泛应用于仪器 仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化、家庭自动化等领域中。 这些设备虽然可以通过r s 一4 8 5 、c a n 等轻型总线构成各种远程监控系统， 但是这样的监控系统一般传输距离较短，覆盖半径有限。在i n t e r n e t 飞 速发展的今天，如何使得这些8 1 6 位设备上网，从而实现基于i n t e r n e t 的远程数据采集、远程控制和故障诊断等功能，已经成为一个热点问题。 和传统的远程监控系统相比，将这些设备连接到i n t e r n e t 上构成基 于嵌入式i n t e r n e t 的网络监控系统，具有如下的优点黜“。 大大扩展了数据传输范围。i n t e r n e t 是多样异种异构网络的集合 体，因此数据在传输时可以跨越异种网络的限制。只要i n t e r n e t 延伸到 的地方，数据都能到达。 所能传输的数据信号，不必再局限于单一的数据信息，包括声音、 图像在内的多媒体信息也将得到支持。 由于通信协议的公开性，可以使用一些通用的应用程序来读取信 息，如w e b 浏览器。 用户可以根据各自的需要定义不同的视图界面，有利于进行显现 和操作。因为相同的数据信息对于不同的用户将会产生不同的需要，如 运行人员主要用于监视与控制系统正常运行、管理人员将根据收集到的 信息进行决策等。 数据传输的速度以及传输质量得到了进一步的提高和保证。 i n t e r n e t 技术的发展和应用的普及，使制造业成为目前世界上经济 增长最快的行业。企业信息化的范围也随之由企业内部扩展到企业供应 链甚至全球范围。利用因特网进行数据通信，对于工业生产的远程监控 有着及其重要的现实意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 远程监控系统的国内外发展状况 远程监控技术是计算机技术、网络技术和监控技术的结合。远程监 控最早来自于医疗系统中的远程诊断系统。目前，该技术在医疗系统中 2 硕士学位论文 发展较为完善，但在机械行业中，发展的步伐财较为缓慢。在机械行业， 监控技术经过了如下三个发展阶段：单机监控系统，即用单台计算机进行 设备的监控工作；集中式监控系统，由多台计算机组成，其中一台计算 机控制其它多台计算机进行监控；最后发展到了网络范围内的远程监控。 远程监控技术的组织方式是非常灵活的，可以是i n t e r n e t 范围内的，也 可以是一个局域网范围内的。目前，对于远程监控技术的研究正处于积 极的探索中，并有相应的应用系统出现1 7 1 8 j 。对于远程监控技术，国内外 展开了积极的研究。 国外，著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司就在它的产品l a b v i e w 中加 入了网络通信处理模块，因而可以在基于网络范围内进行监控数据的传 送。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r n e t 范围内的远程监控诊断工作会议由斯 坦福大学和麻省理工大学联合主办，这次会议得到了制造业、计算机业、 网络业和仪表业等许多大公司的热情支持，例如f o r d 、s u n 、h p 、b o e i n o 等。之后由这些公司协同合作共同推出了一个实验性的系统t e s t b e d 【9 1 1 “。 t e s t b e d 可以初步实现在i n t e r n e t 范围内的信息监控和故障诊断，但与最 初的设计目标相去甚远，所以目前只是起到理论研究作用。另外，还有 许多著名的国际组织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 n s y s t e ma 1 1 i a n c e ) 、m f i p ( 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 n t e c h n 0 1 0 9 y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t o t i n g a n d e n g i n e e r i n g m a n a g e m e n t ) 等，也展开了对远程监控技术的研究，并提出了一定的信息 交换和数据处理的标准 同时，一些研究人员也在相关领域做出了一定的贡献。如a r r e g u y ，d 和d ec a r v a l h o ，s 等在数控机床远程监控系统中提出了一种用于工业加 工现场监控的监控系统，包括嵌入式装置，故障诊断和决定规程。该系 统在p c 机上执行，用于监控机床加工零件的过程。其主要用途包括观察 刀具的磨损，在加工过程中纠正刀具的前进方向和调用紧急停车【1 ”。 h f z h a n 和w b l e e 提出了种基于w e b 的合作产品设计平台，能够使 在全国各地的用户有权利获得公司产品的资料，诸如保存在指定服务器 内的产品设计文件和在任何一个操作系统下均能完成产品的设计工作， 用户没有必要安装任何相关软件，可以通过w e b 浏览器进行远程监控，这 既节省了成本也减少了产品程序调试时间【1 ”。y u n q i a n g y u 和w e n h a i w a n g 在基于w e bs e r v i c o s 的网络制造监控系统设计中，提出了一种应用于许 多现代制造企业中的适用于i n t e r n e t 的网络制造监控系统设计方案，该 设计方案从i n t e r n e t 、企业局域网和现场总线三个层面上阐述了如何设 计现代制造企业的网络制造监控系统。该系统把现场总线和计算机网络 基于嵌入式i n t o r n c t 的n c 机床远程监控系统的研究 融为一体，为实现真正的虚拟工厂和虚拟制造提供了必要的条件，其与 企业信息服务平台融为一体，可以使企业的内部资源达到优化的配置， 可以使企业间协作技术得到应用和发展n ”。 国内，对于远程监控系统也开展了积极研究。目前，西安交通大学、 哈尔滨工业大学、华中科技大学，上海交通大学、合肥工业大学等的研 究成果较为先进。这些大学一般都建立了一个宣传远程监控技术的站点。 例如由西安交通大学联合其他几所高校共同创建的c e r n e t ( o h i n am o d e m d e s i g nn e t w o r k ) 、合肥工业大学的全球范围内的智能网络数控系统 ( i n e t c n c ) 等“。 张海军和郭艳玲在基于i n t e r n e t 的数控机床远程监控系统的研究中 针对数控机床网络化控制是现代制造业的发展的必然趋势以及经济型数 控机床在我国的制造行业中已经被广泛使用，给出了一种适合经济型数 控机床的基于i n t e r n e t 的数控机床远程监控系统，并给出了整个系统的 设计原理和系统实现方案【l ”。庄殿铮在数控机床i n t e r n e t 远程监控中提 高实时性的方法中介绍了使用通信控制器实现普通数控机床的i n t e r n e t 接入并进行远程监控的网络技术方案和拓扑结构；给出了此种网络结构 下的网络传输延时计算方法；提出了在通信控制器中设立数据缓冲区、 使用高速m c u 、零拷贝技术，紧急数据处理技术等提高数控机床远程监控 实时性的方法f l “。张艳伟和刘涤尘等在基于嵌入式i n t e r n e t 设备远程控 制系统设计中分析了目前大多控制系统采用基于现场总线构建所存在的 缺点后，结合嵌入式i n t e r n e t 技术的基本原理，提出了基于嵌入式 i n t e r n e t 技术的设备远程控制系统的构建方案，并详细介绍了该控制系 统现场节点的软、硬l 牛构成以及服务器端的软件设计【1 7 1 。张允刚和刘常 春等在基于s o c k e t 和多线程的远程监控系统探讨了基于s o c k e t 以及多线 程技术的远程监控系统的设计和实现，介绍了系统设计的总体方案，并 在v c + + 6 1 0 编程环境下实现了一种基于局域网的监控系统。s o c k e t 套 节字作为目前最流行的网络通信应用程序接口之一，利用它可以方便地 实现局域网内的数据传输。传统的单线程程序中，视频数据的编码、解 码、传输不能同时进行，导致传输效率很低。为此，提出了多缓冲区多 线程结构，有效地提高了视频数据的传输效率。实验证明，系统能有效 地实现一点对多点的实时监控f i i l 。郑魁敬和赵永生介绍了应用于数控机 床的网络监控系统，其系统采用服务器客户机模式，利用套接字技术开 发了相应软件，通过客户机对服务器进行网络操作，完成了控制指令、 加工代码、加工状态图像及信息的发送和接收，从而实现异地实时控制 和监视机床的加工过程【1 ”。胡晓莉和吴刚等在r t l s o l 9 a s 及其在嵌入式以 4 硕士学位论文 太网系统中的应用中介绍了l o m 以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 的主要性能和 结构特性，以及在c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机控制下，使用r t l 8 0 1 9 a s 实现嵌入式以太网通讯的硬件设计方案和编程方法。该系统尺寸小、性 能高，适合便携式仪器仪表中的使用，为智能化、模块化的嵌入式设备的 实现提供了一种途径啪1 。黄湛和龙伟等在远程视频技术在网络数控加工 监控中的应用中阐述了网络数控的概念及其基本结构，探讨了将远程视 频技术应用于数控机床加工监控的必要性和可行性，并给出了视频会议 系统在网络数控加工监控中的实现方案【2 ”。 纵览国内外研究现状，从数控机床监控系统的提出到方案的设计， 在硬件和软件方面均有一定的研究，但是，到目前为止还没有相关资料 可以表明有关将摄像头应用于数控机床远程监控系统，进行硬件和软件 的研究。本文在此基础上提出了基于嵌入式i n t e r n e t 的n c 机床的远程监 控系统的研究。 1 3 2 数控机床远程监控技术的发展 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，此 项技术多为数控系统生产厂商掌握；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，达到联网通信的目的。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。 1 、数控机床内部集成网络通信功能技术的发展状况 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s i e m e n s 公司的高端数控系统产品 8 4 0 d 8 1 0 d f m - n c 和8 4 0 cw 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 r n 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，并且能够像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，监控各轴当前的状态，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间启动一个会 5 基于嵌入式i n t c r n e t 的n c 机床远程监控系统的研究 话窗口，一方输入的文字信息在另一方同时显示出来，实现二者的实时 在线聊天( c h a t ) 。日本山崎马扎克( 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。日本大隈( o k u m a ) 公司则推出了网络c n c 产品 o s p e 1 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和c a d c a m 一体 化。相对面言，国内数控系统的设计水平和制造生产能力都很弱，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。 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 结构和p c 机具有成熟的网络功能和联网技术，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 机床技术更快地更新换代。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 l lw o r ks t a r i o n m a c h i n ec 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 ef o r c o n t r o l - it h i na u t o m a t i o i ls y s t e m s ) ，日本的o s e c ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r 0 1 1 e r ) 计划，中国的o n c ( o p e nn u m e r i c a ic o n t r o l s y s t e m ) 等。开发的研究成果己得到应用，如c i t i 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 l o o 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 型等开放式数控系统。 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，较强的系统配套能力和较好的扩展与伸缩性，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。 2 、在数控机床外部集成网络通信功能技术的发展状况 对于在数控系统外部附加网络通信功能的技术，起源于d n c 技术并随 6 硕士学位论文 着d n c 技术的发展而逐渐发展。d n c ( 直接数控d i r e c tn u m e r i c a lc o n f r 0 1 ) 系统是指数台或多台数控机床由一台计算机统一分配控制程序和进行管 理。现在的d n c 系统从内容和意义上已发展成为分布式数字控制( d n c d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统。它是针对车间的生产计划，技 术准备，加工操作等基本作业的集中监控与分散控制相结合的车间生产 控制系统。系统的目标任务通过局域网分配给各子系统，子系统之间信 息互相交换以协调完成总任务这种系统的优点是易于扩充、灵活、可 靠性高，具有良好的开放性。 近几年国内外对d n c 系统的研究非常活跃陋。一般d n c 系统通常具有 两级计算机分级结构形式，即主控计算机加c n c 系统群组成。计算机与数 控加工设备的通信方式取决于数控系统的通信接口和通信协议。由于绝 大多数数控系统都具有r s 2 3 2 通信接口，所以d n c 中对数控系统附加网络 通信功能的研究大多数集中在r s 2 3 2 接口的使用和转换方面。 对于计算机，r s 2 3 2 接口是每台计算机拥有的标准外部接口。所以， 传统的d n c 系统使用计算机和数控系统的r s 2 3 2 接口直接进行通信，如图 1 1 。对于只有录音接口或者纸带机接口的经济型数控系统，一般是通过 自制或购买专用的硬件通讯卡将这两种接口转换成r s 2 3 2 接口再与计算 机通信陋1 2 6 j 。 图i 1d n c 传统通信拓扑结构 对于通信距离短、组成d n c 系统的数控加工设备数量少的小型系统可 采用这种方式联接。该联接方式结构简单，但连线多、易出故障、通信 距离短( r s 2 3 2 通讯距离一般为1 5 m 以内) ，不适宜较大范围的d n c 系统。 为延长通信距离，使较分散的数控加工设备也能联网，9 0 年代开始， 我国部分企业采用一台数控机床与一台工控微机相连( 即点对点式) 印。j ， 所有工控微机再通过局域网络与d n c 主控计算机相连的通信模式。这种 d n c 通信模式存在以下问题：工控微机置于生产现场，环境粉尘与温度 变化造成d n c 系统故障率高、可靠性差；对操作工人要求较高，管理与 7 基于嵌入式h t e t 的n c 机床远程监控系统的研究 维护工作量大l 操作工人需双侧操作工控微机与机床面板，操作复杂、 效率低。 鉴于以上通信方式存在的缺陷，一些研究机构提出了基于现场总线 技术( 主要有b i t b u s 和c a n 总线) 的改进型d n c 通信系统却j ，可实现远距离 通信，具有操作方便、开放性好的特点，较好地解决了上述问题，其网 络拓扑结构如图1 2 所示。每台数控加工设备配备一台通信前端单元，各 通信前端单元与d n c 主控计算机问采用现场总线进行连接。通信前端单元 与数控系统集成在一起，用来完成r s 2 3 2 接口到现场总线之间的转换。根 据目前的资料报道，这种通信方式是较为先进的，其通信前端单元一般 采用研究机构自行研制或购买的第三方公司的专用产品m p ” 图1 2 改进型d n c 结构 1 4 课题主要研究的内容 本课题采用嵌入式i n t e r n e t 技术，研制了一种以低成本接入为特点 的、能够适用于各种普通数控机床的通用的数控机床远程监控系统。本 系统研究开发的主要内容包括两个方面：( 1 ) 构建一个i n t e r n e t 网，网 络中包括多台机床的数控系统。以及一台监控计算机。该计算机用于监 控这些数控系统并为它们提供文件和图片的上传下载服务。这是实现网 络监控的硬件基础；( 2 ) 开发出能够实现上述网络监控功能的软件系统。 因此，本文的工作主要在如下几个方面： l 、在分析数控设备特点的基础上，研究将嵌入式i n t e r n e t 技术引入 传统的设备状态监控的方法和途径 2 、根据系统特性和网络的基本原理，对数控机床远程监控系统网络 的构建原则、系统构建和运行模式进行探讨。 3 、建立一个实际的