基于Web服务的数控系统运动控制集成技术研究（部分供参考）.doc

基于Web服务的数控系统运动控制集成技术研究（部分供参考）摘要:对数控系统信息集成中的一个非常重要的问题-运动控制器的集成技术进行了研究.由于不同厂商的产品、不同系列等多种多样,接口标准千变万化的,存在版本空间问题.对运动控制器和CNC 的集成统一接口标准进行了讨论,提出了版本空间的概念和缩小版本空间的方法.进行了基于Web服务的运动控制器的Web服务开发和实验.研究结果为数控系统和车间数字化制造设备的跨平台无缝集成和可重构提供了支持.关键词: 数控系统 系统集成 运动控制器 Web服务中图分类号:TP273.5 文献标识码:AResearch on Motion Control Integration Technologies of CNCGao Rong 1 Wang Zhisen 2 Ye Peiqing 11 Tsinghua University ,Beijing,100084 2 Hefei University of Technology ,Hefei ,230009Abstract : Motion control card is usually an important part of CNC system.Information integration of Web Services is essential, The key techonologies of motion control card integration is studied . The implementation of Version Space was provided ,and how to shorten Version Space was very important ,Integration of motion control card involved standard interface and CNC are studied , Finally ,application experiment of motion control card based on Web Services is accomplished.So problem that digital machines result in difficulty of information integration for shop floor is solved ,it is helpful to motion control integration based on different platforms and limits of resources.Key words : CNC system; system integration; Motion controller; Web Services0引言先进制造技术发展到今天,集成已开始由数据集成向服务集成的更高阶段发展1.4.后者不仅支持数据共享,而且支持跨平台的进程之间的互操作(服务的相互调用),是一种自动化程度更高的动态集成.XML Web 服务则是基于HTTP、XML、SOAP、MSDL和UDDI等全球通用的互联网标准的新一代分布式软件技术,因此能支持互联网上异构系统的跨平台、跨地域无缝集成.这种集成不仅包括数据集成,更包括服务集成.后者指运行于分布系统上的进程之间的服务(可理解为方法或函数)的相互调用,即互操作性.服务集成是比数据集成更高级的集成,它具有更高的自动化程度和动态实时性.例如,为了实现车间的实时闭环调度,调度系统就要随时轮询各台机床的加工统计数据.这时,车间调度系统就成了的客户,而机床控制系统必须提供加工统计服务;更重要的是,这种服务不是以静态数据的形式提供,而是以客户端调用Web 服务(即运行时函数)的形式提供的,因此能支持进程间自动化的实时动态集成.而数控系统中运动控制器往往由于没有统一的软件接口标准,无法实现系统跨平台的集成,开展基于Web服务的运动控制集成技术研究,对于解决制造业信息化中设备级的信息集成具有十分重要的意义1 Web服务概念及其特点3Web服务(Web Services)是创建可互操作的分布式应用系统的新平台,其主要目的是实现跨平台的互操作性.Web服务通过定义一组可以通过Internet调用的服务以公开和统一的方式提供给使用者,支持应用程序实现Internet上的跨平台的动态功能集成.Web服务是独立的模块化分布式组件,能够通过WWW描述、发布、定位及调用.Web服务的体系结构定义了3个角色:服务提供者(Service provider),服务请求者(Service request)和服务代理者(Service broker);同时,Web服务定义了3个操作,即发布、查找、和绑定.Web服务提供者使用UDDI发布服务;Web服务的请求者使用UDDI和WSDL的组合查找服务,而服务代理者则使用WSDL和SOAP把Web服务和相关的通信协议绑定.正是由于服务提供者和服务请求者对SOAP、WSDL规范的全力支持,才实现了互联网上的互操作性和无缝集成.Web服务具有良好的封装性、对Web服务调用者透明、Web服务具有可描述性和可管理性、易于使用和良好的互操作性等特点.2 运动控制器的版本空间3.82.1 版本空间概念PC+运动控制器是当今开发式数控系统的一种主要的形式.但各个厂家开发的运动控制器没有统一的软件接口标准,为系统集成的带来极大困难.从软件技术的角度来观察,这主要是异构系统的互操作性和软件模块的可重用性问题,可以用 版本空间来说明.(1)运行于M种操作系统、由N种编程语言编写的服务(也可以通俗的理解为模块化的功能),每种功能有P种表达形式,则VS=M*N*P.为版本空间(Version Space).(2)用户总是希望具有最大的选择空间来开发或组装自己的产品,或者用更先进的组件和服务来更新产品,例如选择不同商家的运动控制器来开发数控系统.则面对的版本空间也为VS=M*N*P;(3)从开发者(服务提供者)的角度,例如运动控制器厂商也希望自己开发的产品或服务有最多的用户,针对运行于M种操作系统上的由N种语言编写的应用程序,开发服务程序.则面对的版本空间为VS=M*N;2.2 缩小版本空间的方法如何缩小版本空间,提高软件模块的互操作性和可重用性,即,把VS=M*N*P变为 VS=1的理想情况,我们采用如下方法(图1):图1 版本空间转换(1)应用Web Services技术提供的基于XML和SOAP的和用WEB服务描述语言WSDL定义统一接口,把基于服务的数控系统的版本空间从VS=M*N*P 减小到VS=P.也就是说使得数控系统的所有服务都采用统一的WSDL接口描述语言和规范来表达,从而实现跨语言、跨操作系统平台的互操作.(2)如何制定数控系统的服务标准和规范,使同一种服务的各自表述变为公认的同一表述,即使P=1,从而进一步把VS=P 变为VS=1.3 Web服务定位3.8由于运动控制器是数控系统的一个重要组成部分,而运动控制器提供给不同用户的Web服务必须能够被随时调用,因此就应当有与系统相对应的URL地址(确切的说,是部署在它们上面的Web服务的URL地址).在这种情形下,数控系统或者其他智能控制设备就可能需要维护一个包含这些URL地址的URL地址列表.给运动控制器添加一个记录Web服务URL地址的配置文件,我们可以灵活更新(包括添加、删除等)Web服务URL地址列表,并实现对不同用户或者多个运动控制器的控制.配置文件如图2所示.在Web服务配置文件中,每条记录都是以一个key-value值对存储的.其中,value存储Web服务URL地址,key为value定义了一个名字,同时也代表了不同的Web服务所在的位置.在每次数控系统应用程序启动时,应用程序就会加载配置文件中的所有记录并将所有Web服务的名字以列表形式显示在应用程序界面上供操作人员选择使用.图2 移动控制器配置文件App.config4 Web服务的文件传送1,3,8.9我们可以在数控系统中集成基于HTTP的文件上传下载的Web服务,包括文件上传给不同数控系统的Web服务方法UploadFile()和文件下载到运动控制器的Web服务方法DownloadFile().通过Web服务进行文件的传送,其原理就是在文件发送端将文件转换成字节流,在文件接受端根据接受到的文件信息(包括文件扩展名),接受发送端的文件流再重新组装成文件并加以保存.如在运动控制器上使用Web服务上传文件给数控系统或者其他控制设备,运动控制器的关键代码片断如下所示:FileInfo f = new FileInfo(fileFullName); /根据给定文件名创建类FileInfo的实例FileStream fileStream = f.OpenRead() ; /创建只读文件流FileStream对象byte byteArray= new bytef.Length;/从文件流中读取字节并将该数据写入给定数组中fileStream.Read(byteArray,0,Convert.ToInt32( f.Length );/调用服务器上的Web服务方法UploadFileif ( !r.UploadFile(byteArray,fileName) )MessageBox.Show(数据上传失败!);elseMessageBox.Show(数据上传完毕!);/关闭文件流fileStream.Close();fileStream = null;由于文件的传送需要一定的时间,为避免用户界面等待,我们创建一个单独线程来执行这一过程,在这一过程执行时,用户可执行其他操作.在数控系统上部署的Web服务方法UploadFile()的代码实现如下:WebMethod(Description=提供文件上传的方法,返回文件是否上载成功)public bool UploadFile(byte b,string FileName)/定义并实例化一个内存流,以存放提交上来的字节数组.MemoryStream memoryStream = new MemoryStream(b);/创建文件流,要是上载的文件存在就覆盖FileStream fileStream = new FileStream(fileName, FileMode.Create);memoryStream.WriteTo(fileStream); /把内存里的数据写入文件流/关闭流文件memoryStream.Close();fileStream.Close();fileStream = null;memoryStream = null;return true;图3为数控系统和运动控制器Web服务之间的关系.数控系统 的XML Web服务可以用ASP.NET进行开发,并在数控系统上运行.如在Visual Studio.NET环境下,则自动为 Web服务编写WSDL文件和DISCO文件,并在客户端生成服务代理,供客户应用程序调用3.9.其过程如图3所示.图3 运行时的运动控制器和数控系统Web服务5 实验系统5.1基于Web 服务技术和接口标准实现CNC和运动控制器的集成方案我们利用清华大学国家CIMS研究中心制造系统实验室的研究基础和试验条件,对新的接口标准进行了研究和制定,这对于推动开放式数控系的发展和其普及应用有着十分重要的意义.为了解决CNC与运动控制器集成中的版本空间问题,不同商家的运动控制器制定统一的基于服务的接口标准就显得尤为重要.近年来国内外有研究把原来主要用在连续控制中的OPC标准(OLE-Based Process Control)用到PC+运动控制器的集成之中.OPC是基于Microsoft 的COM/DCOM的组件标准,它不是一种可跨平台集成的技术.我们经过初步的研究,采用Web 服务技术和接口标准来实现CNC和运动控制器的集成,同时还能满足实时性要求,是完全可能的.图4是我们提出的一个方案.图4 Web 服务技术和接口标准实现CNC和运动控制器的集成5.2 运动控制器XML Web服务开发不同的运动控制器厂商的运动控制器各不相同,它们提供的驱动程序也各不相同.有些以DLL文件的形式提供,有些以Lib库文件形式提供.在VS.NET中,托管代码能直接调用的是DLL文件,Lib库文件必须经过转换.我们以泓格的运动控制器PISO-PS300进行了实验,研究了开发运动控制器统一Web服务接口的过程.PISO-PS300的驱动程序提供的是DLL文件MSTEP32DLL,如其三轴直线插补功能MSTEP3_INTP_XYZ就是该DLL中的一个输出函数.我们通过在VS.NET的项目中的P/Invoke实现引用,完成对输出函数的调用.P/Invoke函数和属性位于System.Runtime.InteropServices命名空间中.将DLL文件中的输出函数转换成一个Web服务程序如下:using System.Runtime.InteropServices;DllImport(MSTEP32.dll) /DllImport指定DLL路径,这里指定的是相对路径extern static int MSTEP3_INTP_LINE01(byte cardNo, byte plane, long x, long y, long z, uint speed);WebMethodpublic int WebServices_G01(byte cardNo, byte plane, long x, long y, long z, uint speed)MSTEP3_INTP_LINE01(cardNo, plane, x, y, z, speed);C#中