1 引言
    數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，通常以網(wǎng)絡(luò)為媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與系統(tǒng)外的其它控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)的通訊。計(jì)算機(jī)等上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對數(shù)控設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和無人化操作、遠(yuǎn)程加工程序的傳輸、遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程維修服務(wù)、技術(shù)服務(wù)。
    網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近年來的一個(gè)新亮點(diǎn)。國外的一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司推出了相關(guān)的概念和樣機(jī)，例如德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(開放制造環(huán)境，簡稱OME)，日本山崎馬扎克(Mazak)公司展出的“Cyber Production Center”(智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)等，反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的動(dòng)向。國內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備方面的研究也取得了一定的進(jìn)展。武漢華中數(shù)控股份有限公司研制開發(fā)的華中世紀(jì)星(HNC-21M)銑削數(shù)控裝置就是具有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控產(chǎn)品，可以利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。
    本文主要設(shè)計(jì)了一款遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與DNC-11數(shù)控系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工狀態(tài)、機(jī)床參數(shù)及故障診斷等多信息交互和融合，使操作人員能通過PC機(jī)上的人機(jī)界面監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，查閱其加工歷史信息或進(jìn)行相關(guān)故障診斷，為未來數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化管理、物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)等提供良好的平臺(tái)服務(wù)。

    2 監(jiān)控平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)是由一臺(tái)PC機(jī)、一個(gè)集線器、若干個(gè)DNC-11數(shù)控系統(tǒng)連接機(jī)床而成，形成一個(gè)星形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

    本平臺(tái)是客戶機(jī)/服務(wù)器模式，即C/S模式。特殊之處在于客戶端與服務(wù)器之間是一對多的關(guān)系，即一個(gè)客戶端可與多個(gè)服務(wù)器之間進(jìn)行通訊。
    PC 機(jī)作為客戶端，用戶通過操作HMI(即人機(jī)界面)向服務(wù)器端發(fā)起通訊請求和服務(wù)請求，并通過自定義的數(shù)據(jù)包格式完成機(jī)床狀態(tài)信息和控制信息的交互，最終圖形化、數(shù)字化地顯示在HMI上。DNC-11為服務(wù)器端，在接到客戶端請求后提供相應(yīng)的服務(wù)。DNC-11是帶有網(wǎng)絡(luò)功能的數(shù)控系統(tǒng)，能夠提供基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)，可以將數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集后周期上傳，也可以接收控制指令進(jìn)行相關(guān)的控制動(dòng)作。
    本平臺(tái)采用上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，將實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)分配給下位機(jī)，將實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)分配給上位機(jī)PC。PC端運(yùn)行監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用程序，通過通訊服務(wù)接口與DNC-11等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)顯示監(jiān)測結(jié)果、圖形及機(jī)床加工軌跡，遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令，修改設(shè)置機(jī)床參數(shù)等功能。

    3 監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)
    遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用程序的總體結(jié)構(gòu)包括設(shè)備層、數(shù)據(jù)通訊服務(wù)層、核心功能層和應(yīng)用訪問層。軟件分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。軟件的開發(fā)實(shí)現(xiàn)主要集中在數(shù)據(jù)通訊服務(wù)層和核心功能層。

    數(shù)據(jù)通訊服務(wù)層主要提供參數(shù)服務(wù)、命令服務(wù)和文件服務(wù)等。參數(shù)服務(wù)是為上層提供讀取/修改DNC-11 的參數(shù)數(shù)據(jù)的服務(wù)。命令服務(wù)是為上層提供遠(yuǎn)程控制的服務(wù)，將命令組裝成相應(yīng)命令報(bào)文，通過以太網(wǎng)向DNC-11傳輸，DNC-11會(huì)根據(jù)解析報(bào)文后得到的操作命令來執(zhí)行用戶需要的控制操作。文件服務(wù)是向上層提供加工程序的傳輸，加工程序目錄的選擇，系統(tǒng)文件的卸載及加載，加工程序的選擇等服務(wù)。
    核心功能層將具體實(shí)現(xiàn)的功能劃分為三類：設(shè)備管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測和在線測試。設(shè)備管理具體包括數(shù)控機(jī)床的參數(shù)管理，數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程控制，數(shù)控機(jī)床的加工程序管理，數(shù)控機(jī)床設(shè)備信息管理等。實(shí)時(shí)監(jiān)測主要指數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，各軸狀態(tài)監(jiān)測，PLC狀態(tài)監(jiān)測，以及數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部位監(jiān)測等。在線測試包括數(shù)控機(jī)床故障模擬測試等。

    4 網(wǎng)絡(luò)通訊接口的設(shè)計(jì)
    在本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控平臺(tái)中，網(wǎng)絡(luò)通信作為數(shù)據(jù)傳輸唯一通道，是整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)的信息支撐。監(jiān)控平臺(tái)對通訊接口設(shè)計(jì)的功能需求主要有：通訊資源的初始化和釋放；網(wǎng)絡(luò)連接的處理；網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的判斷；數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
    遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)是基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)的。在TCP/IP的四層模型中，傳輸層定義了兩個(gè)端到端協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP。在數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性要求較高的場合，采用TCP協(xié)議；在實(shí)時(shí)性要求較高且數(shù)據(jù)完整性要求較低的場合，采用UDP協(xié)議。UDP通信不需要建立連接，并且沒有數(shù)據(jù)確認(rèn)和重傳機(jī)制，因此實(shí)時(shí)性較高。但在數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的通訊中，各功能模塊對數(shù)據(jù)完整性的要求較高，因而采用TCP傳輸協(xié)議開發(fā)。
    Windows Sockets是從Berkeley Sockets擴(kuò)展而來的，定義了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)最為通用的API，以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式提供給用戶使用。Socket的出現(xiàn)，使用戶可以很方便的訪問TCP /IP，從而開發(fā)各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。Windows Sockets與協(xié)議無關(guān)并向下兼容，可以使用任何底層傳輸協(xié)議提供的通信能力，來為上層應(yīng)用程序完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，而不必關(guān)心底層網(wǎng)絡(luò)鏈路的通信情況，能真正實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)通信對應(yīng)用程序的透明。
    Windows Sockets主要支持三種套接字類型，分別為：流式套接字(SOCK_STREAM)、數(shù)據(jù)報(bào)式套接字(SOCK_DGRAM)、原始式套接字(SOCK_RAM)。
    根據(jù)采用的通訊協(xié)議，并考慮到對通信可靠性和正確性的要求較高，本監(jiān)控平臺(tái)選用流式套接字來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊?；贑lient /Server模式的流式套接字通訊過程如圖3 所示。

    InitializeEngine是通訊資源初始化接口，Uninitialize Engine是通訊資源釋放接口。通訊資源的初始化和釋放主要是通訊端口分配釋放、IP地址和遠(yuǎn)端IP 地址的賦值、變量的初始化、套接字的加載和緩沖區(qū)的分配等。
    StateLoop是網(wǎng)絡(luò)連接處理接口。網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)有三種：未連接、等待連接和正在連接。網(wǎng)絡(luò)連接處理是根據(jù)不同的連接狀態(tài)，客戶端和服務(wù)器端執(zhí)行相應(yīng)的操作。
    IsConnected是網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)判斷接口。連接狀態(tài)的判斷就是通過變量的當(dāng)前值返回網(wǎng)絡(luò)連接的狀態(tài)。
    Send 和Receive是發(fā)送/接收數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)的收發(fā)就是調(diào)用socket API來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)?？蛻舳耸且粚Χ嗟?，要將接收的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的設(shè)備號存入不同的緩沖區(qū)；服務(wù)器端超過設(shè)定的時(shí)間未發(fā)送成功則進(jìn)行重發(fā)。
    平臺(tái)中作為客戶端的PC機(jī)能夠同時(shí)與多臺(tái)在線服務(wù)器端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，因而采用多線程技術(shù)，對每臺(tái)設(shè)備開一條獨(dú)立的通信線程。通信線程中調(diào)用相應(yīng)的通訊接口，通過檢測標(biāo)識(shí)位，滿足條件時(shí)發(fā)送緩存中已寫入的數(shù)據(jù)，并當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)包長度大于零時(shí)，調(diào)用數(shù)據(jù)包的解析函數(shù)，將解析出來的有效數(shù)據(jù)傳遞給HMI 或者存儲(chǔ)到相應(yīng)數(shù)據(jù)緩存區(qū)。在成功完成通訊的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的發(fā)送和接收需要考慮的是參數(shù)信息的存取、維護(hù)，以及數(shù)據(jù)包的組包和解析。
    5 HMI功能實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)對數(shù)據(jù)通訊服務(wù)層和核心功能層的分析，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)人機(jī)界面要實(shí)現(xiàn)的功能有參數(shù)服務(wù)功能、命令服務(wù)功能、文件服務(wù)功能等。各功能實(shí)現(xiàn)的流程類似，采用的具體方法存在差異，本文主要介紹參數(shù)服務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)。
    運(yùn)行應(yīng)用程序，進(jìn)入監(jiān)控平臺(tái)，添加數(shù)控設(shè)備后初始化的界面如圖4所示。

    一對多的客戶端，能同時(shí)顯示和操作多個(gè)數(shù)控設(shè)備的監(jiān)控界面，雙擊需要監(jiān)控的數(shù)控設(shè)備，即能彈出對應(yīng)數(shù)控設(shè)備的監(jiān)控界面，如圖5所示。

    每臺(tái)數(shù)控設(shè)備的參數(shù)管理界面主要顯示的是參數(shù)號、參數(shù)名和參數(shù)值等，其中參數(shù)號與參數(shù)名不支持用戶修改，參數(shù)值為用戶的編輯項(xiàng)，因而參數(shù)的顯示可使用兩個(gè)靜態(tài)文本控件和一個(gè)編輯框控件。但由于上述顯示方式中存在問題及不足，在人機(jī)界面的開發(fā)中，使用繼承自CListCtrl類的CReportCtrl類，在列表控件已有的功能基礎(chǔ)上封裝數(shù)據(jù)項(xiàng)的編輯功能，并提供一些操作的函數(shù)接口。使用列表控件顯示參數(shù)的界面如圖6所示。

    從圖中可以看出，使用列表形式顯示的參數(shù)可以方便的添加、刪除等，并且能盡可能多的顯示參數(shù)信息，界面的美觀性也得到提高。
    CReportCtrl 類中的SetEditable 函數(shù)，可以改變進(jìn)行修改操作的布爾型標(biāo)志變量的值，能方便的實(shí)現(xiàn)編輯操作只對參數(shù)值對應(yīng)列有效。CReportCtrl類中在編輯功能完成時(shí)，會(huì)向列表控件所在的父窗口發(fā)送一條消息，代碼如下：
    GetParent()－ ＞ SendMessage(WM_EDIT_COMMITTED，
   (WPARAM)m_ptEdittingx，(LPARAM)m_ptEdittingy);
    在父窗口中捕獲WM_EDIT_COMMITTED消息，在對應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)中編寫代碼，將編輯的參數(shù)值寫到緩存中，等待發(fā)送。在響應(yīng)函數(shù)中可以編寫任意參數(shù)值的寫緩存操作，因此在代碼量上有縮減，代碼重復(fù)率下降。

    6 結(jié)束語
    本文介紹的機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)采用windows環(huán)境PC上位機(jī)，通過socket流式套接字與linux環(huán)境的下位機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，圖形化、數(shù)字化地處理和顯示數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)及狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測等功能，解決了數(shù)控機(jī)床狀態(tài)以及故障等信息的遠(yuǎn)程傳輸問題，為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的無人化操作與監(jiān)控提供了基礎(chǔ)。