1 引言
    數控系統的網(wǎng)絡(luò )監控，通常以網(wǎng)絡(luò )為媒介，實(shí)現數控系統與系統外的其它控制系統或計算機的通訊。計算機等上位機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現對數控設備的遠程控制和無(wú)人化操作、遠程加工程序的傳輸、遠程診斷和遠程維修服務(wù)、技術(shù)服務(wù)。
    網(wǎng)絡(luò )化數控裝備是近年來(lái)的一個(gè)新亮點(diǎn)。國外的一些著(zhù)名數控機床和數控系統制造公司推出了相關(guān)的概念和樣機，例如德國西門(mén)子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(開(kāi)放制造環(huán)境，簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)CPC)等，反映了數控機床加工向網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展的動(dòng)向。國內在網(wǎng)絡(luò )化數控裝備方面的研究也取得了一定的進(jìn)展。武漢華中數控股份有限公司研制開(kāi)發(fā)的華中世紀星(HNC-21M)銑削數控裝置就是具有網(wǎng)絡(luò )功能的數控產(chǎn)品，可以利用以太網(wǎng)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信。
    本文主要設計了一款遠程監控平臺，實(shí)現PC 機與DNC-11數控系統間的網(wǎng)絡(luò )通訊，實(shí)現機床加工狀態(tài)、機床參數及故障診斷等多信息交互和融合，使操作人員能通過(guò)PC機上的人機界面監控數控機床的運行狀態(tài)，查閱其加工歷史信息或進(jìn)行相關(guān)故障診斷，為未來(lái)數控機床網(wǎng)絡(luò )化管理、物聯(lián)網(wǎng)建設等提供良好的平臺服務(wù)。

    2 監控平臺總體結構設計
    遠程監控平臺是由一臺PC機、一個(gè)集線(xiàn)器、若干個(gè)DNC-11數控系統連接機床而成，形成一個(gè)星形的拓撲結構。遠程監控平臺的總體結構如圖1所示。 

    本平臺是客戶(hù)機/服務(wù)器模式，即C/S模式。特殊之處在于客戶(hù)端與服務(wù)器之間是一對多的關(guān)系，即一個(gè)客戶(hù)端可與多個(gè)服務(wù)器之間進(jìn)行通訊。
    PC 機作為客戶(hù)端，用戶(hù)通過(guò)操作HMI(即人機界面)向服務(wù)器端發(fā)起通訊請求和服務(wù)請求，并通過(guò)自定義的數據包格式完成機床狀態(tài)信息和控制信息的交互，最終圖形化、數字化地顯示在HMI上。DNC-11為服務(wù)器端，在接到客戶(hù)端請求后提供相應的服務(wù)。DNC-11是帶有網(wǎng)絡(luò )功能的數控系統，能夠提供基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )通訊服務(wù)，可以將數控系統的運行狀態(tài)數據采集后周期上傳，也可以接收控制指令進(jìn)行相關(guān)的控制動(dòng)作。
    本平臺采用上下位機的結構，將實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)分配給下位機，將實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)分配給上位機PC。PC端運行監控平臺應用程序，通過(guò)通訊服務(wù)接口與DNC-11等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通訊，實(shí)現顯示監測結果、圖形及機床加工軌跡，遠程發(fā)送控制指令，修改設置機床參數等功能。

    3 監控平臺應用軟件的設計
    遠程監控平臺應用程序的總體結構包括設備層、數據通訊服務(wù)層、核心功能層和應用訪(fǎng)問(wèn)層。軟件分層結構如圖2所示。軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)現主要集中在數據通訊服務(wù)層和核心功能層。

    數據通訊服務(wù)層主要提供參數服務(wù)、命令服務(wù)和文件服務(wù)等。參數服務(wù)是為上層提供讀取/修改DNC-11 的參數數據的服務(wù)。命令服務(wù)是為上層提供遠程控制的服務(wù)，將命令組裝成相應命令報文，通過(guò)以太網(wǎng)向DNC-11傳輸，DNC-11會(huì )根據解析報文后得到的操作命令來(lái)執行用戶(hù)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)現的功能劃分為三類(lèi)：設備管理、實(shí)時(shí)監測和在線(xiàn)測試。設備管理具體包括數控機床的參數管理，數控機床的遠程控制，數控機床的加工程序管理，數控機床設備信息管理等。實(shí)時(shí)監測主要指數控機床運行狀態(tài)監測，各軸狀態(tài)監測，PLC狀態(tài)監測，以及數控機床關(guān)鍵部位監測等。在線(xiàn)測試包括數控機床故障模擬測試等。

    4 網(wǎng)絡(luò )通訊接口的設計
    在本文設計的監控平臺中，網(wǎng)絡(luò )通信作為數據傳輸唯一通道，是整個(gè)監控平臺的信息支撐。監控平臺對通訊接口設計的功能需求主要有：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；數據的接收和發(fā)送。
    遠程監控平臺是基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議開(kāi)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(hù)數據報協(xié)議UDP。在數據完整性和準確性要求較高的場(chǎng)合，采用TCP協(xié)議；在實(shí)時(shí)性要求較高且數據完整性要求較低的場(chǎng)合，采用UDP協(xié)議。UDP通信不需要建立連接，并且沒(méi)有數據確認和重傳機制，因此實(shí)時(shí)性較高。但在數控機床遠程監控平臺的通訊中，各功能模塊對數據完整性的要求較高，因而采用TCP傳輸協(xié)議開(kāi)發(fā)。
    Windows Sockets是從Berkeley Sockets擴展而來(lái)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(hù)使用。Socket的出現，使用戶(hù)可以很方便的訪(fǎng)問(wèn)TCP /IP，從而開(kāi)發(fā)各種網(wǎng)絡(luò )應用程序。Windows Sockets與協(xié)議無(wú)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(lái)為上層應用程序完成網(wǎng)絡(luò )數據通信，而不必關(guān)心底層網(wǎng)絡(luò )鏈路的通信情況，能真正實(shí)現底層網(wǎng)絡(luò )通信對應用程序的透明。
    Windows Sockets主要支持三種套接字類(lèi)型，分別為：流式套接字(SOCK_STREAM)、數據報式套接字(SOCK_DGRAM)、原始式套接字(SOCK_RAM)。
    根據采用的通訊協(xié)議，并考慮到對通信可靠性和正確性的要求較高，本監控平臺選用流式套接字來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通訊?；贑lient /Server模式的流式套接字通訊過(guò)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地址和遠端IP 地址的賦值、變量的初始化、套接字的加載和緩沖區的分配等。
    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 )連接處理是根據不同的連接狀態(tài)，客戶(hù)端和服務(wù)器端執行相應的操作。
    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(guò)變量的當前值返回網(wǎng)絡(luò )連接的狀態(tài)。
    Send 和Receive是發(fā)送/接收數據接口。數據的收發(fā)就是調用socket API來(lái)接收和發(fā)送數據?？蛻?hù)端是一對多的，要將接收的數據根據不同的設備號存入不同的緩沖區；服務(wù)器端超過(guò)設定的時(shí)間未發(fā)送成功則進(jìn)行重發(fā)。
    平臺中作為客戶(hù)端的PC機能夠同時(shí)與多臺在線(xiàn)服務(wù)器端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接，因而采用多線(xiàn)程技術(shù)，對每臺設備開(kāi)一條獨立的通信線(xiàn)程。通信線(xiàn)程中調用相應的通訊接口，通過(guò)檢測標識位，滿(mǎn)足條件時(shí)發(fā)送緩存中已寫(xiě)入的數據，并當接收到的數據包長(cháng)度大于零時(shí)，調用數據包的解析函數，將解析出來(lái)的有效數據傳遞給HMI 或者存儲到相應數據緩存區。在成功完成通訊的基礎上，實(shí)現參數的發(fā)送和接收需要考慮的是參數信息的存取、維護，以及數據包的組包和解析。
    5 HMI功能實(shí)現
    根據對數據通訊服務(wù)層和核心功能層的分析，遠程監控平臺人機界面要實(shí)現的功能有參數服務(wù)功能、命令服務(wù)功能、文件服務(wù)功能等。各功能實(shí)現的流程類(lèi)似，采用的具體方法存在差異，本文主要介紹參數服務(wù)功能的實(shí)現。
    運行應用程序，進(jìn)入監控平臺，添加數控設備后初始化的界面如圖4所示。

    一對多的客戶(hù)端，能同時(shí)顯示和操作多個(gè)數控設備的監控界面，雙擊需要監控的數控設備，即能彈出對應數控設備的監控界面，如圖5所示。

    每臺數控設備的參數管理界面主要顯示的是參數號、參數名和參數值等，其中參數號與參數名不支持用戶(hù)修改，參數值為用戶(hù)的編輯項，因而參數的顯示可使用兩個(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(wèn)題及不足，在人機界面的開(kāi)發(fā)中，使用繼承自CListCtrl類(lèi)的CReportCtrl類(lèi)，在列表控件已有的功能基礎上封裝數據項的編輯功能，并提供一些操作的函數接口。使用列表控件顯示參數的界面如圖6所示。

    從圖中可以看出，使用列表形式顯示的參數可以方便的添加、刪除等，并且能盡可能多的顯示參數信息，界面的美觀(guān)性也得到提高。
    CReportCtrl 類(lèi)中的SetEditable 函數，可以改變進(jìn)行修改操作的布爾型標志變量的值，能方便的實(shí)現編輯操作只對參數值對應列有效。CReportCtrl類(lèi)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，在對應的響應函數中編寫(xiě)代碼，將編輯的參數值寫(xiě)到緩存中，等待發(fā)送。在響應函數中可以編寫(xiě)任意參數值的寫(xiě)緩存操作，因此在代碼量上有縮減，代碼重復率下降。

    6 結束語(yǔ)
    本文介紹的機床遠程監控平臺采用windows環(huán)境PC上位機，通過(guò)socket流式套接字與linux環(huán)境的下位機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )數據交互，圖形化、數字化地處理和顯示數控系統的參數及狀態(tài)等信息，實(shí)現了遠程控制和遠程監測等功能，解決了數控機床狀態(tài)以及故障等信息的遠程傳輸問(wèn)題，為實(shí)現數控機床的無(wú)人化操作與監控提供了基礎。