引言

　　隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，網(wǎng)絡控制技術越來越引起大家的重視。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是將計算機網(wǎng)絡技術和自動化控制技術結合起來，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡控制。

　　網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集機床技術、控制技術、通信技術、檢測技術、圖像技術、計算機軟件技術、網(wǎng)絡技術等于一體，通過Internet/Intranet對機床進行遠程監(jiān)控，可以使機床具有更大的柔性和可控性。網(wǎng)絡控制技術作為一種新興技術，已經引起了許多科研單位的廣泛關注[1～3]，多種類型的網(wǎng)絡控制技術正在得到研究和開發(fā)，有的基于Web通訊平臺[4～6]，有的利用Socket技術，還有的基于CORBA中間件技術等等，這必將給制造業(yè)的發(fā)展帶來一場有意義的變革。

　　本文介紹筆者開發(fā)的數(shù)控機床的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Windows2000為開發(fā)平臺，用VisualC++工具開發(fā)，采用WindowsSockets，實現(xiàn)了在局域網(wǎng)內對機床的實時監(jiān)控功能。

　　1、TCP/IP網(wǎng)絡通信的實現(xiàn)

　　1.1TCP/IP簡介

　　所謂TCP/IP只是一個簡稱，分別指網(wǎng)絡協(xié)議IP(InternetProtocol)及傳輸控制協(xié)議TCP(TransmissionControlProtocol)，是國際互聯(lián)網(wǎng)技術中兩個非常重要的通訊協(xié)議，適用于任何一組互聯(lián)網(wǎng)絡上的通訊。

　　TCP/IP的結構將網(wǎng)絡分成四個層次，分別是應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層。這將國際標準組織(ISO)制定的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模式(OSI)的七層傳輸參考模式中的一些層面合并，二者之間映射關系如圖1所示。

　　圖1 TCP/IP與OSI結構模型的映射關系

　　1.2WindowsSockets簡介

　　基于TCP/IP的網(wǎng)絡通信可以通過WindowsSockets來實現(xiàn)。套節(jié)字(socket)是一種通用的網(wǎng)絡編程接口，它是對通信端點的一種抽象，提供了一種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的機制。

　　套節(jié)字目前有兩種：數(shù)據(jù)報套節(jié)字(DatagramSockets)和流式套節(jié)字(StreamSockets)。我們采用流式套節(jié)字，因為流式套節(jié)字可以將數(shù)據(jù)按順序無重復地發(fā)送到目的地，它提供的是一種可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方式。

　　WindowsSockets提供給引用程序開發(fā)者一套簡單的應用程序接口，應用程序調用其接口函數(shù)實現(xiàn)相互之間的通信。此外WindowsSockets又利用下層的網(wǎng)絡通訊協(xié)議(如TCP/IP)功能和操作系統(tǒng)實現(xiàn)實際的通訊工作。它們之間的關系如圖2所示。

　　圖2 應用程序與Sockets的關系

　　1.3流式套節(jié)字的使用方法

　　流式套節(jié)字的使用方法是基于連接的協(xié)議，在傳輸、接收數(shù)據(jù)之前必須先建立連接，然后才能從數(shù)據(jù)流中讀出數(shù)據(jù)。

　　首先服務器要創(chuàng)建一個用于偵聽的套節(jié)字，為該套節(jié)字分配地址之后，調用listen()函數(shù)使它處于偵聽狀態(tài)；客戶機在創(chuàng)建套節(jié)字完畢后，為套節(jié)字分配地址，然后調用connect()函數(shù)，請求與服務器套節(jié)字連接；服務器套節(jié)字在收到客戶機的連接請求后，調用accept()函數(shù)，該函數(shù)創(chuàng)建一個用于連接的套節(jié)字。應用該套節(jié)字和客戶機上的連接套節(jié)字，就可以在服務器和客戶機之間進行數(shù)據(jù)傳輸了。在結束傳輸之后，雙方調用closesocket()函數(shù)關閉套節(jié)字。其使用方法如圖3所示。

　　圖3 流式套節(jié)字通信流程

　　2、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　2.1網(wǎng)絡控制系統(tǒng)原理

　　網(wǎng)絡控制系統(tǒng)軟件運行在客戶機上，客戶機通過局域網(wǎng)和服務器連接。機床的數(shù)控系統(tǒng)在服務器中運行，首先啟動服務器的本機數(shù)控系統(tǒng)，進行初始設置后，進入網(wǎng)絡控制狀態(tài)，打開偵聽套節(jié)字，等待客戶機的連接請求，待收到客戶機的連接請求后，對聯(lián)機信息進行驗證，如果符合聯(lián)機條件，則和客戶機建立連接，雙方可以互相發(fā)送和接收信息或指令。服務器的數(shù)控系統(tǒng)在網(wǎng)絡控制狀態(tài)下可以利用CCD實時采集機床加工狀態(tài)圖像和參數(shù)，將圖像以位圖格式保存并定時發(fā)送到客戶機顯示加工狀態(tài)，將狀態(tài)參數(shù)實時發(fā)送到客戶機。在客戶機的遠程控制系統(tǒng)軟件中可以編輯數(shù)控加工代碼，然后將數(shù)控代碼傳遞到服務器中，并下載到PMAC上等待控制指令。從客戶機向服務器發(fā)送機床加工控制指令，控制機床運轉，同時接收服務器發(fā)送的信息，動態(tài)監(jiān)視機床加工情況。通過遠程控制程序，客戶機還可在線修改機床加工參數(shù)，并能調試機床。

　　2.2網(wǎng)絡控制系統(tǒng)硬件結構

　　數(shù)控機床的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)采用模塊化的硬件結構，數(shù)控系統(tǒng)采用“PC+NC”結構，PC機采用奔4主機，NC部分采用開放式多軸運動控制器PMAC2-PCI；網(wǎng)絡系統(tǒng)采用“服務器+客戶機”方式，數(shù)控系統(tǒng)運行在服務器上，網(wǎng)絡控制軟件運行在客戶機上，服務器和客戶機通過網(wǎng)卡和通信電纜連接在Intranet/Internet上，數(shù)控機床上安裝CCD攝像頭，用來監(jiān)視機床加工情況，并通過圖像采集卡，將機床的運轉情況實時采集保存。該系統(tǒng)硬件結構如圖4所示。

　　圖4 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)硬件結構

　　2.3網(wǎng)絡控制系統(tǒng)軟件設計

　　友好的人機界面對于任何控制系統(tǒng)是不可缺少的。本系統(tǒng)界面設計采用Windows編程中的分隔視技術，將數(shù)控系統(tǒng)人機界面分成二個子窗口。左邊的窗口為圖像顯示窗口，實現(xiàn)機床加工過程的圖像監(jiān)視；右邊的窗口為網(wǎng)絡控制窗口，實現(xiàn)網(wǎng)絡聯(lián)機與斷開、加工代碼編輯及發(fā)送、機床加工狀態(tài)參數(shù)顯示、機床在線網(wǎng)絡調試等功能。

　　軟件設計的關鍵是數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳遞，為了保證數(shù)據(jù)及時傳遞，在軟件設計中采用了多線程技術，專門建立一個線程對采集的機床數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡傳遞。該系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。數(shù)控代碼在客戶機上編輯好之后，可以一次性傳遞給服務器，服務器將數(shù)控代碼保存到內存中，然后在編譯執(zhí)行數(shù)控代碼?？刂浦噶畹膫鬟f可以隨時從客戶機傳遞到服務器，服務器接到指令后立即執(zhí)行。對于機床加工圖像和狀態(tài)參數(shù)的傳遞則要復雜一些。在服務器上，數(shù)控系統(tǒng)通過CCD攝像頭實時采集加工圖像，利用定時器在每一個周期內將圖像保存為位圖文件，然后將位圖文件通過網(wǎng)絡傳遞到客戶機上，客戶機在接收完每一個位圖文件后，用定時器在每一個周期在圖像顯示窗口進行刷新顯示，使加工圖像保持連續(xù)性。同時服務器上的數(shù)控系統(tǒng)實時采集機床狀態(tài)參數(shù)，利用定時器每一個周期將以一定格式的數(shù)據(jù)傳遞到客戶機，客戶機對數(shù)據(jù)進行接收后分析，再用定時器在一個周期內對狀態(tài)參數(shù)進行更新顯示。為了避免位圖數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)在傳遞時的混亂現(xiàn)象，在服務器端采用中斷方法，在傳遞圖像數(shù)據(jù)時中斷參數(shù)數(shù)據(jù)的傳遞，等圖像數(shù)據(jù)傳遞完之后再傳遞參數(shù)數(shù)據(jù)，這樣就很好的解決了在數(shù)據(jù)傳遞過程中的占用通道的矛盾問題。

　　圖5 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)軟件流程圖

　　軟件在運行過程中圖像顯示和參數(shù)更新會存在一定的滯后性，這與網(wǎng)絡傳遞的速度以及數(shù)據(jù)量的大小有一定關系。

　　3、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)演示

　　圖6為開發(fā)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在局域網(wǎng)內對機床加工進行網(wǎng)絡監(jiān)控的演示情況。通過試驗可以看出，控制命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳遞實時性較好，可以滿足實際控制的需要；加工狀態(tài)的圖像顯示刷新速度較慢，實時性稍差，圖像顯示具有跳躍性，需要進一步提高圖像顯示的流暢性。

　　圖6 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)遠程監(jiān)控演示界面

　　4、結論

　　本文具體介紹了一套應用于數(shù)控機床的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，基于TCP/IP通訊協(xié)議，利用Socket(套節(jié)字)，建立服務器/客戶機模式，裝有數(shù)控系統(tǒng)的主機作為服務器，網(wǎng)絡控制端作為客戶機。通過客戶機對數(shù)控機床進行網(wǎng)絡控制和調試，可以使機床具有更大的柔性和可控性。該系統(tǒng)可以異地實時操作機床，基本達到動態(tài)調試和監(jiān)控機床運轉情況的目的，為機床控制和調試技術提供了高效的途徑，具有一定的實用性和價值。