CS的數(shù)控設備監(jiān)控系統(tǒng)

1、C/S的數(shù)控設備監(jiān)控系統(tǒng)     本文作者：鄭魁敬，袁磊，周鑫 單位：燕山大學機械工程學院網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用，大大擴展了企業(yè)的制造和銷售范圍，基于Internet/Intranet的全球制造已經(jīng)成為現(xiàn)代制造技術的發(fā)展趨勢1。網(wǎng)絡數(shù)控通過網(wǎng)絡對多臺數(shù)控設備進行綜合管理和控制，完成數(shù)控程序傳輸、設備狀態(tài)監(jiān)控、信息管理和交換等功能23。目前，我國企業(yè)擁有的數(shù)控設備利用率偏低，在數(shù)控設備的程序傳輸和信息管理方面也存在著不足45，如數(shù)控資源分配不均、NC程序傳輸不暢、程序管理混亂、車間的信息化水平低等。因此，實施數(shù)控設備網(wǎng)絡化制造6，可提高數(shù)控設備的利用率，提高

2、數(shù)控設備的管理水平，提高車間的信息化水平，優(yōu)化整合生產(chǎn)資源。文中開發(fā)了一種基于以太網(wǎng)的數(shù)控設備監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)和數(shù)控設備連接，可對數(shù)控設備進行遠程監(jiān)控，進行數(shù)控程序的傳輸和管理，共享服務器數(shù)據(jù)庫信息，查詢和管理數(shù)控設備信息，制定和管理零件工藝流程信息等。1網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建方案網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)硬件主要包括:服務器主機、數(shù)控設備、I/O接口、通信單元、數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)等。通訊軟件安裝在服務器計算機上，能與數(shù)控設備實現(xiàn)特定通訊并響應客戶端請求。數(shù)控設備提供的通訊接口決定了網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)所能實現(xiàn)的功能。目前比較常見的接口710主要有串行通訊接口、專用接口、網(wǎng)絡接口。針對以上各種接口，可以確定聯(lián)網(wǎng)方案:

3、對于具有串行通訊接口的數(shù)控設備，通過串口服務器進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后連到以太網(wǎng)交換機;對于具有網(wǎng)絡接口的數(shù)控設備，將其直接接入互聯(lián)網(wǎng)，然后將網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)主機作為服務器通過HUB連入局域網(wǎng)，也可以同時連入幾臺客戶機，作為信息查詢和輸入的終端。如圖1所示，該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)共分為3層:車間層、DNC主機層和數(shù)控設備層。DNC主機相當于車間局域網(wǎng)和數(shù)控設備網(wǎng)之間交換數(shù)據(jù)的紐帶，既要負責和設備網(wǎng)進行通訊，采集數(shù)控設備的數(shù)據(jù)，向數(shù)控設備發(fā)送和接收NC程序，監(jiān)控設備運行狀態(tài);又要負責和車間局域網(wǎng)內(nèi)客戶端計算機進行通訊，響應客戶端的請求，提供上傳NC程序，編制和查詢零件工藝路線等服務。由于采用客戶端/服務器結(jié)構(gòu)，管理人

4、員使用車間局域網(wǎng)內(nèi)的任意計算機都可以登錄服務器進行數(shù)據(jù)的查詢和管理操作，了解設備的運行情況，從而實現(xiàn)了信息和設備的網(wǎng)絡集成。這種結(jié)構(gòu)很容易和互聯(lián)網(wǎng)相連接，實現(xiàn)進一步的網(wǎng)絡擴展。2網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)主機軟件功能設計網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)主機軟件分為4個子功能系統(tǒng):通訊管理子系統(tǒng)、數(shù)控設備管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和網(wǎng)絡監(jiān)控子系統(tǒng)，如圖2所示。21通訊管理子系統(tǒng)該部分主要負責建立服務器和各客戶端的連接。服務器在指定端口監(jiān)聽連接請求，每當接收到一個請求就要啟動一個新的線程來維持和該客戶端的通訊，因此需要采用面向連接的、并發(fā)的軟件結(jié)構(gòu)。流式套接字提供了一種可靠的、面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方法，數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)絡間無差錯、無重復的

5、發(fā)送，而且按照發(fā)送時的順序進行接收，因此采用流式套接字可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。由于系統(tǒng)服務器需要同時和多個客戶端進行數(shù)據(jù)交換，因此需要采用Windows的多線程編程技術，使用該技術，操作系統(tǒng)會將CPU時間劃分成許多個時間片，并按一定的優(yōu)先級將時間片分配給各線程，各線程在各自的時間片內(nèi)共享CPU，從而形成并發(fā)多任務運行機制，通過互斥對象來實現(xiàn)各線程之間同步。主要功能有網(wǎng)絡連接、文件傳輸、視頻采集和傳輸。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式主要有文字、文件和圖像數(shù)據(jù)。22數(shù)控設備管理子系統(tǒng)由于連接的數(shù)控設備既有串行接口的，也有網(wǎng)絡接口的，因此開發(fā)的系統(tǒng)要能兼容這兩種接口。具有串口的數(shù)控設備通過串口服務器經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換可

6、以轉(zhuǎn)換成RJ45接口接入局域網(wǎng)，通過串口映射技術可以將串口服務器上的串口映射成為Windows系統(tǒng)下的標準串口進行操作。一臺計算機最多可以映射256臺串口服務器，足夠滿足大多數(shù)企業(yè)需要。串口編程可通過Win32API函數(shù)開發(fā)。這種方法雖然編程比較復雜，但是具有很強的靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)較為復雜的串口通信。用Win32API函數(shù)進行串口編程順序為:(1)打開串口，即指定要打開的串口號、打開串口的方式;(2)配置串口參數(shù)，主要包括串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗方式等;(3)讀寫串口，通過串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。(4)關閉串口，使用完串口后要關閉串口。由于從串口傳來的數(shù)據(jù)是隨機的，因此要首先建立一個

7、事件線程，用來監(jiān)視串口中發(fā)生的事件。當串口輸入緩沖區(qū)接收到字符時，調(diào)用接收消息函數(shù)接收來自串口的數(shù)據(jù)。對于具有網(wǎng)絡接口的數(shù)控設備，首先將網(wǎng)線插入設備網(wǎng)絡接口，在設備端設置好在局域網(wǎng)的IP地址、網(wǎng)關、端口號等參數(shù)，然后網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)主機向該IP地址發(fā)送連接請求獲取到通訊所需的設備句柄，這樣每個句柄就對應一個數(shù)控設備，通過調(diào)用開發(fā)包函數(shù)獲取所需信息。23數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)由于系統(tǒng)在運行過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括服務器的運行信息、和客戶端的交互信息、零件的生產(chǎn)加工工藝信息、設備的運行狀態(tài)信息及NC程序信息等，需要對這些信息進行管理和保存。文中選擇SQLServer數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫訪問采用DAO(數(shù)

8、據(jù)訪問對象)方法。為實現(xiàn)程序模塊化和代碼重用，編寫一個CSqlServer類封裝數(shù)據(jù)庫初始化和數(shù)據(jù)管理功能。該類封裝主要功能有:連接數(shù)據(jù)源、建立各所需表、向各表中插入數(shù)據(jù)、執(zhí)行SQL語句等。需要采取如下過程實現(xiàn)操作數(shù)據(jù)源中數(shù)據(jù):(1)初始化COM環(huán)境。(2)創(chuàng)建一個Connection對象并打開到數(shù)據(jù)源的連接。Connection對象定義了用于連接的字符串信息，包括數(shù)據(jù)源名稱、用戶ID、口令、連接超時、缺省數(shù)據(jù)庫及光標的位置。(3)執(zhí)行一個SQL語句。成功連接數(shù)據(jù)源后，就可以運行查詢等功能語句了，可以通過Connection對象的Execute()函數(shù)來實現(xiàn)。(4)使用Recordset對象打

9、開記錄集。執(zhí)行SQL語句的結(jié)果保存在Recordset對象中，需要對該對象進行操作來達到我們需要的數(shù)據(jù)。(5)關閉到數(shù)據(jù)源的連接。通過Connection對象的Close方法實現(xiàn)。當用戶啟動應用程序的時候，程序首先搜索數(shù)據(jù)庫中是否存在程序運行所需的表，若不存在，要先執(zhí)行創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫中表的任務。需要建立9張表:(1)客戶端連接信息表;(2)設備信息表;(3)消息信息表;(4)NC程序信息表;(5)接收文件信息表;(6)發(fā)送文件信息表;(7)零件信息表;(8)服務器日志信息表;(9)零件工藝信息表。通過任意一個客戶端登陸到服務器就能獲得數(shù)據(jù)庫中數(shù)控設備信息、故障信息、NC程序信息等，并可根據(jù)需要對其

10、進行添加、修改、刪除等操作。數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)界面如圖4所示。24網(wǎng)絡監(jiān)控子系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)正朝著開放性方向發(fā)展，采用通用高性能計算機和通用操作系統(tǒng)的數(shù)控設備具有極強的接口性能。開放式系統(tǒng)對TCP/IP協(xié)議的支持使得對該類數(shù)控設備聯(lián)網(wǎng)變得簡單，軟件開發(fā)只需要考慮C/S模式下的數(shù)據(jù)交換。由于開放式系統(tǒng)采用通用操作系統(tǒng)，因此可以共享通用PC機的軟件資源。首先被控端要建立到主控計算機的連接，該部分可以通過socket實現(xiàn)。連接建立后就可以按事先約定好的規(guī)則進行通訊，控制類指令采取小寫字母前加“#”的形式。如當點擊遠程加工按鈕時，控制計算機向被控端發(fā)送數(shù)據(jù)“#re-moteprocess”。接收端首先判斷接收數(shù)

11、據(jù)前三位，若為“#”說明是控制類指令，接著判斷后面字符，若為“remoteprocess”，準備接收網(wǎng)絡NC程序，并根據(jù)程序進行自動加工任務，若指令為“#stop”，則通知被控端停止加工，指令“#X+”通知被控端執(zhí)行X軸正向進給一個脈沖的操作。通過網(wǎng)絡實現(xiàn)的控制功能包括遠程加工、停止、各坐標軸正反向進給等。對于遠程監(jiān)控系統(tǒng)來說，需要通過攝像頭獲取加工現(xiàn)場的視頻信息并通過網(wǎng)絡傳輸給監(jiān)控端，并據(jù)此進行相應的判斷和處理。由于視頻的采集和傳輸同時進行，因此要同時開啟兩個線程分別進行采集和傳輸工作。視頻的采集可以利用攝像頭所帶的函數(shù)庫進行開發(fā)。為了提高網(wǎng)絡傳送速度，圖像發(fā)送前要先壓縮，如果正在執(zhí)行發(fā)送操

12、作，則圖像采集線程只采集不壓縮;如果發(fā)送過程已經(jīng)結(jié)束，則執(zhí)行壓縮、發(fā)送任務?？吹降囊曨l一般由一幀一幀連續(xù)的圖像構(gòu)成，圖像的數(shù)據(jù)量很大，對于一張分辨率為376×240的彩色圖片來說，其數(shù)據(jù)量大概有270kB。如果原始圖像數(shù)據(jù)不經(jīng)過壓縮，通過網(wǎng)絡是無法流暢地進行傳輸?shù)?，看到的可能只是斷續(xù)的一張張圖片而已，因此在進行網(wǎng)絡傳輸之前首先要對圖片進行壓縮。因此需要設計兩個不同的線程，一個線程負責圖像的采集和壓縮，另一個線程負責圖像的傳輸。圖像的采集是不停的進行的，但是圖像的壓縮不是。當圖像壓縮完一幀時，發(fā)送線程執(zhí)行將其發(fā)送出去的任務，在發(fā)送的過程中圖像的采集仍在繼續(xù)，但是采集的圖像沒有進行壓縮和

13、保存。在圖像傳輸線程中，使用一個while循環(huán)不斷地執(zhí)行圖像發(fā)送任務。同時引入兩個布爾類型全局變量Stop和IsSending，來協(xié)調(diào)壓縮和發(fā)送工作同時進行。圖像采集與發(fā)送流程如圖5所示。3系統(tǒng)可靠性分析系統(tǒng)的可靠性方面主要包含硬件設備運行的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?1硬件設備運行的可靠性分析由于粉塵、電磁干擾、溫度、濕度等都會對網(wǎng)絡系統(tǒng)穩(wěn)定運行構(gòu)成威脅，因此對數(shù)控設備進行聯(lián)網(wǎng)需要考慮工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境條件。工業(yè)以太網(wǎng)標準對網(wǎng)絡設備的要求比民用更高，在耐腐性、防塵、防水、加固等方面都有自己的要求，其安裝方式和工作溫度也和民用產(chǎn)品大不相同，通過使用雙電源供電，保證設備的穩(wěn)定運行。此外，在工

14、業(yè)以太網(wǎng)的設計中，還可以采取其他的方法來提高工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性，如可以采用冗余設計，為以太網(wǎng)配備硬件和鏈路冗余，當網(wǎng)絡中的設備或某一天鏈路發(fā)送故障停止工作時，配備的冗余設備和鏈路能立即接管所有的傳輸任務。此外，還可以采用抗干擾性更強的屏蔽雙絞線或光纖來取代非屏蔽雙絞線，進一步提高鏈路的抗干擾能力;或采用總線供電技術，來提高工業(yè)以太網(wǎng)的防爆能力。32數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑治鰯?shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸過程中，往往會碰到傳輸可靠性問題。如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，是需要考慮的問題。安全性問題可以分為內(nèi)部安全和外部安全兩種。內(nèi)部安全面臨的主要是公司內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi)的潛在風險，如有時數(shù)據(jù)可能會被發(fā)送到局域網(wǎng)內(nèi)的所有計算機，從

15、而可能造成信息的泄露;服務器計算機連在局域網(wǎng)上也會收到大量的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，如果這些數(shù)據(jù)剛好和服務器控制指令相吻合，就有可能會觸發(fā)服務器對設備的某些控制操作，引起不可預知的后果。外部安全指的是面臨來自互聯(lián)網(wǎng)的威脅，公司局域網(wǎng)要和互聯(lián)網(wǎng)相連，因此面臨著來自互聯(lián)網(wǎng)的攻擊和風險。對于內(nèi)部安全，可以通過將辦公網(wǎng)和設備網(wǎng)隔離、架設防火墻等措施來解決。對于外部威脅，可以采取數(shù)據(jù)加密技術、數(shù)字簽名技術、訪問控制技術等解決。文中采用DES算法對數(shù)據(jù)進行加密。數(shù)據(jù)發(fā)送前進行加密、接收后進行解密，當接收數(shù)據(jù)端沒有得到授權時得到的數(shù)據(jù)就是加密后的亂碼，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴ES算法封裝到一個自定義類CDES中，可

16、以更好地實現(xiàn)類的重用和使用的方便性。下面以加密為例對DES算法的編程實現(xiàn)進行簡單說明，其流程如圖6所示。(1)將8字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成64位數(shù)據(jù)。由于應用程序使用的數(shù)據(jù)都是以字節(jié)為單位的，而DES算法是針對位來進行操作的，所以在加密前首先要將其轉(zhuǎn)換為位數(shù)據(jù)。(2)對得到的64位明文X進行一次初始置換IP，從而得到X0。這一步的主要目的是打亂數(shù)據(jù)原來的次序。它可以把X的第58位移到第1位，將第50位移到第2位，依次進行置換。(3)將置換得到的X0分成左右兩部分，左邊記為L0，右邊為R0。對R0實行子密鑰K1控制下的f變換，將f變換的到的結(jié)果再與L0進行逐位異或運算，得到的結(jié)果記為下一輪迭代的R1，而原

17、來的R0則作為下一輪迭代的L1。這樣依次進行16輪迭代，得到結(jié)果R16L16。(4)將16輪迭代的結(jié)果R16L16施行初始逆置換IP1，最后得到的結(jié)果就是加密后的密文。(5)將得到的64位密文轉(zhuǎn)換成8字節(jié)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)就是加密后的結(jié)果，可以進行網(wǎng)絡傳輸了，如果接收端沒有使用正確的密鑰進行解密，那么接收到的就不是所需要的數(shù)據(jù)，而是亂碼。在PC機上測得DES算法加/解密速度大約為12萬次/s。即使按每秒可以猜測100萬個密鑰來計算，使用PC機破解DES算法也需要2285a，因此DES算法還是非常安全的。4系統(tǒng)實時性分析通過網(wǎng)絡對設備進行遠程控制，實時性非常重要。這里的實時性不是說平均響應時間越小越好

18、，而是要求網(wǎng)絡的最大響應時間要滿足一定要求。一般來說，過程控制網(wǎng)絡響應時間要求為00105s，制造自動化網(wǎng)絡響應時間要求為0510s。文中是基于以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)技術，而以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制(MAC)層協(xié)議采用的是帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問(CSMA/CD)方式，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)的響應時間一般是不固定的。以端到端數(shù)據(jù)傳輸為例，造成的數(shù)據(jù)延時包括報文經(jīng)過發(fā)送端網(wǎng)卡需要的時間，報文的排隊延時，報文的轉(zhuǎn)發(fā)延時，報文的傳輸延時，以及報文經(jīng)過接收端網(wǎng)卡需要的時間。造成以太網(wǎng)延時的主要是排隊延時和轉(zhuǎn)發(fā)延時，其中排隊延時所占的比例最大。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)在網(wǎng)絡負荷比較重時，其響應時間不具有確定性，難以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡的要求。隨著硬件技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，以太網(wǎng)的通信技術和通信速率也在不斷進步。通過采用新技術對傳統(tǒng)以太網(wǎng)進行改進，以太網(wǎng)完全可以滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡的要求，如提高網(wǎng)絡帶寬，采用全雙工交換式以太網(wǎng)技術取代原來傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)技術，限制網(wǎng)絡負載，改進工業(yè)以太網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)等。通過對工業(yè)以太網(wǎng)進行合理的設計，現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)可以實現(xiàn)傳輸