0 引言
     
數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡監(jiān)控，通常以網(wǎng)絡為媒介，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與系統(tǒng)外的其它控制系統(tǒng)或計算機的通訊。計算機等上位機通過網(wǎng)絡來實現(xiàn)對數(shù)控設備的遠程控制和無人化操作、遠程加工程序的傳輸、遠程診斷和遠程維修服務、技術服務。

網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近年來的一個新亮點。國外的一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司推出了相關的概念和樣機，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)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的動向。國內在網(wǎng)絡化數(shù)控裝備方面的研究也取得了一定的進展。武漢華中數(shù)控股份有限公司研制開發(fā)的華中世紀星(HNC-21M)銑削數(shù)控裝置就是具有網(wǎng)絡功能的數(shù)控產(chǎn)品，可以利用以太網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。

本文主要設計了一款遠程監(jiān)控平臺，實現(xiàn)PC 機與DNC-11數(shù)控系統(tǒng)間的網(wǎng)絡通訊，實現(xiàn)機床加工狀態(tài)、機床參數(shù)及故障診斷等多信息交互和融合，使操作人員能通過PC機上的人機界面監(jiān)控數(shù)控機床的運行狀態(tài)，查閱其加工歷史信息或進行相關故障診斷，為未來數(shù)控機床網(wǎng)絡化管理、物聯(lián)網(wǎng)建設等提供良好的平臺服務。

1 監(jiān)控平臺總體結構設計
  
遠程監(jiān)控平臺是由一臺PC機、一個集線器、若干個DNC-11數(shù)控系統(tǒng)連接機床而成，形成一個星形的拓撲結構。遠程監(jiān)控平臺的總體結構如圖1所示。

本平臺是客戶機/服務器模式，即C/S模式。特殊之處在于客戶端與服務器之間是一對多的關系，即一個客戶端可與多個服務器之間進行通訊。

PC 機作為客戶端，用戶通過操作HMI(即人機界面)向服務器端發(fā)起通訊請求和服務請求，并通過自定義的數(shù)據(jù)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(shù)字化地顯示在HMI上。DNC-11為服務器端，在接到客戶端請求后提供相應的服務。DNC-11是帶有網(wǎng)絡功能的數(shù)控系統(tǒng)，能夠提供基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通訊服務，可以將數(shù)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集后周期上傳，也可以接收控制指令進行相關的控制動作。
  
本平臺采用上下位機的結構，將實時性要求高的任務分配給下位機，將實時性要求不高的任務分配給上位機PC。PC端運行監(jiān)控平臺應用程序，通過通訊服務接口與DNC-11等進行網(wǎng)絡通訊，實現(xiàn)顯示監(jiān)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(shù)等功能。
 
2 監(jiān)控平臺應用軟件的設計
   
遠程監(jiān)控平臺應用程序的總體結構包括設備層、數(shù)據(jù)通訊服務層、核心功能層和應用訪問層。軟件分層結構如圖2所示。軟件的開發(fā)實現(xiàn)主要集中在數(shù)據(jù)通訊服務層和核心功能層。

數(shù)據(jù)通訊服務層主要提供參數(shù)服務、命令服務和文件服務等。參數(shù)服務是為上層提供讀取/修改DNC-11 的參數(shù)數(shù)據(jù)的服務。命令服務是為上層提供遠程控制的服務，將命令組裝成相應命令報文，通過以太網(wǎng)向DNC-11傳輸，DNC-11會根據(jù)解析報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。
   
核心功能層將具體實現(xiàn)的功能劃分為三類：設備管理、實時監(jiān)測和在線測試。設備管理具體包括數(shù)控機床的參數(shù)管理，數(shù)控機床的遠程控制，數(shù)控機床的加工程序管理，數(shù)控機床設備信息管理等。實時監(jiān)測主要指數(shù)控機床運行狀態(tài)監(jiān)測，各軸狀態(tài)監(jiān)測，PLC狀態(tài)監(jiān)測，以及數(shù)控機床關鍵部位監(jiān)測等。在線測試包括數(shù)控機床故障模擬測試等。

3 網(wǎng)絡通訊接口的設計
   
在本文設計的監(jiān)控平臺中，網(wǎng)絡通信作為數(shù)據(jù)傳輸唯一通道，是整個監(jiān)控平臺的信息支撐。監(jiān)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)絡連接的處理；網(wǎng)絡狀態(tài)的判斷；數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
   
遠程監(jiān)控平臺是基于TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議開發(fā)的。在TCP/IP的四層模型中，傳輸層定義了兩個端到端協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP。在數(shù)據(jù)完整性和準確性要求較高的場合，采用TCP協(xié)議；在實時性要求較高且數(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)確認和重傳機制，因此實時性較高。但在數(shù)控機床遠程監(jiān)控平臺的通訊中，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擴展而來的，定義了TCP/IP網(wǎng)絡最為通用的API，以動態(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)絡應用程序。Windows Sockets與協(xié)議無關并向下兼容，可以使用任何底層傳輸協(xié)議提供的通信能力，來為上層應用程序完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信，而不必關心底層網(wǎng)絡鏈路的通信情況，能真正實現(xiàn)底層網(wǎng)絡通信對應用程序的透明。
  
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)控平臺選用流式套接字來實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊。基于Client /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)絡連接處理接口。網(wǎng)絡的連接狀態(tài)有三種：未連接、等待連接和正在連接。網(wǎng)絡連接處理是根據(jù)不同的連接狀態(tài)，客戶端和服務器端執(zhí)行相應的操作。
   
IsConnected是網(wǎng)絡連接狀態(tài)判斷接口。連接狀態(tài)的判斷就是通過變量的當前值返回網(wǎng)絡連接的狀態(tài)。
   
Send 和Receive是發(fā)送/接收數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)的收發(fā)就是調用socket API來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。客戶端是一對多的，要將接收的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的設備號存入不同的緩沖區(qū)；服務器端超過設定的時間未發(fā)送成功則進行重發(fā)。
   
平臺中作為客戶端的PC機能夠同時與多臺在線服務器端進行網(wǎng)絡連接，因而采用多線程技術，對每臺設備開一條獨立的通信線程。通信線程中調用相應的通訊接口，通過檢測標識位，滿足條件時發(fā)送緩存中已寫入的數(shù)據(jù)，并當接收到的數(shù)據(jù)包長度大于零時，調用數(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 或者存儲到相應數(shù)據(jù)緩存區(qū)。在成功完成通訊的基礎上，實現(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，以及數(shù)據(jù)包的組包和解析。 

4 HMI功能實現(xiàn)
   
根據(jù)對數(shù)據(jù)通訊服務層和核心功能層的分析，遠程監(jiān)控平臺人機界面要實現(xiàn)的功能有參數(shù)服務功能、命令服務功能、文件服務功能等。各功能實現(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)服務功能的實現(xiàn)。
   
運行應用程序，進入監(jiān)控平臺，添加數(shù)控設備后初始化的界面如圖4所示。 

一對多的客戶端，能同時顯示和操作多個數(shù)控設備的監(jiān)控界面，雙擊需要監(jiān)控的數(shù)控設備，即能彈出對應數(shù)控設備的監(jiān)控界面，如圖5所示。 

每臺數(shù)控設備的參數(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，因而參數(shù)的顯示可使用兩個靜態(tài)文本控件和一個編輯框控件。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上封裝數(shù)據(jù)項的編輯功能，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)，可以改變進行修改操作的布爾型標志變量的值，能方便的實現(xiàn)編輯操作只對參數(shù)值對應列有效。CReportCtrl類中在編輯功能完成時，會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(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，代碼重復率下降。