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(jié)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(jīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(jié)束傳輸之后，雙方調(diào)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(zhuǎn)，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(diào)試機床。

2.2網(wǎng)絡控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)控機床的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)采用模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)采用“PC+NC”結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)情況實時采集保存。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
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(diào)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(nèi)存中，然后在編譯執(zhí)行數(shù)控代碼。控制指令的傳遞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(nèi)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(nèi)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。