基于CAN总线的数控机床远程监控系统的设计与研究.pdf

2 0 1 0年 3月 第3 8卷 第 6期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS Ma t ． 2 0 1 0 Vo I ． 3 8 No ． 6 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 2 1 基于 C A N总线的数控机床远程监控系统的设计与研究 吴振翔 ，张广明 ，魏 晓 东 1 ． 南京工业大学自 动化学院，江苏南京 2 1 0 0 0 9 ； 2 ．南京邦耀科技发展有限公司，江苏南京2 1 0 0 0 9 摘要C A N总线作为一种可靠性高、价格低廉、技术成熟、实现简单的现场总线技术在众多领域得到了广泛的应用。 讨论 C A N总线在数控机床远程监控系统体系结构中的作用，并将 C A N总线网络与 I n t e r n e t 结合 ，建立一种通过浏览器即可 对数控机床进行远程监控、完成加工任务的系统。 关键词C A N总线；数控机床；远程监控 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 6- 0 6 2 3 De s i g n a nd Re s e a r c h o n Re mo t e M o n i t o r i ng S y s t e m o f CNC M a c h i n e To o l Ba s e d o n CAN Bu s WU Z h e n x i a n g ，Z HANG Gu a n g mi n g ，WEI X i a o d o n g 1 ． A u t o m a t i o n D e p t ． o f N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 9 ，C h i n a ； 2 ． N a n j i n g B a n g y a o T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 9 ，C h i n a Ab s t r a c t C AN fi e l d b u s t e c h n o l o g y h a s b e e n wi d e l y u s e d i n ma n y f i e l d s ，wh i c h h a s t h e a d v a n t a g e o f h i g h r e l i a b i l i t y ，l o w c o s t ， ma t u r e t e c h n o l o gy ， e a s y a c h i e v e me n t ． T h e a p p l i c a t i o n o f C AN b u s i n t h e a r c h i t e c t u r e o f CN C r e mo t e mo n i t o r i n g s y s t e m W as d i s c u s s e d ． C AN- b u s n e t wo r k wa s c o mb i n e d w i t h i n t e r n e t t o e s t a b l i s h a s y s t e m t h a t e n a b l e u s e r s t o mo n i t o r t h e r e mo t e C NC ma c h i n e t h r o u g h t h e b r o ws e r a n d t o c o mp l e t e t h e p r o c e s s i n g t a s k s ． Ke y wo r d s C AN b u s ； C NC ma c h i n e t o o l ； Re mo t e mo n i t o r i n g 随着信息技术和计算机网络技术的发展 ，特别是 近几年来数控技术的普及，C A D ／ C A P P ／ C A M系统的 不断完善，机械制造领域正在发生深刻的变革。传统 的制造技术与生产组织模式大多处于单台数控设备运 行模式，没有很好的集成，加工质量和生产效率得不 到提高。为了改善这种状况，将数控加工设备联网集 成实现远程管理与监控已成为我国今后柔性制造技术 的发展趋势之一。数控设备远程管理与监控是指本地 计算机通过网络对远端的设备进行监测与控制，使工 作人员不必亲 临现场 就能 够 了解 设备 的实 际运 行情 况，并能够向其发送控制指令 ，从而达到与现场人员 操纵该设备同样的工作效果。作为制造系统自动化的 基础装备，对数控机床实施远程监控，对于网络化制 造的具体实施有着重要意义 一方面扩大了操作者对 操作对象的控制范围，提高了管理者对加工设备运行 情况掌握的方便程度；另一方面也有利于制造资源共 享，达到充分提高数控设备利用率的目的，利于实现 远程培训和远程故障诊断等 ；此外还体现了绿色制造 的思想，为数控加工的无人化，创建宜人化的生产加 工环境奠定基础⋯。为此作 者提 出了基于 C A N总线 的数控机床远程监控系统，并对其体系结构及关键技 术的实现作 了介绍 。 1 数控机床远程监控系统总体结构 1 ． 1 监控 系统需求分析 远程监控系统有两种类型一种是生产现场没有 现场监控系统，将数据采集后直接送到远程计算机处 理 ；另一种是现场监控 与远程监控并存。一般情况下 远程监控系统采用现场总线技术将分布于各个设备的 传感器 、监控设备等连接起来，这样监控就从分立单 元进入了集成单元阶段 ，然后各个管理站点的服务再 用局域 网连接起来 ，这样就形成 了企业内部 网。由于 建立了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护进 入了集成阶段，在单位的内部基本上实现了资源和信 息共享。最后使数控设备跨越不同子网、不同物理区 域连接到 I n t e r n e t ，实现 We b远程监控系统，使信息 本地化处理、及时响应，提高监控的质量和范围，利 用互联网实现开放式远程监控系统 。 1 ． 2 系统 总体 结构 基于 C A N总线 T h e C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k F i e l d b u s 的数控机床远程监控系统主要 由 C N C主机、 D N C主机、数据库服务器 、We b服务器及远程监控 中心 5部分组成 ，如图 1所示 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 31 0 作者简介吴振翔 1 9 8 5 一 ，男，江苏南京人，硕士研究生，研究方向为机电一体化技术。电话 1 3 8 5 1 9 9 5 1 3 0 ，E m a i l w z x n j u t s i n a ． C O B。 第 6期 吴振翔 等基于C A N总线的数控机床远程监控系统盼没汁 与研究 6 3 数据 库 服 务 器 W e b 服 务器 浏览器 1 浏 览器2 浏览 器3 C N C主机1 C NC 主机2 CN C 主机 3 图 1 系统总体结构示意图 设备状态信息经过简单的数据处理 如数字滤 波等后 ，经 C A N总线送人 D N C主机。D N C主机能 不间断地将设备状态信息借助于 Wi n S o c k e t 控件与数 据库之间进行通信。此外，D N C主机还能根据设备 的加工能力将加工程序经过 C A N总线及 R S 2 3 2 ／ C A N 转换模块送入不同的数控机床完成零件的加工。数据 库服务器上安装 了 Mi c r o s o f t 公司的 S Q L S e r v e r 7 ． 0 ， 数据库服务器应用程序的主要任务是接收和处理来 自 D N C主机的数据，接收的数据写人原始数据缓冲区， 在对数据进行分析处理后将其写入 S Q L S e r v e r 数据 库。We b服务器是设立在 I n t e r n e t 上的服务站点，远 程监控 中心与 We b服务器之间采用 B ／ S 浏览器／服 务器工作模式 ，所有监控、分析、诊断软件都放 在 We b 服务器上，并通过 We b主页进行管理。当处 于网络工作状态时，通过身份验证的用户便可使用浏 览器登陆到 We b服务器，同时下载含有监控功能的 A c t i v e X控件的网页，该控件将在客户端浏览器中运 行建立 T C P与 D N C主机 的连接 ，用 户 即可实现对 相 应的 C N C进行远程操作。当某台 C N C已经处于加工 状态时，此时若再有与该 C N C连接的用户将只具有 监视权限，没有控制权力 ，从而保障机床加工的安全 性。此外，在信号的分析与处理方面，系统提供了时 域波形 、功率谱分析、相关分析等功能，采用 A S P 调用 M a t l a b应用程序的方法 。 2 远程监控 系统中 C A N总线通讯功能的实现 作为工业现场控制的网络系统，C A N总线在可 靠性和实时性 方面有 很多 独 到的特 点 ，C A N总线 最 远传输距离为 1 0 k m 总线传输速率为 5 k b ／ s ，最 大传输速率为 1 Mb ／ s 总线传输距离为4 0 m ，接口 简单，安装方便 ，系统成本低。传输介质可以是双绞 线、同轴电缆或光导纤维。该系统中，C A N总线的 通讯功能是通过分别安装在 D N C主机端和 C N C端的 C A N通讯卡实现的。这里 C A N通讯卡分为两个部分 I S A总线接口部分和 C A N网络通讯部分。I S A总线接 口部分是 C A N通讯卡和 P C机 C P U之间交换数据的 桥梁；C A N网络通讯部分则实现 C A N物理层和数据 链路层协议 如数据打包、拆包、发送 、检验、编 码 、解码等 。 2 ． 1 C N C端通讯 软件 的 实现 C N C是该 系统实际控制 的执行部分。为 了使 C N C能够接受网络上传来的控制命令，并上传控制 执行结果，要在传统本地功能的基础上进行改进，使 之满足网络控制的要求。C N C端通讯流程如图 2所 示 。 图 2 C N C端通讯 流程 2 ． 2 DNC端 C AN通讯 软件的实现为提高程序运行效率，D N C主机端 软件采用多线程设计，其中 C A N通讯线程只负责监 听、接收 C N C端传来的数据信息，并将接收到的信 息通过事件、信号等线程间同步方式传递给相应的其 他线程处理，进而完成监控系统系统的功能 ，如图3 所示 。 开始 I 获得发送信息 I c Nc 站的地址 判 断发 送信 息 的类别 机床运行状态信息 l I 请求N C代码 通知对应的网络数据收发线 程发送数据并写入数据库 启动N C 代码发送线程 图3 D N C端 C A N通讯流程． 2 ． 3 C A N通讯 系统 的初始化 系统在实现 C A N通讯之前 ，首先总线上各节点 必须 完成 通讯的初始化工作。包括设 定各节点 C A N通讯卡的基地址 与卡上地址拨动开关对应 、 中断号、通讯波特率 总线上各节点的通讯波特率 必须一致 、该站的站地址以及接受屏蔽字 决定哪 些节点来的信息将接收或拒绝 。此外还要设置应用 服务器端 Wi n d o w s 环境下 C A N接收消息处理的窗口 句柄和 C N C端 D O S环境下指向用户编写的回调函数 6 4 机床与液压 第3 8卷 的指针 ] 。 3 We b数控远程服务系统的关键技术 We b远程服务系统 采用三层 的浏览 器／ 服务 器结 构模型，采用了A S P和 A c t i v e X作为系统的主要软件 开发工具 ，S Q L S e r v e r 7 ． 0作为系统的数据库支持 。 3 ． 1 系统客 户端与服务器端的数据传输 基于 We b的远程服务系统 的开发采用 A S P技术 ， 用来完成客户端和服务器端数据及信息的传递。A S P A c t i v e S e r v e r P a g e s 是微软在 Wi n 3 2平台上提供的 全方位解决方案，它与 H T ML集成，可将执行 S c r i p t 直接嵌入到H T ML文件中，使得开发在 H T M L的同一 开发过程中就可完成，这有利于程序的逻辑控制以及 与浏览器的无缝连接。用户可以通过代码访问 A S P 对象的各种方法和属性，来操作服务器端的数据。 A S P的数据接 口使得系统的功能模块数据向外界其他 功能模块流动，具有方向性。其程序应用模型结构如 图4所示。通过 A S P使得浏览器与服务器的数据传 输分为两个方 向，分别为浏览器到 A S P服务器的数 据传输和服务器到浏览器的数据传输。 H I -I 避 W e b HTTf 圆圈．． 澍 览 器 应 答 图4 A S P程序应用模型结构 3 ． 2 Ac t i v e X控 件 的使 用 A c t i v e 是一个能够使软件部件在网络环境中进行 交互的技术集，与具体的编程语言无关。We b 技术的 发展使得客户端和服务器端都可以充分享受 A c t i v e X带 来的便利 。A c t i v e X控件是一个提供特定功能 的二进制 对象，如同一个计算机程序一样，它们可以被加入到 w e b应用程序以及使用 J a v a S c r i p t 和V B s c r i p t的We b页 中，当通过浏览器 如 I E请求了包含 A c t i v e X控件 的We b 页时，I E会自动检测此控件是否已经注册在系 统的注册表中，如果有的话它将立即启动此控件，否 则 I E会将此控件下载并注册到系统中。 3 ． 3 系统 的数据 库技 术 在 We b 服务器端的开发环境 A S P中 ，A D O A c t i v e X D a t a O b j e e t s 是系统 内置的用 于访 问后 台数据 库的组件。它是一组优化的访问数据库专用对象集， 为 A S P提供了完整的站点数据库访问方案。A D O包 含了连接对象 C o n n e c t i o n 、命令对象 C o m m a n d 、 记录集对象 R e c o r d s e t 、字段对象 F i e l d 、参数 对象 P a r a m e t e r 、错 误对象 E r r o r 、属 性对 象 P r o p e r t y 和集合与事件等。 A D O通过在 We b服务 器 上设定 O D B C，可 以建 立与多种数据库如 S Q L S e rv e r 、O r a c l e 、I n f o r m i X、A c c e s s 等的连接。把 A D O技术与 A S P技术结合起来 ， 建立提供数据库信息的网页内容，在页面内执行 S Q L 命令。用户在浏览器页面输入、更新和删除 We b服 务器的信息，由服务器对 We b数据库进行相应的操 作。A D O可以使用 R e c o r d s e t 对象作为数据的主要接 口，还可以使用 V B S c r i p t 和 J a v a s c r i p t 语言来控制数 据库的访问，并生成查询结果的输出页面，其各个对 象使用的关 系如图 5所示 。 R P rt e 数据 集合 图5 A D O对象使用的结构关系图 4 D N C主机的多线程技术 D N C主机是整个 系统通讯 的枢纽，主要完成 T C P ／ I P网络环境下与远端浏览器用户的通讯，以及 C A N总线环境下与 C N C的通讯。在该系统中，网络 环境下的应用程序设计是通过 S o c k e t 套接字实现的。 为提高系统的网络响应能力，其应用程序采用多线程 技术设计。当系统进行 网络加工时，D N C主机端至 少启 动 4个 线程 ，即主线 程 、C A N接 收线程 、网络 数据收发线程、N C代码发送线程。线程之间采用全 局变量和事件的方式进行同步，其中主线程负责侦听 客户 的连接请求 以及 C A N总线通讯卡的初始化； C A N接收线程负责接收通过 C A N总线传来的信息， 并判断是 C A N总线上哪台 C N C发来的信息，根据信 息类别分别启动相应的线程对信息进行处理；网络数 据收发线程专门管理用户与 D N C主机的通讯 ，负责 接收 、处理网络传来的用户命令，并将返回的机床状 态信息发送到与此连接的浏览器端用户组，并定时地 将机床状态信息保存到数据库中；N C代码发送线程 负责系统在 自动加工模式时，根据端的请求适时地向 其传输代码，保证加工的连续、稳定。 此外程序设计中难免要在多线程问共享数据或对 象，为了避免不同的线程因为同时访问共享资源而相 互干扰甚至产生错误信息，需要对共享资源进行保 护，即解决线程间的同步问题。该系统使用互斥量 M u t e x e s 实现线程间的同步。程序利用 c 类封 装所需要的共享数据缓冲区，同时封装互斥量对象。 当接收采集数据模块要访问共享数据缓冲区时，只需 调用互斥量对象 的成员 函数 L o c k 实 现对共享 数据 缓冲区的独占，访问完毕调用互斥量对象的成员函数 U n l o c k 函数完成对共享数据缓冲区控制权的释放。 下转第5 8页 5 8 机床与液压 第3 8卷 上位机监 控采 用 Wi n C C开放 式 组态 软 件 编程 ， 可以创建一开放式接口，具有良好的图形界面和人机 交互性，操作者在计算机屏幕上可以看到 P L C控制 的工业现场 ，在监控画面中实现的功能如下 1 控制操作。Wi n C C组态环境的实时画面中 可设置打捆各动作的执行时间及手／ 自动控制方式选 择 ，同时在 中心控制室内能对每 台打捆机进行在线实 时的全状态监控 。 2 显示 功能 。根据 工艺流 程在 用户 窗 口中放 置泵 、马达 、电磁阀 、液压缸 以及系统运行状态 、故 障显示灯等图形对象。画面监控点主要有 油源的温 度、液位和压力；各泵电机的电流；以及各种报警信 号等。在上位机上可对现场设备的状态进行实时监 控 ，在画面 中通 过编程模拟显示整个系统各 电磁阀的 实际动作状况，各电磁阀位置指示用不同颜色指示开 位 、关位。 3 数据管理。依据不同运行参数的变化和重 要程度，数据采集存储并建 立历史、实时趋势 曲 线。利用实时和历史数据可 以了解任意时刻系统的 运行状况和打捆的捆扎数量 ，供统计分析使用。历 史趋势图可以通过备份管理或打印机打印，便于对 生产过程工 艺变化或 事故进 行 分析 ，对 优化 生产起 指导作用 。 4 报警功能。当某一模拟 量 如电流 、压力 、 温度等测量值超过给定范围或某一开关量 如电 机启停、阀门开关 发生异常时，可根据不同的需 要发出不 同等级的报警 。通过工艺流程图上对应 的设 备闪烁报警，并用文字提示，显示故障的位置。 5 智能管理。在车间级控制器的统一管理下， 与现场级网络上轨道运行控制器、称重打号控制器、 预紧成型控制器等协调工作 ，完成棒材的精整包装 ， 并可根据生产线的忙闲情况对现场 3～ 6台打捆机进 行调度使用，以便提高打捆速度，降低能耗，而且可 减少 因一台打捆 机 出现故 障 而停 产所 造成 的经 济损 失 。 3 结语 全自动棒材打捆机是一个集机、电、液、计算机 控制的一体化设备，是精整工艺的核心设备，其工作 环境差、动作多、控制较为复杂、且可靠性要求高， 而该控制系统充分利用了 P L C、P r o fi b u s D P现场总线 技术和计算机网络通信等先进技术，与传统的控制系 统相比较，具有以下的优点 1 由于现场大多安放 3～ 6台打捆机，传统的 控制系统将需要大量的控制线缆，而采用 P r o fi b u s D P 总线后，只需一条总线就可完成设备的控制操作和数 据传输，节省了大量的现场接线 ，从而使安装周期缩 短 ，维护方便 ，增强 了系统扩展性 。同时运行 费用和 能耗均有显著的下降。 2 全数字通信技术 ，有效地提高了抗干扰能 力和数据的传送精度，从而极大地提高了系统控制的 准确度和可靠性 。 3 设备全状态实时监控和故障检测，即现场 设备始终处于操作员的远程监视与可控状态，具有故 障诊断和数据管理功能，便于维修人员安装调试与快 速排障。 4 采用 P r o f i b u s 现场 总线技 术进行设 备联 网 ， 利用上位机与其他设备进行协同控制与数据交换 ， 使得 自动打捆机可与 自动码垛设备 、辊道电机、辅 助成形抱紧设备和收集链条设备等进行综合控制 ， 提高了精整包装的速度和包装质量，而且使全套精 整包装系统具有较高 的生产和 网络管理 自动化水 平 。 参考文献 【 1 】 唐志勇， 李万钰， 等． 棒材打捆机控制系统的研究与应用 [ J ] ． 冶金自动化， 2 0 0 0 4 3 4 3 6 ． 【 2 】阳宪惠， 徐用懋． 现场总线技术及其应用[ M] ． 北京 清 华大学出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 3 】 崔坚． 西门子工业网络通信指南[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 5 ． 上接 第6 4页 5 结束语 作者提 出了一种 基于 C A N总 线的数 控机床远 程 监控系统的设计方案 ，着 重论述 了系统体系结构 的确 立及其具体的开发实现过程。对数控机床实施远程监 控，对于网络化制造的具体实施有着重要意义，实验 结果证 明此方案是有效可行 的 ，达到了预期 的设计 目 的。 参考文献 【 1 】 Z o u Z e m i n g ， L i C o n g x i n ， R u a n X u e y u ． R e s e a r c h o n t h e i n t e g r a t i o n o f We b C N C a n d E I S [ J ] ． J o u r n a l of S y s t e ms E n g i n e e r i n g a n d E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 5 ， 1 6 4 8 9 4 9 0 0 ． 【 2 】 M i n g P i a o T s a i ， J a m e s T L i n ． We b b a s e d d i s t r i b u t e d m a n u f a c t u r i n g c o n t r o l s y s t e m s [ J ] ． I n t J A d v Ma n u f T e c h n o l ， 2 0 0 5 2 5 6 0 8～ 6 1 8 ． 【 3 】张映峰， 江平宇． 基于 We b的 C N C设备 e 一 化研究[ J ] ． 计算机集成制造系统一c I MS ， 2 0 0 4 ， 1 0 4 4 4 7 4 5 2 ． 【 4 】邬宽明． 现场总线技术应用选编[ M ] ． 北京 北京航空航 天大学出版社， 2 0 0 5 ． 【 5 】 李美玲， 萧宝瑾． 基于 C A N总线数控系统远程输入输出 模块的设计与实现[ J ] ． 现代电子技术 ， 2 0 0 8 9 l 1 4 1 1 5， 1 1 8． 【 6 】 汪惠芬， 刘婷婷， 张友良 基于网络的数控机床远程管理 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 1 0 7 0 7 3 ．