基于WEB的数控机床监控系统的设计与实现.pdf

第 6期 2 0 1 3年 6月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M ac hi ne To o l＆ Au t oma t i c M a nuf a c t ur i ng Te c h ni q ue NO． 6 J u n ．2 0 1 3 文章编号 l O 0 l ～ 2 2 6 5 2 0 1 3 0 6 0 0 5 80 4 基于 WE B的数控机床监控系统的设计与实现 术 苏 宪利 ， 郑 一 麟。 1 ． 渤海大学 信息科学与技术学院， 辽宁 锦州 1 2 1 0 1 3 ； 2 ． 中国科学院 沈阳计算技术研究所 ， 沈 阳 1 1 0 0 6 8 摘 要 针 对数 控机床 远程 监控 的需求 ， 设计 了基 于 We b环境 的数 控机床 远程 监控 系统 ， 该 系统通过 无 线传 感器 网络和 现 场 总 线 对 监 测 数 据 进 行 采 集 ． 采 用 A R M C o r t e x M 3芯 片 对 数 据 进 行 处理 ， 使 用 S o c k e t 和 多线程 技术 完成基 于工业 以太 网的数 据上 传 和数 据 库 的存 取 工作 ， 利 用 J a v a 、 S 2 S H 和 A j a x 技 术 实现基 于 We b的 实时监控站 点 ， 最 终 实现 了对数控 机 床 的 监 测功 能 。该 系统通 过 We b服 务 响 应 We b页面控制请求产生控制命令 ， 调用多线程和 S o c k e t 通信技术把控制命令送给 C N C系统， 完成 了对数控 机 床 的远 程控 制功 能 。 关 键词 远 程监控 ； We b ； A R M； S o c k e t ； C N C 中图分 类号 T H1 6 ； T G 6 5 文献 标识 码 A De s i g n a nd I mpl e m e n t at i o n o f M on i t or i ng Sy s t e m o n CNC Ba s e d o n W EB S U Xi a n- - -l i ，ZHENG Yi l i n 1 ． C o l l e g e o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， B o h a i U n i v e r s i t y ， J i n z h o u 1 2 1 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ． S h e n y a n g I n s t i t u t e o f C o mp u t i n g T e c h n o l o g y ，C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s ，S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8，C h i n a Abs t r a c t To me e t t h e n e e d o f t h e d i s t a n c e mo n i t or i n g o n Co mp ut e r Nu me r i c a l Co nt r o l M a c h i n e To o l s s h o r t e d f o r CNC ma c h i n e ，a d i s t a n c e mo n i t o r i n g s y s t e m i s d e s i g n e d b a s e d o n WEB，Th e s y s t e m c o l l e c t s mon i t o r i n g da t a by wi r e l e s s s e ns o r n e t a n d f i e l d b us ， p r o c e s s e s d a t a by us i n g ARM Co r t e x M 3 c h i p， i mp l e me n t s t he d a t a u pl o a d a n d d a t a b a s e a c c e s s t h r o u g h i n d us t r i a l Et h e r n e t b y ut i l i z i n g S o c k e t t e c h n o l o g y a n d mu l t i t h r e a d i n g t e c h n o l o g y ．E m p l o y i n g t h e t e c h n o l o g y o f J a v a 、 S 2 S H a n d A j a x ，a r e a l t i me mo n i t o r i ng we b s i t e i s p r o v i d e d f o r u s e r s b a s e d o n W EB．And u l t i ma t e l y，t h e s y s t e m i mp l e me n t s t h e mo n i t o r i n g f u n c t i o n o n CNC ma c h i n e ． The s y s t e m g e n e r a t e s c o nt r o l c o mma nd s b y we b s e r vi c e’ S r e s p o n s e t o t h e we b p a g e，i nv o k e s mu l t i t h r e a d i n g a n d S o c ke t c o mmun i c a t i o n t e c h n o l o g y t o s e nd the c o n t r o l c o mma n ds t o CNC ma c h i n e a n d t he n i mp l e me n t s t h e d i s t a n c e mo n i t o r i n g f u nc t i o n o n CNC ma c hi ne ． Ke y wo r d sdi s t a n c e mo n i t o r i n g；W EB ；ARM ；S oc k e t ；CNC 0 引 言 基 于 We b的数 控 机 床远 程 监 控 系统 ， 是 一 种 以 I n t e r n e t 为基础 、 以 B ／ S模 式 为 架构 完 成 对 远 程数 控 机 床进 行监 测 和控 制 的 软硬 件 结 合 的 应 用 系 统 ， 该 应用系统可以通过 We b页面实现对远程机床 的运转 情 况进 行监 测 、 对 C N C系统 进行 操作 、 对机 床故 障进 行 诊 断和分 析 。 近年来 ， 国外 的高档数控机 床一 般都配备 了一 套远程 的故 障诊 断和支持系统⋯ ， 如西 门子 、 A B等 公 司都为各 自相应的高档数控机床提供 了远程支持 服务 ， 但这 些服 务 的价 格偏 高 ， 且 服务 软件 的体 系结 构一 般 为 C ／ S结 构 ， 对 客户 端 的软 硬 件 条 件 要 求 较 高 ， 所 以在 国 内市场 的接受 程度 较低 。 本 文针 对 我 国 高 档 数 控 机 床 提 供 了 一 套 基 于 We b的远 程监 控 系统 ， 该 系统 通 过无 线 传感 器 网络 、 汇聚节 点和 We b服 务 三 部分 的协 同工 作 ， 为用 户 提 供 了数控机床的远程监控和故障诊断服务 。 l整体 结构设计 本 系统 的开 发是 为 了使 用 户 能够 在 远 程监 测 机 床的运转状况 、 能够控制机床操作和对机床 的故 障 进 行诊 断 ， 所 以本 系 统从 结 构 上 由数 据 采集 节点 、 汇 聚节点、 工业 以太网、 数据库服务器、 we b专家系统 和 C N C系统 组成 。系统 的 总体结 构 图如 图 1所示 。 无线采集设备 无线传感器等 的数据通过 Z i g 。 b e e无线网络传送至汇聚节点 ， 有线采集设备的数据 通 过工 业现 场 总线 传 送 至 汇 聚节 点 ， 汇 聚 节 点 对 数 收稿 日期 2 0 1 30 31 9 基金项 目 国家科技重大专项一 开放式数控系统支撑技术创新平 台建设 2 0 1 1 Z X 0 4 0 1 6 0 7 1 ； 国家科技支撑计划 2 0 1 2 B A F 1 3 B 0 8 作者简介 苏宪利 1 9 踟一 ， 男， 辽宁葫芦岛人 ， 渤海大学信息科学与技术学院讲师 ， 硕士， 研究方向为物联网技术， Em a i l x i a n l i s s i n a ． e o m． c n 。 2 0 1 3年 6月 苏宪利 ， 等 基 于 WE B 的数控机 床 监控 系统 的设 计 与实现 - 5 9 据进行格式处理后通过工业以太 网存人数据库服务 器 。We b专 家 系统在 远程 浏览 器 端发 出 We b 访 问请 求 ， 通过 I n t e r n e t 网络发送至 We b服务器 ， We b服务 进程进行请求分析和响应 ， 对浏览请求 ， 调用页面业 务 逻辑访 问数 据 库 服 务 器 ， 产 生 页 面 发 送 至 浏 览 器 端 。对控 制 请 求 ， We b服 务 进 程 调 用 控 制 业 务 逻 辑 通过工业 以太网传送控制命令到 C N C系统 ， 完成对 机床 的控 制 操作 ， 达 到系 统 的控制 目的 。 汇聚节点 ． 服 墼 囱 惑 一I We b 专家 图 1 系 统 总 体 结 构 图 系统从功能上划分为三部分 数据采集模块 、 汇 聚 节点 处理 模块 和 We b服务 模 块 ， 系 统 的 功 能 结 构 图如 图 2所 示 。数据 采 集 模 块 完 成机 床 运 转 状 态 数 据的采集和现场视频数据的采集。汇聚节点处理模 块完成采集 数据的处理 、 传输和存储 。We b服务模 块完成 We b服 务 的提供 和管理 ， 完 成 控制命 令 向 C N C系统的传送 。 焉 1 w e1 0gic服 务 器 1 模 块 塑堡丝堡型 汇聚 节点 蕊 画 处 理 模 块 l 塞 壁 医麴圈匿圆豳 模块 图 2 系统功 能结构图 2数据采集模块设计 数据采集模块 由无 线传感器 、 有线监 控设备两 部 分组 成 ， 无 线 传感 器 采 用 了 Z i g B e e近 距 离 无 线 通 信 协议 ， 芯 片采 用 了低 功耗 的 8位 微控 制 器 C C 2 5 3 0 ， C C 2 5 3 0支 持 I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4 标 准 ， 还 支 持 Z i g B e e P R O网络 、 Z i g B e e R F 4 C E远 程 控 制 和 监 控 等 一 系列 的应用 。当前大多数数控机床系统 中使用传统 的有 线 传感 器 网 络 ， 将 各 种 传 感 器 通 过 有 线 方 式 与 汇 聚节点 连 接 起 来 。 这 种 方 式 使 硬 件 的 设 计 变 得 简 单 ， 但是在搭建传感器 网络的过程中， 缠绕机床床身 的线缆会使机 床的美观性下 降， 同时也增 加 了布线 的难度 』 ， 无 线 传 感 器 就 是 应 用 于 机 床 中 不 适 合 安 装有线的环境 ， 如机 床主轴温度检测， 为了防止 主轴 温 度过 高必 须 由人 工 定 期 进 行 主 轴 油 的添 加 ， 通 过 在主轴 内部安装 无线传感器来监 测主轴 的温度 ， 解 决 了主轴 温度 监测 需 要 人 工 实 时 干预 的 问题 。有 线 监控设备主要是指高清摄像 头 ， 通过摄像 头对机床 的运 转实 况 进 行 实 时 监 测 ， 监 控 数 据 通 过 现 场 总 线 传送给汇聚节点 ， 汇 聚节 点对数据处理后 上传至数 据 库 ， We b服 务 模 块通 过 访 问 数据 库 为 We b专 家 系 统提供实时监测 图像 ， 真实反映现场情况。 3 汇聚节点处理模块设计 汇聚节 点 处 于 星 形 网络 的核 心 位 置 ， 需 要 对 所 有 的数 据包 进 行 转 发 ， 为 了最 大 限度 满 足 它 的 工 作 需 求 ， 汇聚 节点采 用 U S B直流 电源供 电 。处理器 采用 基 于 A R M C o d e x M 3内核 的微控 制器 S T M3 2 F 1 0 3 。 汇 聚节点 的 功 能 由两 部 分 组 成 ， 一 部 分 完 成 采 集 数 据的格式处理，把数据转换 为汇聚节点能够识别的 数据格式 。另一部分完成 数据的传输和存储 ， 数 据 在传输前进行封装 ， 产 生 U D P数据包上传。这些功 能均 由 A R M 实现 。 3 ． 1格式 转化 功 能 的设计 本模 块涉 及 到 的数 据 格 式 有 两 种 ， 第 一 种 是 由 无线传感器传输 的 Z i g B e e协议 的数据 ， 第二种是 由 有线监控设备 产生的数据 ， 数据到达汇聚节点后进 行数 据格 式 的重新 封 装 ， 封 装后 的数 据 为上 行 数 据 ， 格 式 为可 变长 数据 格式 。格 式 的结 构 如表 1所示 。 表 1 上行数据格 式 第 一 第 二 第 三 第 四 第 5至 第 n1 第 n 2 字节 字节 字节 字节 第 n字节 字节 字 节 开始 数据 包长度 数据 数据 累加和 结束 标志 类 型 长度 标志 3 ． 2数 据传 送功 能 的设计 本部分功能完成了标 准数据格式到 U D P数据包 的 封装过程 ， 封装后 的数据包通过 S o c k e t 处理服务进程写 入数据库服务器。此部分工作 的流程图如图 3 所示 。 图 3数 据 传 送 功 能 流 程 图 由于需要处 理的数 据 量很 大 ， 本 系统 引 入 了优先 级机制来区分对待报警数据和非报警数据 ， 报警数据 需要优先传送 ， 因此 在数 据 封装 过程 中采 用 了动 态优 先 级可抢 占调度算 法 ， 数 据 的优先 级 从等 待 时 间和 紧 急性两个角 度进行动态 的调整 。对 于报警数据赋 予最 高优先级 ， 对于其它数据使用 了随时间增长而提高优 先级 的策 略。当一 个数 据 到达 时先判 断数 据 的类 型 ， 报警数据立即赋予最高优先级， 进行封装 ， 如数据大小 2 0 1 3年 6月 苏宪利， 等基于 WE B的数控机床监控系统 的设计与实现 6 1 5 结 论 经 过数 据 的对 比 ， 本 系 统 所 处 理 数 据 的准 确 性 和实时性优于 国外 厂商提供 的远程监测 系统 ， 更适 合 我 国市 场 需 求 。本 系 统 运 行 的稳 定 性 、 可 靠 性 与 C ／ S监控 系 统 的对 比图 如 图 7所 示 。图 7中横 轴 为 运行时间， 单位为天 ， 纵轴为响应时间 ， 单位为秒 。 图 7数据响应 时间对 比图 通过长时间的运行和对 比， 系统所 占资 源对 比 图如图 8所示 ， 图 8中横轴为运行时间 ， 单位为天 ， 纵 轴为内存 占用大小 ， 单 位为 M。通过 图形数 据对 比 分 析本 系统 在 性能 上完 全优 于对 比系统 。 f f c ， s 系统内存占用 一 本系统内存占用 1 2 3 4 5 6 7 图 8 系统运行所 占资源对 比图 本 系统 在设 计 思 想 上 采 用 了先 进 的设 计 理 念 ， 在 开发 技术 上采 用 了成 熟 稳定 的技 术 ， 在 调 度 、 运 算 方法上都经过 了科学严密 的论 证和实验 ， 系统 经过 严格 的测试 ， 所得到 的测试数 据真实可靠。因此本 系统 具有 很广 泛 的应用 价值 和理 论研 究价 值 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]张磊．数控机 床故 障监测 与诊断 系统的研 究 [ D] ．山东 大 学 ， 2 0 1 2 ． [ 2 ]赵瑞旺．基 于 G P R S的数控机床监控系统设计 [ J ] ．物联 网技术 ， 2 0 1 1 2 5 4 5 7 ． [ 3 ]郑一麟 ， 林 浒 ， 陶耀 东 ， 等．基 于 S O P C的数 控 系统 E n D a t 2 ． 2接 口的设 计 与 实现 [ J ] ．小 型微 型计 算 机 系统 ， 2 01 2 6 1 3 7 71 3 8 0 ． [ 4 ]王永 虹 ， 徐炜 ， 郝立 平．S T M3 2系列 A R M C o d e x M3微控 制器原理与实践 [ M] ．北京 北京航空航 天大学 出版社 ， 2 00 8． [ 5 ]M i c h a e l J ． D o n a h o o ， 陈宗斌译 ．T C P ／ I P S o c k e t s 编程 C语 言实现 第 2版 [ M] ．北京 清华大学 出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 6 ]陈亚 辉 ， 缪 勇．S t r u t s 2S p r i n gH i b e r n a t e框架技术 与项 目实 战[ M] ．北京 清华大学 出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 7 ]邓威威 ．基于 We b的低 成本 远程 监控 网络 设计 与应 用 [ D ] ．浙江 大学 ， 2 0 l 2 ． [ 8 ]汪小兵 ．基于 G P R S的数控机 床远 程故障监 测系统[ D] ． 兰州理工 大学 ， 2 0 1 1 ． [ 9 ]陈锋敏．A j a x 原理 与系统开 发[ M] ．北京 清华大学出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 1 0 ]师鸿博．基 于 S N MP协议 的 We b监控系统 [ D] ．南京邮 电大学 ， 2 0 1 1 ． 编辑赵蓉 上接第 5 7页 皇 -叵 萼S 纵 向位 移“ m 图 1 3 独立牵 引控 制和 自适 应虚 拟补偿控制行驶轨迹 5 结 论 自适 应 虚拟 补偿 的多 电机 动 态 协 同控 制 系统 通 过设 计一 个 虚 拟 闭环 系统 ， 将 任 意 轮产 生 的 动 态 扰 动进行平均分配至 四轮 电机 ， 进行 多电机的动态协 同控 制 ， 实 时纠正 驾 驶 路 径 ， 有效 提 高 了车辆 的操 纵 稳定 性 ， 在不 同行 驶 状 态 下 ， 系统 对 路 况 崎 岖 引起 的 强扰动有 良好 的克服 能力 ， 对 电机及传 动部件特性 差异引起 的非线 性有 很好 的鲁 棒性 。仿 真分 析表 明 ， 所设计 的动 态协 同控制 系统可 以显 著改善车辆 行驶 的横摆稳定性 ， 动态响应速度快 ， 控制精度高 ， 有效 提升 了 车辆对 驾驶 指令 的跟踪 能力 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]罗玉涛 ， 张桂连 ， 旷鹏 ， 等．四轮驱动汽车操纵稳定性级联式 控制策略的研究 [ J ] ．汽车工程 ， 2 0 0 9 ， 3 1 9 8 0 7 8 1 1 ． [ 2 ]B e k h e i r a T a b b a c h e ， A b d e l a z i z K h e l o u i ． A n a d a p t i v e e l e c t r i c d i f - f e r e n t i a l f o r e l e c t r i c v e h i c l e s m o t i o n s t a b i l i z a t i o n l J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n V e h i c u l a r T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 6 0 1 1 0 41 1 0 ． [ 3 ]A b d e l h a k i m Ha d d o u n ，H a c h e m i B e n b o u z i d ． M o d e l i n g a n a l y s i s a n d n e u r a l ne t wo r k c o nt r o l o f a n EV e l e c t r i c a l d i f f e r e n t i a l [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s O n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 8 ， 5 5 6 2 2 8 62 2 9 4 ． [ 4 ]丁惜瀛 ， 张钦爽 ， 覃艳丽．基 于转矩 分配 的电动汽车横摆 稳定性控制 [ J ] ．大功率变流技术 ， 2 0 1 1 5 4 1 4 4 ． [ 5 ]C o n g G e n g ， L o t fi Mo s t e f a i ， Y o i c h i H o r i ．d i r e c t y a w m o me n t c o nt r o l o f a n i n ． wh e e 1 ．．mo t o r e d e l e c t r i c v e h i c l e ba s e d o n B o d y S l i p A n g l e F u z z y O b s e r v e r [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l El e c t r o n i c s ， 2 0 0 9， 5 6 6 1 4 1 11 41 9 ． [ 6 ]王洋 ， 刘永光． 基于 S m i u l i n k的永磁同步电机矢量控制系统 仿真 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术， 2 0 1 1 2 7 8 8 2 ． [ 7 ]叶汉民， 时晓霞．基于 MR A S 技术在永磁 同步电机控制中的 应用 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术， 2 O L O 4 6 8 7 1 ． [ 8 ]崔皆凡 ， 王 贺敏 ， 王成元．基 于滑模 变结构永磁 同步 电机 的直接转矩控制 [ J ] ．沈 阳工业 大学学 报 ， 2 0 0 8 ， 3 0 2 1 43 1 47． [ 9 ]J i a n k u n H u ，C h r i s t i a n B o h n ，H． R． Wu ．S y s t e m a t i c H we i g h t i ng f u nc t i o n s e l e c t i o n a nd i t s a pp l i c a t i o n t o t he r e a l - t i me c o n t r o l o f a v e r t i c a l t a k e o ff a i r e r a f t [ J ] ．C o n t r o l E n g i - n e e r i n g P r a c t i c e ， 2 0 0 0 8 2 4 12 5 2 ． [ 1 0 ]蓝益鹏 ， 杨波 ， 张振兴 ．基 于线性 化解 耦 的永 磁直线 伺 服系统 H 远鲁棒控制器 的设计 [ J ] ．组合机 床与 自动 化加工技术， 2 0 1 1 3 4 1 4 4 ． 编辑李秀敏