基于LabVIEW的數控機床網(wǎng)絡(luò )測控系統——總體設計 (一)

　　2 數控機床網(wǎng)絡(luò )測控系統的總體設計

　　2.1 數控機床網(wǎng)絡(luò )測控系統的設計思路和目標

　　隨著(zhù)測控網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的融合，一方面，人們希望更廣泛的使用Internet，試圖接入更多的設備，以便在擴充其應用模式的同時(shí)享受其帶來(lái)的更多便利;另一方面，工業(yè)化程度的加劇也給測控網(wǎng)絡(luò )系統的發(fā)展提出了新的問(wèn)題：如何方便地組建一個(gè)高效率的、智能化的、能夠和其他高層網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的測控網(wǎng)絡(luò )系統。以便于統一集中監控和提高管理決策水平。為了達到這些目的，需要測控網(wǎng)絡(luò )和信息網(wǎng)絡(luò )在一定程度上能夠共享資源，并且以有效的方式交換信息。所以，從測控網(wǎng)絡(luò )和信息網(wǎng)絡(luò )各自的發(fā)展來(lái)看，它們均已表現出走向對方并相互融合的進(jìn)步趨勢。為了實(shí)現這種融合，十分必要研究如何保證它們之間在一定范圍內能具有良好的交換性、各自的獨立性和安全性。下面來(lái)討論測控網(wǎng)絡(luò )和信息網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的具體實(shí)現。

　　網(wǎng)絡(luò )化工業(yè)測控系統是電子、計算機硬件軟件以及網(wǎng)絡(luò )、通信等多方面技術(shù)的有機組合體，以智能化、網(wǎng)絡(luò )化、交互性為特征，結構比較復雜，多采用體系結構來(lái)表示其總體框架和系統特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )化工業(yè)測控系統的體系結構，包括基本網(wǎng)絡(luò )系統硬件、應用軟件和各種協(xié)議。根據前述的分析，可以將信息網(wǎng)絡(luò )體系結構內容(OSI七層模型)，相應的測量控制模塊和應用軟件，以及應用環(huán)境等有機地結合在一起，形成一個(gè)統一的網(wǎng)絡(luò )化工業(yè)測控系統體系結構的抽象模型。該模型可反映網(wǎng)絡(luò )化工業(yè)測控系統具有的信息采集、存儲、傳輸和分析處理的原理特征。圖2.1是網(wǎng)絡(luò )化工業(yè)測控系統體系結構圖。

　　該結構模型將網(wǎng)絡(luò )化工業(yè)測控系統劃分成若干邏輯層，各邏輯層實(shí)現特定的功能。

　　首先是硬件層，主要是指遠端的傳感器信號采集單元包括微處理器系統，信號采集系統，硬件協(xié)議轉換和數據流傳輸控制系統。網(wǎng)絡(luò )化工業(yè)測控系統的另一個(gè)邏輯層主要由鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和接口等組成。該層的主要功能是提供一個(gè)控制信號采集和數據流傳輸的平臺。除上述兩邏輯層外，網(wǎng)絡(luò )化工業(yè)測控系統還不可缺少的是應用層。

　　根據需要，提供HTTP、FTP、TFTP、SMTP等服務(wù)。其中，HTTP用以實(shí)現Web儀器服務(wù);FTP和TFTP用于實(shí)現向用戶(hù)傳送數據，從而形成用戶(hù)數據庫資源;而SMTP則用來(lái)發(fā)送各種確認和告警信息。如此，就可很容易地組成不同使用權限的系統。低級用戶(hù)無(wú)需自己再安裝任何應用軟件，直接利用IE或Netscape等瀏覽器瀏覽數據，就可實(shí)現對測量數據的觀(guān)測。高級用戶(hù)可經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )修改配置來(lái)控制儀器在不同儀態(tài)下的運行;經(jīng)網(wǎng)絡(luò )傳來(lái)的數據，可交由專(zhuān)門(mén)數據處理軟件分析，以實(shí)現最優(yōu)化的決策和控制，以實(shí)現如MIS應用等。具體的網(wǎng)絡(luò )化工業(yè)測控系統實(shí)現時(shí)需具備以下條件：

　　(1)由于測控系統嵌入式的特殊性，以及它在不同應用場(chǎng)合和項目中所要完成的功能各異，故應將測控網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )有機地融合為一體。在某些應用中，現行的各種現場(chǎng)總線(xiàn)在某種意義上可看作是對ISO/OSI模型的簡(jiǎn)化，但它們簡(jiǎn)化的標準各異，所以并不能直接應用于Internet接入。比如在大多數情況下，會(huì )話(huà)層、表示層和應用層可在一定意義上合并。這種保留核心層和TCP/IP協(xié)議的測控系統可方便地實(shí)現網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)。

　　(2)客戶(hù)/服務(wù)器(Client/Server——C/S)工作模式。C/S工作模式作為分布式應用程序之間通信的一種有效方式。Internet上流行的網(wǎng)絡(luò )/瀏覽器(Web/Browser——W/B)模式，它以Http協(xié)議的html標記語(yǔ)言為通用標準。W/B模式為在測控系統中集成各種功能提供了一種發(fā)展方向，即客戶(hù)端可以是瀏覽器客戶(hù)。在三級網(wǎng)絡(luò )體系結構中，Web服務(wù)器既作為一個(gè)瀏覽服務(wù)器，又作為一個(gè)應用服務(wù)器。

　　(3)數據庫管理系統。它是測控網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)核心部分，為各種用戶(hù)提供訪(fǎng)問(wèn)和修改數據庫中存儲的數據。

　　(4)網(wǎng)絡(luò )管理。由于網(wǎng)絡(luò )的復雜性和開(kāi)放性，要保證測控系統的持續性、穩定性和安全性。與普通的Internet系統相比，測控信息網(wǎng)絡(luò )的管理有其特殊性，具體有不同的配置管理和嚴格的安全管理。對于網(wǎng)絡(luò )管理，其中基于TCP/IP的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議(SNMP)主要用于OSI七層模型中較低層的管理，具體采用輪詢(xún)的監控方式。

　　本文將研究網(wǎng)絡(luò )測控系統在數控機床位移定位精度和溫度補償中的應用，并設計出基Internet/Ethernet網(wǎng)絡(luò )的B/S模式的數控機床遠程測控系統?？蛻?hù)端可以在Internet上通過(guò)網(wǎng)絡(luò )從測試儀器獲取數據。同時(shí)客戶(hù)端和下位測控機通信以及客戶(hù)端與遠程數據庫的通信是本文的重點(diǎn)?？蛻?hù)端和下位測控機通信部分采用了LabVIEW軟件系統中的DataSocket技術(shù)模塊，它較容易實(shí)現網(wǎng)上實(shí)時(shí)高速的數據交換?？蛻?hù)端與遠程數據庫的數據通信部分，則在LabVIEW系統基礎上對LabSQL工具包進(jìn)行修改，從而實(shí)現了采集數據實(shí)時(shí)與遠程數據庫的通信存儲功能。通過(guò)測控軟件的結構化設計使系統實(shí)現現場(chǎng)數據的采集、分析、存儲回放以及遠程測控等功能目標。設計中使該系統平臺兼容工業(yè)以太網(wǎng)、DeviccNet、Profibus三種現場(chǎng)總線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)通過(guò)協(xié)議轉換器和現場(chǎng)智能單元實(shí)現三種通訊網(wǎng)絡(luò )在此測控平臺內的互連。

　　2.2數控機床網(wǎng)絡(luò )測控系統的設計架構

　　基于B/S模式的數控機床(CNC)遠程測控系統構建如下圖2.2所示：

　　基于LabVIEW的數控機床網(wǎng)絡(luò )測控系統的可分為以下幾個(gè)子系統：下位測控機子系統、Web服務(wù)器子系統和遠程客戶(hù)端子系統。

　　(1)數控機床下位機測控子系統

　　下位機測控子系統是整個(gè)系統的核心部分，主要包括數控機床(CNC)自動(dòng)控制部分、數據采集卡、測試儀器如有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )化傳感器、分布式I/O模塊和現場(chǎng)智能單元等。本文重點(diǎn)研究基于LabVIEW的下位機數據采集與儀器控制部分。

　　(2)Web服務(wù)器子系統

　　通過(guò)Web服務(wù)器，用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)Web站點(diǎn)，可以選擇虛擬儀器類(lèi)型，可以遠程控制儀器，并且獲得結果。公共網(wǎng)關(guān)接口(CGI)和傳輸控制協(xié)議(TCP)是客戶(hù)端與Web服務(wù)器以及Web服務(wù)器控制服務(wù)器之間的主要通訊方法。在遠程測控時(shí)，由于系統采集任務(wù)仍是在主機上進(jìn)行，用戶(hù)通過(guò)Web瀏覽器和應用程序之間進(jìn)行數據交換。用戶(hù)向服務(wù)器發(fā)送CGI請求，并從服務(wù)器端接收到響應。由于同一虛擬儀器同時(shí)只能響應一個(gè)人的操作，而且當一個(gè)用戶(hù)在使用時(shí)要保證直到使用結束后才能斷開(kāi)其連接。為了要減少沖突，保證客戶(hù)能很好的進(jìn)行遠程測控，在一段時(shí)間內只能有一個(gè)用戶(hù)得到控制權。

　　(3)Web客戶(hù)端子系統

　　客戶(hù)端子系統是嵌入在Web服務(wù)器中的。當用戶(hù)登錄到Web服務(wù)器上后，用戶(hù)可以瀏覽虛擬儀器平臺的站點(diǎn)，獲得所提供的各種信息。由于瀏覽器廣泛支持組件技術(shù)，尤其是ActiveX，而且ActiveX控件在客戶(hù)端的執行效率較高，因此對遠程測控客戶(hù)端軟件進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)，并以ActiveX控件的形式進(jìn)行封裝。當客戶(hù)端在訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)時(shí)，會(huì )自動(dòng)下載和運行該ActiveX控件程序，從而實(shí)現客戶(hù)端和服務(wù)器端的B/S通信。

　　在該系統中，客戶(hù)端有幾種類(lèi)型(WebClient、非Web遠程客戶(hù)、數據測試平臺客戶(hù))，本文選擇最具代表性的客戶(hù)——Web Client來(lái)進(jìn)行闡述。Web Client通過(guò)瀏覽器打開(kāi)Web服務(wù)器所在的主頁(yè)，Web服務(wù)器請求數據庫進(jìn)行身份認證后，將嵌入了Java Applet程序的被控設備控制頁(yè)面以HTML形式返回客戶(hù)端供用戶(hù)使用。用戶(hù)可在瀏覽器端使用嵌入了Web頁(yè)面的Java Applet程序來(lái)完成信息輸入和反饋，進(jìn)入相應的測試系統平臺，提出他所期望的服務(wù)請求。通過(guò)動(dòng)態(tài)請求機制CGI把命令請求傳給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器就會(huì )啟動(dòng)相應的應用程序，并把命令請求下傳到后臺數據庫，響應遠程的服務(wù)請求，Web服務(wù)器和存儲數據庫之間采用C/S模式網(wǎng)絡(luò )應用構架，因此網(wǎng)絡(luò )通訊利用Socket編程。用戶(hù)可以通過(guò)下位機測控服務(wù)器訪(fǎng)問(wèn)和控制被控對象，與被控對象進(jìn)行數據通訊;可以把被控對象的狀態(tài)、參數、歷史數據等數據存入數據庫，也可以把數據庫中的控制指令與運行參數等數據發(fā)送給被控對象，實(shí)現對遠程設備的控制;或通過(guò)總線(xiàn)節點(diǎn)，把服務(wù)請求進(jìn)一步下傳給具體的節點(diǎn)測控儀，進(jìn)行相應的測試。