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數控機床分布式監控系統通信接口設計

來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)   作者:機床世界    發(fā)表時(shí)間:2019-01-16    瀏覽量:5514



隨著(zhù)計算機、通信和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展,數控系統正向智能化、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展,數控機床作為制造系統的核心裝備,其復雜程度及智能化進(jìn)程也不斷提高,而數控機床的加工精度、機床運行是否正常等都需要一個(gè)監控系統來(lái)反映,監控系統在一定程度上保證了機床安全可靠地運行,尤其是當前數控機床高速、高精度、智能化的要求,數控機床監控系統也要不斷發(fā)展以滿(mǎn)足數控機床的需求.對于數控機床監控系統的研究雖然已有一些成果,如第一代監測與診斷系統,以及后來(lái)的基于INteRNet的網(wǎng)絡(luò )化遠程監測及故障診斷系統。然而隨著(zhù)數控機床要求的提升,也要求監控系統性能做出相應的提升,如可擴展性、實(shí)時(shí)性、對機床的加工精度的在線(xiàn)測試、運行狀態(tài)的在線(xiàn)監測等,監控系統也顯得越來(lái)越重要.本研究針對數控機床,在一種分布式監控系統的基礎上,設計了分布式監控系統的通信接口,并通過(guò)監控系統具體應用于數控機床中,驗證了這種通信接口的可行性。


1 監控系統總體結構
  
監控系統總體結構中包括2部分,即數控機床與監控系統,監控系統的任務(wù)也分為2類(lèi),即周期任務(wù)與非周期任務(wù),周期任務(wù)即為在固定的時(shí)間內向數控機床發(fā)出特定指令,并返回正確結果,如:周期地向數控機床提取各個(gè)軸位置指令與反饋、速度、電流等參數,實(shí)時(shí)地繪制一些二維、三維曲線(xiàn).非周期任務(wù)即不定時(shí)地向數控機床發(fā)出指令并返回結果,如讀取各個(gè)機床的參數、數控機床參數等,通過(guò)監控系統中寄存器向用戶(hù)顯示,監控系統總體結構如圖1所示。



為適應數控機床監控系統的分布式結構,本文中的數控機床監控系統由多臺PC組成,各個(gè)PC可以獨立分布于不同位置,也可以獨立地監控相同或不同的數控機床.各個(gè)獨立的主機通過(guò)HUB與多臺數控機床中數控系統相連,組成一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò )拓撲結構,形成了分布式監控系統,監控系統通過(guò)數控系統獲取機床各個(gè)軸運動(dòng)位置、反饋、狀態(tài)等數據;同時(shí),監控系統也可以向數控系統發(fā)送指令,控制機床的運動(dòng)等。
  
在監控系統中,為了使軟件層次分明、結構模塊化,監控系統軟件由設備層、數據通信服務(wù)層、應用功能層、用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)層所組成.本文主要設計了數據通信服務(wù)層,數據通信服務(wù)層為上層應用提供多種服務(wù),即提供參數服務(wù)、PLC數據服務(wù)等,通過(guò)這些服務(wù)鏈接了應用功能與物理設備,如圖2所示。



變量服務(wù)為上層應用周期性地提供數控機床的狀態(tài)數據,例如機床指令坐標位置、實(shí)際坐標位置、進(jìn)給速度、主軸速度等,變量服務(wù)在設定的采樣周期內完成一次所有在線(xiàn)數控機床的數據采集,該服務(wù)為實(shí)時(shí)監測數控機床的運行狀態(tài)提供了基礎,參數服務(wù)為上層應用軟件非周期性地讀取DNC的參數數據,修改DNC的參數數據,命令服務(wù)為上層應用軟件提供遠程控制的服務(wù)。文件服務(wù)為上層應用軟件提供加工程序的傳輸、選擇等服務(wù)。PLC數據服務(wù)提供PLC數據的掃描上傳及診斷等服務(wù).數據通信服務(wù)為數控機床監控平臺提供了數據交互的基礎,是實(shí)現數控機床監控平臺的基礎功能。為了使通信服務(wù)獨立性好,為上層應用軟件提供透明的服務(wù),設計了一系列的通信API接口,為上層應用軟件提供API接口包,將數據通信服務(wù)平臺和上層應用軟件剝離,使通信服務(wù)模塊化、規范化、標準化,便于程序的移植.對于上層應用軟件,通信服務(wù)的具體實(shí)現是透明的,應用軟件的開(kāi)發(fā)人員無(wú)須關(guān)注底層通信服務(wù)的實(shí)現細節,只調用相關(guān)的API接口即可。


2 監控系統數據通信接口設計
   
監控系統數據通信接口分為數控系統端通信接口和監控系統端通信接口2部分。數控系統與監控系統通過(guò)tCP\IP協(xié)議連接,監控系統主動(dòng)發(fā)送命令,通過(guò)數控系統讀取被監控機床的狀態(tài)參數,數控系統端一般只被動(dòng)地接收數據命令,解析命令后,發(fā)送回反饋結果。
  
通信接口中,數據傳輸要經(jīng)過(guò)待機、數據映射、查詢(xún)命令、封裝數據幀、發(fā)送數據、接收數據及數據解析等狀態(tài),監控系統端數據處理狀態(tài)如圖3所示。 



在數控機床接入監控系統后,數控系統向監控系統發(fā)送確認信息,信息內容包含接入設備名稱(chēng)、生產(chǎn)廠(chǎng)商等基本信息;監控系統在接收信息確認后,在監控系統內部對該數控機床建立基本信息庫,對其進(jìn)行IP等基本配置,配置完成后,數控系統進(jìn)入等待命令狀態(tài)中,在接收到監控系統命令后,解析數據幀,根據查詢(xún)命令結果,如:當接收到的是讀某一參數命令時(shí),通過(guò)映射關(guān)系中數據表查找到對應數據,將返回數據命令與參數組成新的數據幀,并將結果發(fā)送到監控系統中。
  
數據的交互是由監控系統端主動(dòng)發(fā)起的,監控系統端通過(guò)判斷參數是否改變。若改變,則通過(guò)參數映射關(guān)系與命令查詢(xún),開(kāi)始讀、寫(xiě)參數流程,把查詢(xún)到的具體命令與變量參數組成命令數據幀,發(fā)送數據;當接收到數據幀時(shí),自動(dòng)解析數據幀格式,通過(guò)命令查詢(xún),判斷是讀參數、寫(xiě)參數反饋數據幀或是其他響應幀,若是讀參數反饋數據幀,則根據解析出的變量參數,通過(guò)數據映射更新數據,若未改變,則不執行上述步驟。
  
為了方便不同數控機床與不同的監控系統終端間傳輸數據,設計的數據通信接口采用了數據命令與變量傳輸的方式,數據命令如表1所示。 



將數控機床及監控系統中內部數據結構與數據命令I(lǐng)D及變量ID建立統一的映射關(guān)系,并生成一個(gè)映射文件MaP-CFG。在監控系統端,通過(guò)生成的MaP-CFG創(chuàng )建一塊連續的存儲單元存儲MAP-CFG中定義的變量,同時(shí)建立ID到存儲單元地址的映射關(guān)系,通過(guò)變量ID與映射關(guān)系,可以快速地定位須要更新的數據.當應用訪(fǎng)問(wèn)變量時(shí),映射層通過(guò)傳入的ID號對所需變量在存儲中的位置進(jìn)行定位,并進(jìn)行讀寫(xiě)操作。由于變量的訪(fǎng)問(wèn)都是通過(guò)ID號進(jìn)行的,因此監控系統端應用API和數控機床端應用API是一致的。在初始化時(shí),通過(guò)硬編碼的方式生成配置文件MAP-CFG,在監控系統中,變量的存儲單元由配置文件動(dòng)態(tài)生成,數據傳輸映射關(guān)系如圖4所示。 



在分布式監控系統中可能存在不同的操作系統,為了屏蔽底層不同操作系統aPI的差異,為上層服務(wù)提供一套通用的通信接口及數據通信安全機制,在數控系統與監控系統間采用了設計通信庫的方式,設計了通用的數據結構Receive-Buffer用于接收緩沖區建立循環(huán)鏈表,便于根據接收數據流量的變化動(dòng)態(tài)分配存儲空間,提高存儲空間的利用效率,接受緩沖區的雙向鏈表數據結構中信息包括循環(huán)鏈表指針、填入和讀取接收緩存的字節數及有效數據區。數據結構WIN-context為Windows平臺下的通信庫系統狀態(tài)數據結構,包括數控機床端程序中填入的服務(wù)器端口號、IP地址、連接狀態(tài)、連接模式、連接時(shí)間及循環(huán)鏈表中最后一個(gè)結點(diǎn)地址和結點(diǎn)數等。


3 監控系統通信驗證
  
監控系統體系結構如圖1所示。監控系統PC機帶有100MB/S的通用以太網(wǎng)卡;HUB為8口10/100M自適應以太網(wǎng)交換機;華中數控DNC-11數控系統是一種基于A(yíng)RM平臺的嵌入式數控系統,帶有10MB/S的通用網(wǎng)絡(luò )接口;星形拓撲結構中連接的介質(zhì)為帶有RJ45水晶頭的普通雙絞線(xiàn)。由于在局域網(wǎng)中,接入網(wǎng)絡(luò )的各臺主機的MAC地址不能重合,即使IP配置不同,局域網(wǎng)中的主機也會(huì )因為MAC地址重合產(chǎn)生IP地址搶占問(wèn)題而不能正常連接,因此每個(gè)連入局域網(wǎng)中的主機分配的MAC地址必須是唯一的。
  
本研究通過(guò)運行監控系統的3個(gè)功能,驗證了設計的通信接口的可行性,其中數控機床的設備信息管理通過(guò)以太網(wǎng)將須要進(jìn)行監控的數控機床連入數控機床監控平臺,動(dòng)態(tài)地添加或刪除所要測試的數控機床,對數控設備進(jìn)行在線(xiàn)管理。如圖5所示,數控機床信息包括機床的設備編號、設備名稱(chēng)、數控機床型號等。 



數控機床實(shí)時(shí)監測功能可以顯示機床必要的運行狀態(tài)信息,包括當前被監控機床的狀態(tài),如是否正常運行、急停、或是故障,實(shí)時(shí)顯示當前運動(dòng)軸執行信息(指令位置、實(shí)際位置等)。通過(guò)實(shí)時(shí)監測功能可以動(dòng)態(tài)地以圖形模式顯示出二維加工軌跡,如圖6為被監控機床的軸狀態(tài)顯示圖。 



通過(guò)監控軟件提供的人機操作界面,可以發(fā)送控制指令遠程控制在線(xiàn)數控機床的運行。遠程控制部分可以選擇運行的模式,如自動(dòng)、手動(dòng)、增量等,控制命令中有急停、循環(huán)啟動(dòng)、進(jìn)給保持等操作.也可以顯示機床的運行狀態(tài),如機床的指令坐標值、工件的指令坐標值、進(jìn)給速度等。