基于LabVIEW的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)——總體設(shè)計 (一)

　　2 數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　2.1 數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的設(shè)計思路和目標(biāo)

　　隨著測控網(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(shè)備，以便在擴充其應(yīng)用模式的同時享受其帶來的更多便利;另一方面，工業(yè)化程度的加劇也給測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展提出了新的問題：如何方便地組建一個高效率的、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(tǒng)。以便于統(tǒng)一集中監(jiān)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)展來看，它們均已表現(xiàn)出走向?qū)Ψ讲⑾嗷ト诤系倪M步趨勢。為了實現(xiàn)這種融合，十分必要研究如何保證它們之間在一定范圍內(nèi)能具有良好的交換性、各自的獨立性和安全性。下面來討論測控網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的具體實現(xiàn)。

　　網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測控系統(tǒng)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，多采用體系結(jié)構(gòu)來表示其總體框架和系統(tǒng)特點。網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，包括基本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件、應(yīng)用軟件和各種協(xié)議。根據(jù)前述的分析，可以將信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容(OSI七層模型)，相應(yīng)的測量控制模塊和應(yīng)用軟件，以及應(yīng)用環(huán)境等有機地結(jié)合在一起，形成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的抽象模型。該模型可反映網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測控系統(tǒng)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(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖。

　　該結(jié)構(gòu)模型將網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測控系統(tǒng)劃分成若干邏輯層，各邏輯層實現(xiàn)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(tǒng)，信號采集系統(tǒng)，硬件協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流傳輸控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測控系統(tǒng)的另一個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控制信號采集和數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠脚_。除上述兩邏輯層外，網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測控系統(tǒng)還不可缺少的是應(yīng)用層。

　　根據(jù)需要，提供HTTP、FTP、TFTP、SMTP等服務(wù)。其中，HTTP用以實現(xiàn)Web儀器服務(wù);FTP和TFTP用于實現(xiàn)向用戶傳送數(shù)據(jù)，從而形成用戶數(shù)據(jù)庫資源;而SMTP則用來發(fā)送各種確認(rèn)和告警信息。如此，就可很容易地組成不同使用權(quán)限的系統(tǒng)。低級用戶無需自己再安裝任何應(yīng)用軟件，直接利用IE或Netscape等瀏覽器瀏覽數(shù)據(jù)，就可實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的觀測。高級用戶可經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)修改配置來控制儀器在不同儀態(tài)下的運行;經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)，可交由專門數(shù)據(jù)處理軟件分析，以實現(xiàn)最優(yōu)化的決策和控制，以實現(xiàn)如MIS應(yīng)用等。具體的網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測控系統(tǒng)實現(xiàn)時需具備以下條件：

　　(1)由于測控系統(tǒng)嵌入式的特殊性，以及它在不同應(yīng)用場合和項目中所要完成的功能各異，故應(yīng)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(yīng)用中，現(xiàn)行的各種現(xiàn)場總線在某種意義上可看作是對ISO/OSI模型的簡化，但它們簡化的標(biāo)準(zhǔn)各異，所以并不能直接應(yīng)用于Internet接入。比如在大多數(shù)情況下，會話層、表示層和應(yīng)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(tǒng)可方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

　　(2)客戶/服務(wù)器(Client/Server——C/S)工作模式。C/S工作模式作為分布式應(yīng)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(biāo)記語言為通用標(biāo)準(zhǔn)。W/B模式為在測控系統(tǒng)中集成各種功能提供了一種發(fā)展方向，即客戶端可以是瀏覽器客戶。在三級網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，Web服務(wù)器既作為一個瀏覽服務(wù)器，又作為一個應(yīng)用服務(wù)器。

　　(3)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它是測控網(wǎng)絡(luò)的一個核心部分，為各種用戶提供訪問和修改數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)。

　　(4)網(wǎng)絡(luò)管理。由于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和開放性，要保證測控系統(tǒng)的持續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性。與普通的Internet系統(tǒng)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(yán)格的安全管理。對于網(wǎng)絡(luò)管理，其中基于TCP/IP的簡單網(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，具體采用輪詢的監(jiān)控方式。

　　本文將研究網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)在數(shù)控機床位移定位精度和溫度補償中的應(yīng)用，并設(shè)計出基Internet/Ethernet網(wǎng)絡(luò)的B/S模式的數(shù)控機床遠程測控系統(tǒng)。客戶端可以在Internet上通過網(wǎng)絡(luò)從測試儀器獲取數(shù)據(jù)。同時客戶端和下位測控機通信以及客戶端與遠程數(shù)據(jù)庫的通信是本文的重點?？蛻舳撕拖挛粶y控機通信部分采用了LabVIEW軟件系統(tǒng)中的DataSocket技術(shù)模塊，它較容易實現(xiàn)網(wǎng)上實時高速的數(shù)據(jù)交換?？蛻舳伺c遠程數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)通信部分，則在LabVIEW系統(tǒng)基礎(chǔ)上對LabSQL工具包進行修改，從而實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)實時與遠程數(shù)據(jù)庫的通信存儲功能。通過測控軟件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計使系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲回放以及遠程測控等功能目標(biāo)。設(shè)計中使該系統(tǒng)平臺兼容工業(yè)以太網(wǎng)、DeviccNet、Profibus三種現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)，同時通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場智能單元實現(xiàn)三種通訊網(wǎng)絡(luò)在此測控平臺內(nèi)的互連。

　　2.2數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)

　　基于B/S模式的數(shù)控機床(CNC)遠程測控系統(tǒng)構(gòu)建如下圖2.2所示：

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

　　(1)數(shù)控機床下位機測控子系統(tǒng)

　　下位機測控子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分，主要包括數(shù)控機床(CNC)自動控制部分、數(shù)據(jù)采集卡、測試儀器如有線和無線的網(wǎng)絡(luò)化傳感器、分布式I/O模塊和現(xiàn)場智能單元等。本文重點研究基于LabVIEW的下位機數(shù)據(jù)采集與儀器控制部分。

　　(2)Web服務(wù)器子系統(tǒng)

　　通過Web服務(wù)器，用戶可以訪問Web站點，可以選擇虛擬儀器類型，可以遠程控制儀器，并且獲得結(jié)果。公共網(wǎng)關(guān)接口(CGI)和傳輸控制協(xié)議(TCP)是客戶端與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，由于系統(tǒng)采集任務(wù)仍是在主機上進行，用戶通過Web瀏覽器和應(yīng)用程序之間進行數(shù)據(jù)交換。用戶向服務(wù)器發(fā)送CGI請求，并從服務(wù)器端接收到響應(yīng)。由于同一虛擬儀器同時只能響應(yīng)一個人的操作，而且當(dāng)一個用戶在使用時要保證直到使用結(jié)束后才能斷開其連接。為了要減少沖突，保證客戶能很好的進行遠程測控，在一段時間內(nèi)只能有一個用戶得到控制權(quán)。

　　(3)Web客戶端子系統(tǒng)

　　客戶端子系統(tǒng)是嵌入在Web服務(wù)器中的。當(dāng)用戶登錄到Web服務(wù)器上后，用戶可以瀏覽虛擬儀器平臺的站點，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控件在客戶端的執(zhí)行效率較高，因此對遠程測控客戶端軟件進行重新開發(fā)，并以ActiveX控件的形式進行封裝。當(dāng)客戶端在訪問服務(wù)器網(wǎng)頁時，會自動下載和運行該ActiveX控件程序，從而實現(xiàn)客戶端和服務(wù)器端的B/S通信。

　　在該系統(tǒng)中，客戶端有幾種類型(WebClient、非Web遠程客戶、數(shù)據(jù)測試平臺客戶)，本文選擇最具代表性的客戶——Web Client來進行闡述。Web Client通過瀏覽器打開Web服務(wù)器所在的主頁，Web服務(wù)器請求數(shù)據(jù)庫進行身份認(rèn)證后，將嵌入了Java Applet程序的被控設(shè)備控制頁面以HTML形式返回客戶端供用戶使用。用戶可在瀏覽器端使用嵌入了Web頁面的Java Applet程序來完成信息輸入和反饋，進入相應(yīng)的測試系統(tǒng)平臺，提出他所期望的服務(wù)請求。通過動態(tài)請求機制CGI把命令請求傳給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器就會啟動相應(yīng)的應(yīng)用程序，并把命令請求下傳到后臺數(shù)據(jù)庫，響應(yīng)遠程的服務(wù)請求，Web服務(wù)器和存儲數(shù)據(jù)庫之間采用C/S模式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用構(gòu)架，因此網(wǎng)絡(luò)通訊利用Socket編程。用戶可以通過下位機測控服務(wù)器訪問和控制被控對象，與被控對象進行數(shù)據(jù)通訊;可以把被控對象的狀態(tài)、參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，也可以把數(shù)據(jù)庫中的控制指令與運行參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送給被控對象，實現(xiàn)對遠程設(shè)備的控制;或通過總線節(jié)點，把服務(wù)請求進一步下傳給具體的節(jié)點測控儀，進行相應(yīng)的測試。