基于LabVIEW的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)——總體設(shè)計(jì) (一)

　　2 數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　2.1 數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和目標(biāo)

　　隨著測(cè)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(kuò)充其應(yīng)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(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(cè)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(dá)到這些目的，需要測(cè)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(cè)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(xiàn)出走向?qū)Ψ讲⑾嗷ト诤系倪M(jìn)步趨勢(shì)。為了實(shí)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(dú)立性和安全性。下面來(lái)討論測(cè)控網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的具體實(shí)現(xiàn)。

　　網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)是電子、計(jì)算機(jī)硬件軟件以及網(wǎng)絡(luò)、通信等多方面技術(shù)的有機(jī)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(lái)表示其總體框架和系統(tǒng)特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測(cè)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(cè)量控制模塊和應(yīng)用軟件，以及應(yīng)用環(huán)境等有機(jī)地結(jié)合在一起，形成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測(cè)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(cè)控系統(tǒng)具有的信息采集、存儲(chǔ)、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(cè)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(cè)控系統(tǒng)劃分成若干邏輯層，各邏輯層實(shí)現(xiàn)特定的功能。

　　首先是硬件層，主要是指遠(yuǎn)端的傳感器信號(hào)采集單元包括微處理器系統(tǒng)，信號(hào)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(cè)控系統(tǒng)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(hào)采集和數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠脚_(tái)。除上述兩邏輯層外，網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測(cè)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(shí)現(xiàn)Web儀器服務(wù);FTP和TFTP用于實(shí)現(xiàn)向用戶傳送數(shù)據(jù)，從而形成用戶數(shù)據(jù)庫(kù)資源;而SMTP則用來(lái)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(jí)用戶無(wú)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(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的觀測(cè)。高級(jí)用戶可經(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(yùn)行;經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，可交由專門數(shù)據(jù)處理軟件分析，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的決策和控制，以實(shí)現(xiàn)如MIS應(yīng)用等。具體的網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)需具備以下條件：

　　(1)由于測(cè)控系統(tǒng)嵌入式的特殊性，以及它在不同應(yīng)用場(chǎng)合和項(xiàng)目中所要完成的功能各異，故應(yīng)將測(cè)控網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地融合為一體。在某些應(yīng)用中，現(xiàn)行的各種現(xiàn)場(chǎng)總線在某種意義上可看作是對(duì)ISO/OSI模型的簡(jiǎn)化，但它們簡(jiǎn)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(huì)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(cè)控系統(tǒng)可方便地實(shí)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(yǔ)言為通用標(biāo)準(zhǔn)。W/B模式為在測(cè)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(jí)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)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(yīng)用服務(wù)器。

　　(3)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。它是測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)核心部分，為各種用戶提供訪問(wèn)和修改數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)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(kāi)放性，要保證測(cè)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(cè)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(duì)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，具體采用輪詢的監(jiān)控方式。

　　本文將研究網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床位移定位精度和溫度補(bǔ)償中的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)出基Internet/Ethernet網(wǎng)絡(luò)的B/S模式的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)?？蛻舳丝梢栽贗nternet上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從測(cè)試儀器獲取數(shù)據(jù)。同時(shí)客戶端和下位測(cè)控機(jī)通信以及客戶端與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的通信是本文的重點(diǎn)?？蛻舳撕拖挛粶y(cè)控機(jī)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)上實(shí)時(shí)高速的數(shù)據(jù)交換?？蛻舳伺c遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)通信部分，則在LabVIEW系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)LabSQL工具包進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的通信存儲(chǔ)功能。通過(guò)測(cè)控軟件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲(chǔ)回放以及遠(yuǎn)程測(cè)控等功能目標(biāo)。設(shè)計(jì)中使該系統(tǒng)平臺(tái)兼容工業(yè)以太網(wǎng)、DeviccNet、Profibus三種現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場(chǎng)智能單元實(shí)現(xiàn)三種通訊網(wǎng)絡(luò)在此測(cè)控平臺(tái)內(nèi)的互連。

　　2.2數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)

　　基于B/S模式的數(shù)控機(jī)床(CNC)遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)建如下圖2.2所示：

　　基于LabVIEW的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的可分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：下位測(cè)控機(jī)子系統(tǒng)、Web服務(wù)器子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程客戶端子系統(tǒng)。

　　(1)數(shù)控機(jī)床下位機(jī)測(cè)控子系統(tǒng)

　　下位機(jī)測(cè)控子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要包括數(shù)控機(jī)床(CNC)自動(dòng)控制部分、數(shù)據(jù)采集卡、測(cè)試儀器如有線和無(wú)線的網(wǎng)絡(luò)化傳感器、分布式I/O模塊和現(xiàn)場(chǎng)智能單元等。本文重點(diǎn)研究基于LabVIEW的下位機(jī)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(guò)Web服務(wù)器，用戶可以訪問(wèn)Web站點(diǎn)，可以選擇虛擬儀器類型，可以遠(yuǎn)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(yuǎn)程測(cè)控時(shí)，由于系統(tǒng)采集任務(wù)仍是在主機(jī)上進(jìn)行，用戶通過(guò)Web瀏覽器和應(yīng)用程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。用戶向服務(wù)器發(fā)送CGI請(qǐng)求，并從服務(wù)器端接收到響應(yīng)。由于同一虛擬儀器同時(shí)只能響應(yīng)一個(gè)人的操作，而且當(dāng)一個(gè)用戶在使用時(shí)要保證直到使用結(jié)束后才能斷開(kāi)其連接。為了要減少?zèng)_突，保證客戶能很好的進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)控，在一段時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)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(tái)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控件在客戶端的執(zhí)行效率較高，因此對(duì)遠(yuǎn)程測(cè)控客戶端軟件進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)，并以ActiveX控件的形式進(jìn)行封裝。當(dāng)客戶端在訪問(wèn)服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)時(shí)，會(huì)自動(dòng)下載和運(yùn)行該ActiveX控件程序，從而實(shí)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(yuǎn)程客戶、數(shù)據(jù)測(cè)試平臺(tái)客戶)，本文選擇最具代表性的客戶——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(qǐng)求數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行身份認(rèn)證后，將嵌入了Java Applet程序的被控設(shè)備控制頁(yè)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(yè)面的Java Applet程序來(lái)完成信息輸入和反饋，進(jìn)入相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，提出他所期望的服務(wù)請(qǐng)求。通過(guò)動(dòng)態(tài)請(qǐng)求機(jī)制CGI把命令請(qǐng)求傳給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器就會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)用程序，并把命令請(qǐng)求下傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，響應(yīng)遠(yuǎn)程的服務(wù)請(qǐng)求，Web服務(wù)器和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)下位機(jī)測(cè)控服務(wù)器訪問(wèn)和控制被控對(duì)象，與被控對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊;可以把被控對(duì)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(kù)，也可以把數(shù)據(jù)庫(kù)中的控制指令與運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送給被控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的控制;或通過(guò)總線節(jié)點(diǎn)，把服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)一步下傳給具體的節(jié)點(diǎn)測(cè)控儀，進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。