基于LabVIEW的數控機床網絡測控系統(tǒng)——總體設計 (一)

　　2 數控機床網絡測控系統(tǒng)的總體設計

　　2.1 數控機床網絡測控系統(tǒng)的設計思路和目標

　　隨著測控網絡與信息網絡的融合，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絡系統(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、能夠和其他高層網絡互聯(lián)的測控網絡系統(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，需要測控網絡和信息網絡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，從測控網絡和信息網絡各自的發(fā)展來看，它們均已表現出走向對方并相互融合的進步趨勢。為了實現這種融合，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。下面來討論測控網絡和信息網絡互聯(lián)的具體實現。

　　網絡化工業(yè)測控系統(tǒng)是電子、計算機硬件軟件以及網絡、通信等多方面技術的有機組合體，以智能化、網絡化、交互性為特征，結構比較復雜，多采用體系結構來表示其總體框架和系統(tǒng)特點。網絡化工業(yè)測控系統(tǒng)的體系結構，包括基本網絡系統(tǒng)硬件、應用軟件和各種協(xié)議。根據前述的分析，可以將信息網絡體系結構內容(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，形成一個統(tǒng)一的網絡化工業(yè)測控系統(tǒng)體系結構的抽象模型。該模型可反映網絡化工業(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是網絡化工業(yè)測控系統(tǒng)體系結構圖。

　　該結構模型將網絡化工業(yè)測控系統(tǒng)劃分成若干邏輯層，各邏輯層實現特定的功能。

　　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(tǒng)，信號采集系統(tǒng)，硬件協(xié)議轉換和數據流傳輸控制系統(tǒng)。網絡化工業(yè)測控系統(tǒng)的另一個邏輯層主要由鏈路層、網絡層、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據流傳輸的平臺。除上述兩邏輯層外，網絡化工業(yè)測控系統(tǒng)還不可缺少的是應用層。

　　根據需要，提供HTTP、FTP、TFTP、SMTP等服務。其中，HTTP用以實現Web儀器服務;FTP和TFTP用于實現向用戶傳送數據，從而形成用戶數據庫資源;而SMTP則用來發(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(tǒng)。低級用戶無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，就可實現對測量數據的觀測。高級用戶可經由網絡修改配置來控制儀器在不同儀態(tài)下的運行;經網絡傳來的數據，可交由專門數據處理軟件分析，以實現最優(yōu)化的決策和控制，以實現如MIS應用等。具體的網絡化工業(yè)測控系統(tǒng)實現時需具備以下條件：

　　(1)由于測控系統(tǒng)嵌入式的特殊性，以及它在不同應用場合和項目中所要完成的功能各異，故應將測控網絡與信息網絡有機地融合為一體。在某些應用中，現行的各種現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，會話層、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(tǒng)可方便地實現網絡互聯(lián)。

　　(2)客戶/服務器(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上流行的網絡/瀏覽器(Web/Browser——W/B)模式，它以Http協(xié)議的html標記語言為通用標準。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。在三級網絡體系結構中，Web服務器既作為一個瀏覽服務器，又作為一個應用服務器。

　　(3)數據庫管理系統(tǒng)。它是測控網絡的一個核心部分，為各種用戶提供訪問和修改數據庫中存儲的數據。

　　(4)網絡管理。由于網絡的復雜性和開放性，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，測控信息網絡的管理有其特殊性，具體有不同的配置管理和嚴格的安全管理。對于網絡管理，其中基于TCP/IP的簡單網絡管理協(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。

　　本文將研究網絡測控系統(tǒng)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網絡的B/S模式的數控機床遠程測控系統(tǒng)?？蛻舳丝梢栽贗nternet上通過網絡從測試儀器獲取數據。同時客戶端和下位測控機通信以及客戶端與遠程數據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技術模塊，它較容易實現網上實時高速的數據交換?？蛻舳伺c遠程數據庫的數據通信部分，則在LabVIEW系統(tǒng)基礎上對LabSQL工具包進行修改，從而實現了采集數據實時與遠程數據庫的通信存儲功能。通過測控軟件的結構化設計使系統(tǒng)實現現場數據的采集、分析、存儲回放以及遠程測控等功能目標。設計中使該系統(tǒng)平臺兼容工業(yè)以太網、DeviccNet、Profibus三種現場總線通訊網絡，同時通過協(xié)議轉換器和現場智能單元實現三種通訊網絡在此測控平臺內的互連。

　　2.2數控機床網絡測控系統(tǒng)的設計架構

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

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

　　(1)數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，主要包括數控機床(CNC)自動控制部分、數據采集卡、測試儀器如有線和無線的網絡化傳感器、分布式I/O模塊和現場智能單元等。本文重點研究基于LabVIEW的下位機數據采集與儀器控制部分。

　　(2)Web服務器子系統(tǒng)

　　通過Web服務器，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，并且獲得結果。公共網關接口(CGI)和傳輸控制協(xié)議(TCP)是客戶端與Web服務器以及Web服務器控制服務器之間的主要通訊方法。在遠程測控時，由于系統(tǒng)采集任務仍是在主機上進行，用戶通過Web瀏覽器和應用程序之間進行數據交換。用戶向服務器發(fā)送CGI請求，并從服務器端接收到響應。由于同一虛擬儀器同時只能響應一個人的操作，而且當一個用戶在使用時要保證直到使用結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，在一段時間內只能有一個用戶得到控制權。

　　(3)Web客戶端子系統(tǒng)

　　客戶端子系統(tǒng)是嵌入在Web服務器中的。當用戶登錄到Web服務器上后，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，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。當客戶端在訪問服務器網頁時，會自動下載和運行該ActiveX控件程序，從而實現客戶端和服務器端的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、數據測試平臺客戶)，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服務器所在的主頁，Web服務器請求數據庫進行身份認證后，將嵌入了Java Applet程序的被控設備控制頁面以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，進入相應的測試系統(tǒng)平臺，提出他所期望的服務請求。通過動態(tài)請求機制CGI把命令請求傳給Web服務器，Web服務器就會啟動相應的應用程序，并把命令請求下傳到后臺數據庫，響應遠程的服務請求，Web服務器和存儲數據庫之間采用C/S模式網絡應用構架，因此網絡通訊利用Socket編程。用戶可以通過下位機測控服務器訪問和控制被控對象，與被控對象進行數據通訊;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，實現對遠程設備的控制;或通過總線節(jié)點，把服務請求進一步下傳給具體的節(jié)點測控儀，進行相應的測試。