隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)越來越引起大家的重視。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是將計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動化控制技術(shù)結(jié)合起來，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集機床技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、檢測技術(shù)、圖像技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等于一體，通過 Internet/ Intranet 對機床進行遠程監(jiān)控，可以使機床具有更大的柔性和可控性。國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行了研究和開發(fā)，有的基于Web通訊平臺 ，有的以Windows為開發(fā)平臺，用VC++工具，采用Windows Sockets技術(shù)，還有的基于CORBA中間件技術(shù)等等。

本文采用Java Sockets技術(shù)來實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)對機床的實時監(jiān)控功能。

1、Java簡介

對于通用網(wǎng)絡(luò)編程語言來說，三個必要的支柱是：可移植性、速度和安全性。圖1表示了Java和其他語言進行比較的結(jié)果。

圖1 JAVA和其他語言比較

由上圖可以看出Java語言在各方面表現(xiàn)都比較均衡的，通過以上的比較和分析得知無論是從長遠的發(fā)展和目前的需求來看，使用Java語言都是一個正確的選擇。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為一個在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下開發(fā)和使用的程序，它必須具有良好的通用性、跨平臺性、穩(wěn)定性和安全性。使用Java語言來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程，能夠滿足其在各個方面的需要。

Java提供了兩種功能強大的網(wǎng)絡(luò)支持機制：URL訪問網(wǎng)絡(luò)資源的類和用Socket通訊的類，來滿足不同的要求。一是URL用于訪問Internet網(wǎng)上資源的應(yīng)用；另一種是針對client/server（客戶端/服務(wù)器）模式的應(yīng)用以及實現(xiàn)某些特殊的協(xié)議的應(yīng)用，它的通訊過程是基于TCP/IP協(xié)議中傳輸層接口socket實現(xiàn)的。

1.1 TCP/IP協(xié)議

所謂TCP/IP只是一個簡稱，分別指網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IP（Internet Protocol）及傳輸控制協(xié)議TCP（Transmission Control Protocol），是國際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中兩個非常重要的通信協(xié)議，適用于任何一組互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上的通訊。并且組建以TCP/IP為網(wǎng)絡(luò)的成本相對較少，以 TCP/IP組建的網(wǎng)絡(luò)也較為彈性。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)是專門用來描述TCP/IP 協(xié)議族的，TCP/ IP 的結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)分成四個層次，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。

1.2 Java sockets簡介

套接字（ socket ）是一種通用的網(wǎng)絡(luò)編程接口，它是對通信端點的一種抽象，提供了一種發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的機制。套接字目前有兩種: 數(shù)據(jù)報套接字（ Datagram Sockets） 和流式套接字（Stream Sockets） 。我們采用流式套接字，因為流式套接字可以將數(shù)據(jù)按順序無重復(fù)地發(fā)送到目的地，它提供的是一種可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方式。

1.2.1 流式套接字的使用方法

流式套接字的使用方法是基于連接的協(xié)議，在傳輸、接收數(shù)據(jù)之前必須先建立連接，然后才能從數(shù)據(jù)流中讀出數(shù)據(jù)。首先服務(wù)器要創(chuàng)建一個用于偵聽的套接字，為該套接字分配地址之后，調(diào)用listen （ ） 函數(shù)使它處于偵聽狀態(tài); 客戶機在創(chuàng)建套接字完畢后，為套接字分配地址，然后調(diào)用connect （） 函數(shù)，請求與服務(wù)器套接字連接; 服務(wù)器套接字在收到客戶機的連接請求后，調(diào)用accept （） 函數(shù)，該函數(shù)創(chuàng)建一個用于連接的套接字。應(yīng)用該套接字和客戶機上的連接套接字，就可以在服務(wù)器和客戶機之間進行數(shù)據(jù)傳輸了。在結(jié)束傳輸之后，雙方調(diào)用 closesocket （ ） 函數(shù)關(guān)閉套接字。其使用方法如圖2所示。

圖2 Java Stream Sockets 的通信流程圖

2、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)原理

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件運行在客戶機上，客戶機通過Intranet/Internet和服務(wù)器連接。機床的數(shù)控系統(tǒng)在服務(wù)器中運行，首先啟動服務(wù)器的本機數(shù)控系統(tǒng)，進行初始設(shè)置后，進入網(wǎng)絡(luò)控制狀態(tài)，打開偵聽套節(jié)字，等待客戶機的連接請求，待收到客戶機的連接請求后，對聯(lián)機信息進行驗證，如果符合聯(lián)機條件，則和客戶機建立連接，雙方可以互相發(fā)送和接收信息或指令。服務(wù)器的數(shù)控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)控制狀態(tài)下可以利用攝像頭實時采集機床加工狀態(tài)圖像和參數(shù)，將圖像以位圖格式保存并定時發(fā)送到客戶機顯示加工狀態(tài)，將狀態(tài)參數(shù)實時發(fā)送到客戶機；服務(wù)器和客戶機之間也可以通過超級語音或網(wǎng)絡(luò)對講機進行語音交流。在客戶機的遠程控制系統(tǒng)軟件中可以編輯數(shù)控加工代碼，然后將數(shù)控代碼傳遞到服務(wù)器中，并下載到PMAC 上等待控制指令。從客戶機向服務(wù)器發(fā)送機床加工控制指令，控制機床運轉(zhuǎn)，同時接收服務(wù)器發(fā)送的信息，動態(tài)監(jiān)視機床加工情況。通過遠程控制程序，客戶機還可在線修改機床加工參數(shù)，并能調(diào)試機床。

2.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計了一套NC嵌入PC 型的開放式數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的控制軸數(shù)為3軸，聯(lián)動軸數(shù)為2軸，本系統(tǒng)以工業(yè)PC作為主機，CNC的內(nèi)核采用美國DELTATAU公司推出PMAC- LITE型可編程多軸運動控制器，PC 上的CPU與PMAC卡的CPU構(gòu)成主從式雙微處理器結(jié)構(gòu)，兩個CPU各自實現(xiàn)相應(yīng)的功能，其中PMAC完成插補運算、位置控制、刀補、速度處理以及 PLC等實時控制；PC則通過調(diào)用Pcomm32包函數(shù)庫里的相應(yīng)功能函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。為了實現(xiàn)PMAC多軸運動控制的功能，還需在 PMAC板上擴展相應(yīng)的I/O板、伺服驅(qū)動單元、伺服電機、編碼器等，最終形成一個完整的控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用"服務(wù)器+ 客戶機"方式，數(shù)控系統(tǒng)運行在服務(wù)器上，網(wǎng)絡(luò)控制軟件運行在客戶機上，服務(wù)器和客戶機通過網(wǎng)卡和通信電纜連接在Intranet/ Internet 上，數(shù)控機床上安裝CCD 攝像頭，用來監(jiān)視機床加工情況，并通過圖像采集卡，將機床的運轉(zhuǎn)情況實時采集保存；服務(wù)器和客戶機PC上均設(shè)置語音功能，以便二者通過對話能更好的交流。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

友好的人機界面對于任何控制系統(tǒng)是不可缺少的。本系統(tǒng)界面設(shè)計采用Windows 編程中的分隔視技術(shù)，將數(shù)控系統(tǒng)人機界面分成二個子窗口。左邊的窗口為圖像顯示窗口，實現(xiàn)機床加工過程的圖像監(jiān)視；右邊的窗口為網(wǎng)絡(luò)控制窗口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機與斷開、加工代碼編輯及發(fā)送、機床加工狀態(tài)參數(shù)顯示、機床在線網(wǎng)絡(luò)調(diào)試等功能。

軟件設(shè)計的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳遞，為了保證數(shù)據(jù)及時傳遞，在軟件設(shè)計中采用了多線程技術(shù)，專門建立一個線程對采集的機床數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)傳遞。該系統(tǒng)的流程圖如圖4 所示。數(shù)控代碼在客戶機上編輯好之后，可以一次性傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器將數(shù)控代碼保存到內(nèi)存中，然后在編譯執(zhí)行數(shù)控代碼?？刂浦噶畹膫鬟f可以隨時從客戶機傳遞到服務(wù)器，服務(wù)器接到指令后立即執(zhí)行。對于機床加工圖像和狀態(tài)參數(shù)的傳遞則要復(fù)雜一些。在服務(wù)器上，數(shù)控系統(tǒng)通過CCD攝像頭實時采集加工圖像，利用定時器在每一個周期內(nèi)將圖像保存為位圖文件，然后將位圖文件通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到客戶機上，客戶機在接收完每一個位圖文件后，用定時器在每一個周期在圖像顯示窗口進行刷新顯示，使加工圖像保持連續(xù)性。同時服務(wù)器上的數(shù)控系統(tǒng)實時采集機床狀態(tài)參數(shù)，利用定時器每一個周期將以一定格式的數(shù)據(jù)傳遞到客戶機，客戶機對數(shù)據(jù)進行接收后分析，再用定時器在一個周期內(nèi)對狀態(tài)參數(shù)進行更新顯示。

為了避免位圖數(shù)據(jù)和參數(shù)數(shù)據(jù)在傳遞時的混亂現(xiàn)象，在服務(wù)器端采用中斷方法，在傳遞圖像數(shù)據(jù)時中斷參數(shù)數(shù)據(jù)的傳遞，等圖像數(shù)據(jù)傳遞完之后再傳遞參數(shù)數(shù)據(jù)，這樣就很好的解決了在數(shù)據(jù)傳遞過程中的占用通道的矛盾問題。軟件在運行過程中圖像顯示和參數(shù)更新會存在一定的滯后性，這與網(wǎng)絡(luò)傳遞的速度以及數(shù)據(jù)量的大小有一定關(guān)系。

3、網(wǎng)絡(luò)安全策略

遠程控制的安全性是非常關(guān)鍵而又復(fù)雜的問題，主要包括信息的完整、保密和可用等因素。采用加密性網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)可以提供網(wǎng)絡(luò)通信的端到端的安全保障。防火墻技術(shù)也能提高服務(wù)器端的安全等級，此外，漏洞掃描和入侵檢測技術(shù)對提高系統(tǒng)安全性能也帶來好處。

圖4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件流程圖

4、總結(jié)

本文具體介紹了一套應(yīng)用于數(shù)控機床的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，基于TCP/ IP 通訊協(xié)議，利用Java Sockets （套接字） ，建立服務(wù)器/ 客戶機模式，裝有數(shù)控系統(tǒng)的主機作為服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)控制端作為客戶機。通過客戶機對數(shù)控機床進行網(wǎng)絡(luò)控制和調(diào)試，可以使機床具有更大的柔性和可控性。該系統(tǒng)可以異地實時操作機床，基本達到動態(tài)調(diào)試和監(jiān)控機床運轉(zhuǎn)情況的目的，為機床控制和調(diào)試技術(shù)提供了高效的途徑，具有一定的實用性和價值。