机床数控系统的组网与远程监控的实现

    目前，多数数控系统专用性强、体积庞大且依赖人力操作，车间工作环境中的油污、噪声、震动等会给数控系统的运行和现场作业人员的身体造成危害。数控系统走向集成化、网络化、智能化已成为必然，对数控机床加工生产过程进行联网远程管理，也成为越来越多的制造加工企业从事现代生产管理的选择。

    要实现对数控系统的远程监控，就需要将计算机与数控机床连接起来构成一个计算机网络。计算机网络一般由服务器、工作站、外围设备和通信协议组成，根据网络的跨度可以分为广域网、局域网和城域网。作者提出一种基于实时以太网技术的主从式局域网来实现一台计算机与多台以ARM为控制核心的数控系统的连接，选用面向连接的TCP协议作为网络传输层的协议，以Socket技术为编程后台。这种局域网可以完成对数控系统的组网与远程监控，使工人与计算机都可以在远离环境恶劣的车间的情况下，顺利快速地完成各种生产任务。

1 整体结构设计

    不论采用哪种局域网技术来组建局域网，都要涉及局域网组件的选择，包括软件和硬件。其中，软件组件主要是指以网络操作系统为核心的软件系统，硬件组件则主要指计算机及各种组网设备，包括服务器和工作站、网卡、网络传输介质、网络连接部件与设备等。

    系统整体结构设计如图1所示。服务器是网络的服务中心，为满足大量的用户服务请求，服务器通常采用高档计算机，作者选用处理速度快、存储量大、可靠性好的一般计算机。以ARM为控制核心的数控系统是该网络中的工作站，该数控系统以ARM9芯片S3C24-0OA作为上位机的核心，DSP芯片TMS320F240作为下位机运动控制卡的核心，在上位机外围扩展出网卡接口，即可实现该数控系统的网络连接。网卡也叫网络适配器，是局域网中连接计算机和传输介质的接口，文中是用实时以太网技术来组建局域网，采用双绞线作为传输介质，鉴于双绞线只具备100 Mb/s的传输速度，所以采用10/100 Mb/s。的网卡。由于作者设计的是一个一对多的网络结构，所以需要额外的网络连接设备来完成一个服务器与多个客户端的连接。在比较了中继器、集线器、网桥和交换机等众多网络连接设备后，选用交换机作为网络连接设备。交换机属于数据链路层设备，能够有效隔离冲突，并且交换机为每个端口提供专用的带宽，能实现全双工传送。

    图1 系统整体结构

    在图1所示的系统中，一台PC机可以控制数台数控系统，PC机作为服务器，可以利用CAD/CAM等软件，自动生成NC代码和进行代码的校验及仿真，主要负责生成客户端所需要的NC代码及对客户端运行情况进行控制和显示，当客户端出现异常情况时，能启动警报模块以便及时排除各种故障。实时以太网负责提供一个网络通信平台使NC代码及服务器端的操作命令能实时传达到数控系统上，同时使数控系统的运行情况和各种请求能够到达服务器端并得到响应。由ARM和DSP芯片构成的功能强大的数控系统则负责NC代码的解释，然后生成各种相应的走刀轨迹，最后通过脉冲信号送达伺服驱动器，驱动各个主轴完成加工动作。数控系统在向下传送加工信号的同时，还要向上反馈自身的运行情况，使上端服务器能及时掌握数控系统的工作状态。系统选用面向连接的TCP传输层协议，以Socket技术为编程后台，使客户端与服务器端完成网络连接，顺利实现数控系统的组网与远程监控。

2 实时以太网

    根据传输介质的不同，局域网的组建有以太网、令牌环网和光纤令牌环网这3种基于有线传输介质的有线组网技术和无线局域网、虚拟局域网这两种无线组网方式。其中基于TCP/IP协议的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同厂商的设备很容易互联，这种特性非常适合于解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作等问题，这也是以太网在工业控制领域中逐渐取代现场总线方式的主要原因。另外以太网易于组网，网卡价格低廉，接口方便，易于与Internet相连，具有很高的数据传输速率、可以提供足够的带宽。所以，其不仅垄断了办公自动化领域的通信，而且在工业控制领域中也逐渐得到了广泛应用。但是，传统以太网所采用的CSMA/CD的介质访问机制以及各个节点用来处理报文冲突的二进制指数后退算法，在实时性要求较高的场合下，会令一些重要数据的传输过程产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性。

    为了使以太网技术在不改变其现有标准的前提下更好地应用到对实时性和确定性有较高要求的工控领域，世界各大公司都开始研究基于以太网的通信确定性和实时性问题，并取得了一些重要成果。目前有6种主要的实时以太网通信协议，分别是EPA实时以太网、Etherne/IP实时以太网、Modbus-IDA实时以太网、PROFINET实时以太网、Ethernet Powerlink实时以太网和EtherCAT实时以太网。作者采用Ether-ne/IP实时以太网。Etherne/IP实时扩展成功之处在于在TCP/IP之上附加CIP( Common Industrial Proto-cal)，并在应用层进行实时数据交换和运行实时应用。CIP的控制部分用于实时I/O报文或隐形报文，CIP的信息部分用于报文交换，也称作显性报文。EtherNet/IP网络采用商业以太网通信芯片、物理介质和星形拓扑结构，采用以太网交换机实现各设备间的点对点连接，能同时支持10 Mb/s和100 Mb/s以太网商业产品。Ethernet/IP协议由IEEE 802. 3物理层和数据链路层标准、TCP/IP协议组和控制与信息协议CIP( Control Information Protocol)等三部分组成。

3  TCP协议及Socket接口

    TCP协议是TCP/IP网络模型中在传输层提供的两个主要的协议之一，它是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的通信协议。TCP常用于一次传输要交换大量报文的情形，如文件传输、远程登录等。与所有网络协议类似，TCF将自己所要实现的功能集中体现在了TCP的协议数据单元中。TCP的协议数据单元也被称为分段，TCP通过分段的交互来建立连接、传输数据、发出确认、进行查错控制、流量控制及关闭连接。TCP连接包括建立和拆除两个过程，使用三次握手协议来建立连接，数据传输完成后，TCP协议又使用修改的三次握手协议来关闭连接。

    Socket接口是TCP/IP网络最为通用的API,Socket接口定义了许多函数和例程，使程序员很容易用它们来开发TCP/IP网络上的应用程序。Socket通常也称作“套接字”，用于描述IP地址和端口，应用程序通常通过Soeket向网络发出请求或者应答网络请求。其原理很简单:将一个Socket看作是一个双向的节点，一个应用程序可以通过其先与另一个应用程序建立连接(建立在一个双方都认可的端口上)，然后进行数据交换。常用的Socket类型有两种:流式Socket(SOCK_STREAM)和数据报式Socket(SOCK_DGRAM)，其中流式Socket是面向连接的，针对于TCP服务应用。