基于WEB 的數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

蘇憲利，鄭一麟

(1.渤海大學 信息科學與技術(shù)學院，遼寧 錦州 121013;2.中國科學院 沈陽計算技術(shù)研究所，沈陽

110068)

0 引言

基于Web 的數(shù)控機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)，是一種以Internet 為基礎(chǔ)、以B/S 模式為架構(gòu)完成對遠程數(shù)控機床進行監(jiān)測和控制的軟硬件結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)，該應(yīng)用系統(tǒng)可以通過Web 頁面實現(xiàn)對遠程機床的運轉(zhuǎn)情況進行監(jiān)測、對CNC 系統(tǒng)進行操作、對機床故障進行診斷和分析。

近年來，國外的高檔數(shù)控機床一般都配備了一套遠程的故障診斷和支持系統(tǒng)［1］，如西門子、AB 等公司都為各自相應(yīng)的高檔數(shù)控機床提供了遠程支持服務(wù)，但這些服務(wù)的價格偏高，且服務(wù)軟件的體系結(jié)構(gòu)一般為C/S 結(jié)構(gòu)，對客戶端的軟硬件條件要求較高，所以在國內(nèi)市場的接受程度較低。

本文針對我國高檔數(shù)控機床提供了一套基于Web 的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、匯聚節(jié)點和Web 服務(wù)三部分的協(xié)同工作，為用戶提供了數(shù)控機床的遠程監(jiān)控和故障診斷服務(wù)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的開發(fā)是為了使用戶能夠在遠程監(jiān)測機床的運轉(zhuǎn)狀況、能夠控制機床操作和對機床的故障進行診斷，所以本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、匯聚節(jié)點、工業(yè)以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web 專家系統(tǒng)和CNC 系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

無線采集設(shè)備(無線傳感器等)的數(shù)據(jù)通過Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)傳送至匯聚節(jié)點，有線采集設(shè)備的數(shù)據(jù)通過工業(yè)現(xiàn)場總線傳送至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點對數(shù)據(jù)進行格式處理后通過工業(yè)以太網(wǎng)存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。Web 專家系統(tǒng)在遠程瀏覽器端發(fā)出Web 訪問請求，通過Internet 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至Web 服務(wù)器，Web 服務(wù)進程進行請求分析和響應(yīng)，對瀏覽請求，調(diào)用頁面業(yè)務(wù)邏輯訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，產(chǎn)生頁面發(fā)送至瀏覽器端。對控制請求，Web 服務(wù)進程調(diào)用控制業(yè)務(wù)邏輯通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送控制命令到CNC 系統(tǒng)，完成對機床的控制操作，達到系統(tǒng)的控制目的。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)從功能上劃分為三部分:數(shù)據(jù)采集模塊、匯聚節(jié)點處理模塊和Web 服務(wù)模塊，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。數(shù)據(jù)采集模塊完成機床運轉(zhuǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)的采集。匯聚節(jié)點處理模塊完成采集數(shù)據(jù)的處理、傳輸和存儲。Web 服務(wù)模塊完成Web 服務(wù)的提供和管理，完成控制命令向CNC 系統(tǒng)的傳送。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊由無線傳感器、有線監(jiān)控設(shè)備兩部分組成，無線傳感器采用了ZigBee 近距離無線通信協(xié)議，芯片采用了低功耗的8 位微控制器CC2530，CC2530 支持IEEE 802.15.4 標準，還支持ZigBee PRO 網(wǎng)絡(luò)、ZigBee RF4CE 遠程控制和監(jiān)控等一系列的應(yīng)用。當前大多數(shù)數(shù)控機床系統(tǒng)中使用傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)［2］，將各種傳感器通過有線方式與匯聚節(jié)點連接起來。這種方式使硬件的設(shè)計變得簡單，但是在搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程中，纏繞機床床身的線纜會使機床的美觀性下降，同時也增加了布線的難度［3］，無線傳感器就是應(yīng)用于機床中不適合安裝有線的環(huán)境，如機床主軸溫度檢測，為了防止主軸溫度過高必須由人工定期進行主軸油的添加，通過在主軸內(nèi)部安裝無線傳感器來監(jiān)測主軸的溫度，解決了主軸溫度監(jiān)測需要人工實時干預(yù)的問題。有線監(jiān)控設(shè)備主要是指高清攝像頭，通過攝像頭對機床的運轉(zhuǎn)實況進行實時監(jiān)測，監(jiān)控數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線傳送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點對數(shù)據(jù)處理后上傳至數(shù)據(jù)庫，Web 服務(wù)模塊通過訪問數(shù)據(jù)庫為Web 專家系統(tǒng)提供實時監(jiān)測圖像，真實反映現(xiàn)場情況。

3 匯聚節(jié)點處理模塊設(shè)計

匯聚節(jié)點處于星形網(wǎng)絡(luò)的核心位置，需要對所有的數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)，為了最大限度滿足它的工作需求，匯聚節(jié)點采用USB 直流電源供電。處理器采用基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的微控制器STM32F103［4］。匯聚節(jié)點的功能由兩部分組成，一部分完成采集數(shù)據(jù)的格式處理，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為匯聚節(jié)點能夠識別的數(shù)據(jù)格式。另一部分完成數(shù)據(jù)的傳輸和存儲，數(shù)據(jù)在傳輸前進行封裝，產(chǎn)生UDP 數(shù)據(jù)包上傳。這些功能均由ARM 實現(xiàn)。

3.1 格式轉(zhuǎn)化功能的設(shè)計

本模塊涉及到的數(shù)據(jù)格式有兩種，第一種是由無線傳感器傳輸?shù)腪igBee 協(xié)議的數(shù)據(jù)，第二種是由有線監(jiān)控設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)到達匯聚節(jié)點后進行數(shù)據(jù)格式的重新封裝，封裝后的數(shù)據(jù)為上行數(shù)據(jù)，格式為可變長數(shù)據(jù)格式。格式的結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 上行數(shù)據(jù)格式

3.2 數(shù)據(jù)傳送功能的設(shè)計:

本部分功能完成了標準數(shù)據(jù)格式到UDP 數(shù)據(jù)包的封裝過程，封裝后的數(shù)據(jù)包通過Socket 處理服務(wù)進程寫入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。此部分工作的流程圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳送功能流程圖

由于需要處理的數(shù)據(jù)量很大，本系統(tǒng)引入了優(yōu)先級機制來區(qū)分對待報警數(shù)據(jù)和非報警數(shù)據(jù)，報警數(shù)據(jù)需要優(yōu)先傳送，因此在數(shù)據(jù)封裝過程中采用了動態(tài)優(yōu)先級可搶占調(diào)度算法，數(shù)據(jù)的優(yōu)先級從等待時間和緊急性兩個角度進行動態(tài)的調(diào)整。對于報警數(shù)據(jù)賦予最高優(yōu)先級，對于其它數(shù)據(jù)使用了隨時間增長而提高優(yōu)先級的策略。當一個數(shù)據(jù)到達時先判斷數(shù)據(jù)的類型，報警數(shù)據(jù)立即賦予最高優(yōu)先級，進行封裝，如數(shù)據(jù)大小已達到滿包標準，立即發(fā)送。否者查看是否有其它最高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，如有繼續(xù)封裝，并提高等待時間長的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，如沒有則查看是否有低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，有則封裝打包，沒有則填充至滿包發(fā)送。這種調(diào)度策略保證了系統(tǒng)即具有很高的實時性，又有一定的公平性，數(shù)據(jù)打包完成后，使用多線程和Socket 通信機制［5］，完成了數(shù)據(jù)的上傳工作，上傳數(shù)據(jù)由Socket處理服務(wù)進程存入數(shù)據(jù)庫。

4 Web 服務(wù)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

Web 服務(wù)模塊由三部分組成，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web 服務(wù)器和Web 專家系統(tǒng)，該模塊實現(xiàn)了Web 專家系統(tǒng)通過瀏覽器對遠程機床進行監(jiān)控的功能。

4.1 Web 服務(wù)模塊的原理

本模塊的設(shè)計采用了B/S 架構(gòu)和分布式數(shù)據(jù)庫的設(shè)計模式，Web 服務(wù)器采用了WebLogic 軟件，數(shù)據(jù)庫采用了Oracle11g，開發(fā)框架為S2SH，開發(fā)技術(shù)為Java+Ajax。

B/S 架構(gòu)是一種瘦客戶端的設(shè)計模式［6］，極大的減輕了客戶端的負擔，使用者只要能接入互聯(lián)網(wǎng)就能方便的訪問B/S 系統(tǒng)，對客戶端硬件條件要求極低，使用者可以通過手機、PC 機和移動終端等設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)使用本系統(tǒng)，隨時隨地的監(jiān)測機床的運行情況，并根據(jù)實際需求及時發(fā)送控制命令。因而提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，方便了用戶的使用。

S2SH 框架中Struct2 提供了控制器的功能［7］，Spring 提供了容器的管理功能，Hibernate 提供了數(shù)據(jù)庫的管理功能。本模塊的功能結(jié)構(gòu)與S2SH 框架的映射關(guān)系如圖4 所示。

圖4 web 模塊功能映射圖

本模塊中的頁面請求由Struct2 進行接收，接收后調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯進行處理，業(yè)務(wù)邏輯使用相應(yīng)的對象完成數(shù)據(jù)操作，對象操作與數(shù)據(jù)庫操作的映射由Hibernate 完成。

本模塊中用戶向Web 服務(wù)器發(fā)出請求后［8］，數(shù)據(jù)的傳送需要實時進行，B/S 結(jié)構(gòu)中實時刷新會產(chǎn)生頁面的閃動，因而本系統(tǒng)采用了Ajax 技術(shù)解決頁面閃動問題，Ajax 技術(shù)使用異步請求技術(shù)［9］，由Ajax 發(fā)出數(shù)據(jù)請求，服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)響應(yīng)，傳回客戶端，實現(xiàn)了局部數(shù)據(jù)的實時無刷更新。即提高了實時響應(yīng)的時間，又改善了用戶界面的視覺效果［10］。

本模塊的另一個功能是把頁面產(chǎn)生的控制命令發(fā)送給CNC 系統(tǒng)，控制命令為下行命令，命令格式為固定長度數(shù)據(jù)，命令格式結(jié)構(gòu)如表2 所示。

表2 下行命令格式

4.2 Web 服務(wù)模塊的實現(xiàn)

實時監(jiān)測頁面實現(xiàn)了機床運轉(zhuǎn)情況的實時監(jiān)測功能，該頁面通過調(diào)用實時數(shù)據(jù)處理邏輯完成對頁面的刷新。該邏輯主要是使用了Ajax 技術(shù)與前臺進行異步通信，通過前臺頁面的實時Ajax 請求，對數(shù)據(jù)庫進行查詢，并將結(jié)果集送給前臺頁面，前臺進行局部數(shù)據(jù)更新，實現(xiàn)了無刷更新的效果。效果圖如圖5 所示。

圖5 機床狀態(tài)實時監(jiān)測圖

歷史曲線頁面實現(xiàn)了對設(shè)備狀態(tài)和設(shè)備參數(shù)歷史曲線的再現(xiàn)顯示功能，該頁面通過調(diào)用曲線繪制邏輯完成曲線的繪制。曲線的繪制分為兩種情況，一種是靜態(tài)繪制，完成用戶指定設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)曲線的一次性繪制。另一種是動態(tài)繪制，完成用戶指定設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)曲線的實時繪制。實時繪制功能采用了Jquery 技術(shù)，實現(xiàn)曲線實時無刷繪制。效果圖如圖6 所示。

圖6 機床狀態(tài)實時曲線圖

設(shè)備信息頁面完成設(shè)備具體信息的顯示功能和特定設(shè)備的控制功能，該頁面通過調(diào)用設(shè)備信息控制邏輯，完成讀寫數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備信息，并將頁面對CNC 系統(tǒng)的操作命令發(fā)出，然后由設(shè)備控制邏輯調(diào)用Socket 服務(wù)器端通信程序，將控制命令傳送給Socket 客戶端程序，再送給CNC 系統(tǒng)，完成控制。

用戶登錄界面實現(xiàn)了用戶登錄的驗證功能，該界面通過調(diào)用用戶登錄驗證邏輯，對用戶登錄的合法性進行校驗，并根據(jù)用戶的權(quán)限信息生成用戶界面的菜單，實現(xiàn)了用戶菜單定制的功能。

5 結(jié)論

經(jīng)過數(shù)據(jù)的對比，本系統(tǒng)所處理數(shù)據(jù)的準確性和實時性優(yōu)于國外廠商提供的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，更適合我國市場需求。本系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性與C/S 監(jiān)控系統(tǒng)的對比圖如圖7 所示。圖7 中橫軸為運行時間，單位為天，縱軸為響應(yīng)時間，單位為秒。

圖7 數(shù)據(jù)響應(yīng)時間對比圖

通過長時間的運行和對比，系統(tǒng)所占資源對比圖如圖8 所示，圖8 中橫軸為運行時間，單位為天，縱軸為內(nèi)存占用大小，單位為M。通過圖形數(shù)據(jù)對比分析本系統(tǒng)在性能上完全優(yōu)于對比系統(tǒng)。

圖8 系統(tǒng)運行所占資源對比圖

本系統(tǒng)在設(shè)計思想上采用了先進的設(shè)計理念，在開發(fā)技術(shù)上采用了成熟穩(wěn)定的技術(shù)，在調(diào)度、運算方法上都經(jīng)過了科學嚴密的論證和實驗，系統(tǒng)經(jīng)過嚴格的測試，所得到的測試數(shù)據(jù)真實可靠。因此本系統(tǒng)具有很廣泛的應(yīng)用價值和理論研究價值。

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