基于CAN總線的DNC遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

　　DNC（Distributed Numerical Control）是把車(chē)間內(nèi)的數(shù)控機(jī)床與上位控制計(jì)算機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)加工設(shè)備集中控制與管理的一種方式。這種方式雖然充分利用了設(shè)備的潛力，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，但是對(duì)設(shè)備的維護(hù)提出了更高的要求。流水線上關(guān)鍵設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，將會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失。為了使損失降到最低，應(yīng)該在提高設(shè)備可靠性的同時(shí)，對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，以便在設(shè)備出現(xiàn)故障征兆時(shí)，能及時(shí)進(jìn)行故障處理，縮短故障診斷和維修時(shí)間。但是從我國(guó)大部分企業(yè)的人員配備模式來(lái)看，企業(yè)內(nèi)部用于設(shè)備維護(hù)的專業(yè)技術(shù)人員相對(duì)較少，不可能在全國(guó)各地設(shè)立售后服務(wù)中心，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，由于地域的原因?qū)＜覠o(wú)法及時(shí)到達(dá)故障現(xiàn)場(chǎng)，也就無(wú)法了解設(shè)備當(dāng)時(shí)的實(shí)際運(yùn)行情況和現(xiàn)場(chǎng)的基本參數(shù)，這不僅給診斷帶來(lái)了困難也給用戶帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為此本文提出了基于CAN總線的DNC遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)其體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)作了介紹。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　基于CAN總線（The Controller Area Net-work Fieldbus）的DNC遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)主要由DSP數(shù)據(jù)采集器、上位監(jiān)控機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、企業(yè)Web服務(wù)器、企業(yè)故障診斷中心及遠(yuǎn)程故障診斷中心6部分組成。

　　DSP數(shù)據(jù)采集器從傳感器組中采集來(lái)自數(shù)控機(jī)床的信號(hào)（如來(lái)自刀具切削振動(dòng)信號(hào)、機(jī)床主軸軸承振動(dòng)信號(hào)、液壓系統(tǒng)的溫度等），并進(jìn)行一系列的信號(hào)處理（如穩(wěn)壓濾波、A/D轉(zhuǎn)換等）后，經(jīng)CAN總線送入上位監(jiān)控機(jī)（另有一備份冗余監(jiān)控機(jī)）。上位監(jiān)控機(jī)上的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，而且還能通過(guò)WinSocket控件與數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行通信。此外，上位監(jiān)控機(jī)還能根據(jù)設(shè)備的加工能力將加工程序經(jīng)過(guò)CAN總線及 RS232/CAN轉(zhuǎn)換模塊送入不同的數(shù)控機(jī)床完成零件的加工;數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上安裝了Microsoft公司的SQL Server 2000。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器應(yīng)用程序的主要任務(wù)是接收和處理來(lái)自上位監(jiān)控機(jī)的數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)寫(xiě)入原始數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后將其寫(xiě)入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)流水線上的某一機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，將故障時(shí)刻的記錄寫(xiě)入設(shè)備故障狀況表中;Web服務(wù)器是設(shè)立在Internet上的服務(wù)站點(diǎn)，企業(yè)故障診斷中心及遠(yuǎn)程故障診斷中心與Web服務(wù)器之間采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式，所有監(jiān)控、分析、診斷軟件都放在Web服務(wù)器上，并通過(guò)Web主頁(yè)進(jìn)行管理。

2 遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集

　　本遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)中的在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的通信程序中設(shè)置了一些底層函數(shù)供上位監(jiān)控機(jī)調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)DSP采集器與監(jiān)控機(jī)的通訊。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的工作流程是：傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)必要的穩(wěn)壓濾波，送入ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），并根據(jù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的不同需要，若是參考性、資料性信號(hào)，就把數(shù)據(jù)存貯起來(lái)適當(dāng)?shù)臅r(shí)候傳到上位機(jī);若是比較緊急和實(shí)時(shí)的控制反饋數(shù)據(jù)，比如說(shuō)機(jī)床報(bào)警信號(hào)，那就及時(shí)的傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理或用作控制。系統(tǒng)中，各DSP芯片獨(dú)自的完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集。并可通過(guò)上位機(jī)下傳數(shù)據(jù)表格的方式靈活的改變傳感器的定標(biāo)系數(shù)，尤其適合于傳感器線性度不是很理想的系統(tǒng)。各DSP的工作狀態(tài)和工作模式由上位機(jī)靈活選擇，提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

　　數(shù)據(jù)采集器以DSP芯片-TMS320LF2407A芯片為核心，TMS320LF2407A的ADC模塊帶有內(nèi)置采樣/保持電路的10位ADC，總共有16個(gè)模擬輸入通道，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。頻率采集則利用DSP芯片所帶事件管理器的捕獲單元完成由于2407A芯片帶有六個(gè)捕獲單元，他們?cè)谙鄳?yīng)的捕獲引腳上出現(xiàn)跳變時(shí)被觸發(fā)，產(chǎn)生捕獲中斷。TMS320L2407A芯片所帶的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間只有64K，不能滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量，因此需要對(duì)2407A芯片進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。考慮到數(shù)據(jù)量的大小和防止掉電數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，因此選用256K×16位的FLASH芯片SST39VF400A作為片外擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

　　2.2 上位監(jiān)控機(jī)與數(shù)控機(jī)床之間的通信實(shí)現(xiàn)

　　為了減輕現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理層的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，本系統(tǒng)在監(jiān)控機(jī)與數(shù)控機(jī)床之間采用雙層CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一層用于加工過(guò)程及機(jī)床的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，主要用于DSP采集器中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸;另一層用于DNC操作，DNC操作子層的主要任務(wù)實(shí)現(xiàn)NC程序的上傳和下載、NC程序的編輯及加工工藝信息的讀取等，它通過(guò)CAN總線及RS232/CAN轉(zhuǎn)換模塊送入不同的數(shù)控機(jī)床完成零件的加工。

　　（1）采集器中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸

　　TMS320LF2407A帶有標(biāo)準(zhǔn)的CAN控制器，可以很方便的組成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備網(wǎng)。TMS320LF2407A上的CAN控制器完全支持 CAN2.0B協(xié)議，其數(shù)據(jù)幀格式有：標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種不同的幀格式，前者為11位標(biāo)識(shí)符，后者有29位標(biāo)識(shí)符。由于在實(shí)際控制中DSP控制器的上傳數(shù)據(jù)僅為32位數(shù)據(jù)（包括控制器標(biāo)志符等信息），因此本系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式。在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)下層的控制器向上位機(jī)的傳遞數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于上位機(jī)下傳的數(shù)據(jù)量，因此在數(shù)據(jù)編碼時(shí)將控制信息、采樣數(shù)據(jù)編號(hào)信息和控制量、采集量均加載在數(shù)據(jù)字節(jié)里。由此CAN總線通訊協(xié)議的形式為：“ID號(hào)+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)”，其中ID號(hào)為各DSP采集器編號(hào)，采用11位標(biāo)識(shí)符的前4位。為了保證通訊的可靠性，在數(shù)據(jù)接受后，都由一個(gè)返回幀來(lái)表示確認(rèn)，其校驗(yàn)位（占一個(gè)字節(jié)）為發(fā)送端的固定代碼。

　　CAN通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，對(duì)于接受采用中斷的方式，要求系統(tǒng)對(duì)于接受到的數(shù)據(jù)必須馬上處理，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)特性，其程序流程圖見(jiàn)圖2。DSP 上傳實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的發(fā)送采用定時(shí)查詢的方式，查詢ADC采樣是否結(jié)束并且進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后，立即將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN控制器裝載并發(fā)送到CAN總線上。

圖2 CAN中斷接受程序流程圖

　　（2）CAN總線及RS232/CAN轉(zhuǎn)換模塊

　　在DNC操作中，由于數(shù)控機(jī)床所提供的程序傳送接口是標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行口，因此存在CAN協(xié)議與RS232之間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。由于CAN232B轉(zhuǎn)換器完全支持CAN2.0B協(xié)議，并且利用它所組成的CAN控制網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)靈活、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、通訊速率高、總線利用率高等優(yōu)點(diǎn)，故本系統(tǒng)使用 CAN232B轉(zhuǎn)換器。對(duì)于上位監(jiān)控機(jī)（RS232主控設(shè)備）而言，需要它具備尋址各數(shù)控機(jī)床（多個(gè)RS232設(shè)備）的能力。此時(shí)，按照CAN232B轉(zhuǎn)換器的配置協(xié)議，對(duì)監(jiān)控機(jī)的RS232程序進(jìn)行補(bǔ)充、修改，使監(jiān)控機(jī)可向所連接的CAN232B轉(zhuǎn)換器發(fā)送命令幀”，以設(shè)置CAN幀格式，動(dòng)態(tài)配置 CAN232B發(fā)送的CAN幀信息。這樣，監(jiān)控機(jī)就可以通過(guò)CAN232B發(fā)送具有不同ID的CAN報(bào)文幀，來(lái)尋址不同地址的數(shù)控機(jī)床，從而實(shí)現(xiàn)在對(duì) DNC的操作。

　　2.3 基于Web的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)的搭建

　　要實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程故障診斷，企業(yè)故障診斷中心或遠(yuǎn)程故障診斷中心的專家必須通過(guò)Internet（或Intranet）獲得系統(tǒng)的故障和狀態(tài)信息，同時(shí)又能夠讓故障診斷中心的專家通過(guò)Internet（或Intranet）查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。

　　ASP（Active Server Pages）內(nèi)含于IIS 3.0之后的版本中，ASP本身并不是一種腳本語(yǔ)言，其實(shí)是一套微軟開(kāi)發(fā)的服務(wù)器端腳本環(huán)境，即它只是提供了一種使鑲嵌在HTMI頁(yè)面中的腳本程序得以運(yùn)行的環(huán)境。它具有使用簡(jiǎn)單，并且有強(qiáng)大的后臺(tái)支持。本系統(tǒng)的工作環(huán)境為 Windows 2000 Server，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)為VC++，在此選用Microsoft的ASP，它既簡(jiǎn)單好用，又有強(qiáng)大的功能和強(qiáng)有力的技術(shù)支持。通過(guò)ASP可以結(jié)合HTML網(wǎng)頁(yè)、VBScript和JavaScript. ASP指令和ActiveX元件建立動(dòng)態(tài)、交互且高效的Web服務(wù)器應(yīng)用程序。而且ASP與ADO（ActiveX Data Objects）結(jié)合很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，訪問(wèn)模型如圖3所示。當(dāng)瀏覽器發(fā)出一個(gè)HTTP請(qǐng)求時(shí)，Web服務(wù)器響應(yīng)這一請(qǐng)求，調(diào)用ASP引擎解釋被申請(qǐng)的ASP文件，若遇到的是Active X控件，則啟動(dòng)相應(yīng)的Active X控件。借助于 ADO及SQL語(yǔ)言訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將其運(yùn)行結(jié)果生成相應(yīng)的HTML語(yǔ)法成份，與文件中原有的文本和HTML標(biāo)記一起組成標(biāo)準(zhǔn)的HTML頁(yè)面返回至客戶端瀏覽器。

圖3 基于ASP的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)示意圖

　　2.4 監(jiān)控機(jī)與企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之間的通信

　　數(shù)據(jù)庫(kù)與企業(yè)監(jiān)控診斷中心（或遠(yuǎn)程診斷中心）監(jiān)控機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信采用 Windows Sockets通信機(jī)制，Socket通信是一種特殊的 I/O，Socket實(shí)際上是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上提供的一個(gè)通信端口，借助于它，用戶所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與其它應(yīng)用程序進(jìn)行通信。Socket 提供的一整套原語(yǔ)可供用戶編程調(diào)用和訪問(wèn)系統(tǒng)資源，并可用來(lái)開(kāi)發(fā)一些與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的、有實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)用軟件。在應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)中主要使用兩種類(lèi)型的 Socket（套接字）：

　　1.流式套接字。它定義了一種可靠的、面向連接的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)差錯(cuò)、無(wú)重復(fù)的順序數(shù)據(jù)傳輸。適用于處理大量數(shù)據(jù)，流式套接字使用的是TCP協(xié)議，TCP協(xié)議是以連接為基礎(chǔ)的，即必須先建立連接，才能相互通信。如HTTP， FTP， Telnet等使用的都是流式套接字。

　　2.據(jù)報(bào)套接字。它定義了一種無(wú)連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過(guò)相互獨(dú)立的報(bào)文進(jìn)行傳輸，是無(wú)序的，并且不保證可靠、無(wú)差錯(cuò)。數(shù)據(jù)報(bào)套接字雖然也使用IP，但是它不使用TCP，而是UDP（User Datagram Protocol）。 UDP不像流式套接字那樣維護(hù)一個(gè)打開(kāi)的連接，用戶只需要把數(shù)據(jù)打成一個(gè)包，把遠(yuǎn)程的IP貼上去，然后就把這個(gè)包發(fā)出去。如TFTP（Trivial File Transfer Protocol）就使用UDP。

　　為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕撓到y(tǒng)采用基于可靠連接的流式套接字，其協(xié)議為T(mén)CP/IP協(xié)議。由于Windows server 2000是多任務(wù)操作系統(tǒng)，不同的任務(wù)對(duì)應(yīng)著不同的進(jìn)程。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常傳輸，必須通過(guò)端口號(hào)明確監(jiān)控機(jī)是與數(shù)據(jù)庫(kù)的哪一個(gè)進(jìn)程相連，可供各監(jiān)控機(jī)使用的端口號(hào)范圍為：1024～4999，本系統(tǒng)中選用3000。此外，由于同時(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)相連的監(jiān)控機(jī)可以多于一個(gè)，為了使各個(gè)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)通信不會(huì)發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序應(yīng)首先創(chuàng)建一個(gè)偵聽(tīng)Sockets，用于接收監(jiān)控機(jī)的連接請(qǐng)求。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)接受了監(jiān)控機(jī)的連接請(qǐng)求后，會(huì)返回一個(gè)新Sockets的描述符，這個(gè)新 Sockets將用來(lái)處理新的連接。原來(lái)的Sockets將繼續(xù)偵聽(tīng)新的連接請(qǐng)求。整個(gè)數(shù)據(jù)通信過(guò)程的流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與監(jiān)控機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信流程圖

3 結(jié)論

　　基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、CAN總線、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和Internet的遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)解決了DNC數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部位的實(shí)時(shí)監(jiān)控及故障診斷問(wèn)題。本文所提出的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)、車(chē)間監(jiān)控級(jí)、企業(yè)監(jiān)控級(jí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控級(jí)的四級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將有助于提高遠(yuǎn)程故障診斷的可實(shí)現(xiàn)性和準(zhǔn)確率，并最終達(dá)到提高企業(yè)效率的目的。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)化應(yīng)用的深入，以及成熟可用的專家系統(tǒng)將逐漸出現(xiàn)，遠(yuǎn)程故障診斷也必將成為未來(lái)企業(yè)的一種主要診斷服務(wù)方式。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):提出了基于CAN總線的DNC遠(yuǎn)程診斷及監(jiān)控系統(tǒng);提出了由DSP、多傳感器組成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);將CAN總線網(wǎng)絡(luò)與 Ethernet、Internet結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)、車(chē)間監(jiān)控級(jí)、企業(yè)監(jiān)控級(jí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控級(jí)的四級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu);探討了基于Web的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)技術(shù)。

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