基于Web遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

李偉榮，林尚勇

(1．深圳地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518060)

(2．深圳智信達(dá)數(shù)控系統(tǒng)有限公司，廣東深圳 518054)

現(xiàn)代信息技術(shù)特別是分布式計(jì)算技術(shù)、通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，為在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的制造提供了更加有效的手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，尤其是Internet的普及，人們對(duì)工業(yè)系統(tǒng)的過(guò)程控制提出了越來(lái)越高的要求，控制應(yīng)當(dāng)不僅僅局限于現(xiàn)場(chǎng)控制，應(yīng)該與網(wǎng)絡(luò)Internet/Intranet技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)它們對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)客戶端對(duì)快速成形設(shè)備進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，為進(jìn)一步研究在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控和信息集成奠定基礎(chǔ)，具有重大現(xiàn)實(shí)意義［1］。

1 單機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

單機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器的核心是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，它可實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算。運(yùn)動(dòng)控制器提供標(biāo)準(zhǔn)的ISA總線和PCI總線，可以方便地添加到PC機(jī)當(dāng)中。

在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)中提供訪問(wèn)運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控內(nèi)核API，該DLL由制造商隨運(yùn)動(dòng)控制器一起提供。用戶在構(gòu)建自己的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)調(diào)用DLL中的數(shù)控內(nèi)核API訪問(wèn)運(yùn)動(dòng)控制器，從而將運(yùn)動(dòng)控制器的控制功能與用戶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)等功能集成在一起，靈活構(gòu)建符合特定應(yīng)用要求的控制系統(tǒng)。因此對(duì)于不同的加工系統(tǒng)，可以使用運(yùn)動(dòng)控制器所提供的數(shù)控內(nèi)核API，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。本文所研究的對(duì)象為深圳智信達(dá)數(shù)控系統(tǒng)有限公司提供的、采用固高四軸運(yùn)動(dòng)控制卡為本地控制系統(tǒng)的快速成形設(shè)備。圖1為典型的單機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 單機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

2．1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著Internet技術(shù)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍日益廣泛，并且互聯(lián)網(wǎng)的安全性問(wèn)題、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性問(wèn)題也得到了很好的解決，使得各種不同的信號(hào)都能保質(zhì)保量地在互聯(lián)網(wǎng)上傳送。

再者，現(xiàn)在數(shù)控設(shè)備的可控性、開(kāi)放性越來(lái)越好，可以用不同的方式來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)作。

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器/服務(wù)器)網(wǎng)絡(luò)模式。服務(wù)器采用Windows系統(tǒng)自帶的IIS服務(wù)器。遠(yuǎn)程控制客戶端由瀏覽器組成，它們負(fù)責(zé)與運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)據(jù)接口，并將參數(shù)按一定的協(xié)議通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給后端的服務(wù)器進(jìn)行處理。服務(wù)器端有專門(mén)處理控制參數(shù)的服務(wù)程序，服務(wù)程序根據(jù)控制參數(shù)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)［2］。

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)

同時(shí)服務(wù)器端根據(jù)服務(wù)程序從運(yùn)動(dòng)控制卡取得設(shè)備的各種狀態(tài)參數(shù)并反饋到客戶端，因此客戶端能很方便地采集數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2．2 系統(tǒng)工作流程

用戶在瀏覽器中輸入Web服務(wù)器的地址，Web服務(wù)器將用Flash制作的控制臺(tái)用瀏覽器的形式顯示到客戶端，客戶端根據(jù)XML配置文件連接到執(zhí)行服務(wù)器。

用戶設(shè)定好所需參數(shù)后提交給應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器直接和客戶端瀏覽器建立連接，將運(yùn)動(dòng)控制器狀態(tài)參數(shù)傳送到瀏覽器中。當(dāng)用戶發(fā)送運(yùn)動(dòng)命令時(shí)，執(zhí)行服務(wù)器將加工任務(wù)映射為運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控內(nèi)核API進(jìn)行調(diào)用，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)用戶所設(shè)定的運(yùn)動(dòng)。

圖3 基于B/S模式的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)流程

3 Web遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3．1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送技術(shù)

Internet環(huán)境下的“WWW”以“請(qǐng)求－響應(yīng)”的方式進(jìn)行工作?？蛻舳藶g覽器只有不斷地向Web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，因而具有被動(dòng)性和滯后性，無(wú)法及時(shí)獲取遠(yuǎn)程設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，而且當(dāng)網(wǎng)頁(yè)中僅有部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)生了變化，Web服務(wù)器也必須重新發(fā)送整張網(wǎng)頁(yè)，加重了Web服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。為此，必須引入?shù)據(jù)傳送技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)客戶端瀏覽器中網(wǎng)頁(yè)的自動(dòng)局部更新。

引入數(shù)據(jù)傳送技術(shù)后，當(dāng)遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)或者按照一定的采樣周期，服務(wù)器可主動(dòng)向客戶端瀏覽器發(fā)送以XML格式封裝的僅包含遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，客戶端瀏覽器根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行局部更新。

3．2 用戶端程序設(shè)計(jì)

用戶端程序主要是開(kāi)發(fā)Web嵌入式數(shù)據(jù)接收程序，采用兼容性、跨平臺(tái)性好的Flash Application嵌入網(wǎng)頁(yè)中來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和接收。

Flash中內(nèi)建的 XML Socket對(duì)象允許基于Flash Application的客戶端數(shù)據(jù)接收程序與遠(yuǎn)程設(shè)備上的數(shù)據(jù)推送程序之間建立基于Socket的連接，并通過(guò)該連接進(jìn)行雙向的無(wú)限制數(shù)據(jù)交換。Flash Application在客戶端瀏覽器中通過(guò)XMLSocket向遠(yuǎn)程設(shè)備上的數(shù)據(jù)推送程序發(fā)出連接請(qǐng)求，在與遠(yuǎn)程設(shè)備上的數(shù)據(jù)推送程序建立連接后，F(xiàn)lash Application就能夠自動(dòng)接收來(lái)自遠(yuǎn)程設(shè)備以XML格式封裝的數(shù)據(jù)，并從中分析出所需信息來(lái)刷新瀏覽器中的網(wǎng)頁(yè)［3］。

當(dāng)用戶提交控制參數(shù)后，必須對(duì)用戶的參數(shù)進(jìn)行XML封裝，再傳到服務(wù)程序中解析。

圖4是軟件的登錄界面，登錄后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的簡(jiǎn)單控制以及對(duì)各軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖4 用戶端界面

3．3 服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)

服務(wù)器端的程序用C#編寫(xiě)，主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

a．建立線程監(jiān)聽(tīng)和處理用戶端的請(qǐng)求。

b．接收和解析客戶端傳送過(guò)來(lái)的參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

c．當(dāng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作后，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)線程，監(jiān)測(cè)機(jī)器各軸的狀態(tài)，并把狀態(tài)、限位等狀態(tài)參數(shù)封裝傳送到客戶端。

用戶打開(kāi)瀏覽器對(duì)機(jī)器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時(shí)，服務(wù)程序創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)用來(lái)接收用戶封裝的數(shù)據(jù)，然后取得封裝數(shù)據(jù)首節(jié)點(diǎn)的第一個(gè)子級(jí)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)關(guān)系可以一級(jí)級(jí)地解析出子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容。所有的請(qǐng)求數(shù)據(jù)都采用這種解析的方法處理。

服務(wù)程序不斷地從設(shè)備中取得狀態(tài)參數(shù)，并把參數(shù)封裝傳送到用戶瀏覽器端。由于采用了XML數(shù)據(jù)封裝與解析技術(shù)，避免了客戶端網(wǎng)頁(yè)無(wú)休止地刷新。

4 實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制

在深圳地鐵公司運(yùn)營(yíng)總部綜合監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)行遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的客戶端程序，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)成功實(shí)現(xiàn)對(duì)快速成形機(jī)各軸的移動(dòng)控制及坐標(biāo)位置反饋［4］。

圖5 遠(yuǎn)程控制與反饋

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所研究的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下功能:

a．遠(yuǎn)程設(shè)備控制。通過(guò)Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和控制，如PID參數(shù)調(diào)節(jié)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置、速度、加速度參數(shù)設(shè)置，電機(jī)遠(yuǎn)程啟停、正反轉(zhuǎn)控制等等。

b．遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)測(cè)。對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器位置、限位等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行XML封裝后傳送到客戶端瀏覽器中。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)只是對(duì)快速成形設(shè)備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)和監(jiān)視，下一步的研究是實(shí)現(xiàn)在客戶端進(jìn)行CAD模型的數(shù)據(jù)切片分解，并將數(shù)據(jù)封裝傳輸?shù)椒?wù)器，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。

［1］ 李健，劉飛．基于網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)制造技術(shù)［J］．中國(guó)機(jī)械工程，2001，12(2):154 －158．

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