基于CAN總線的DNC遠程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

　　DNC（Distributed Numerical Control）是把車間內(nèi)的數(shù)控機床與上位控制計算機集成，實現(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，但是對設(shè)備的維護提出了更高的要求。流水線上關(guān)鍵設(shè)備的長時間停機，將會給生產(chǎn)帶來巨大的損失。為了使損失降到最低，應該在提高設(shè)備可靠性的同時，對加工設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)控，以便在設(shè)備出現(xiàn)故障征兆時，能及時進行故障處理，縮短故障診斷和維修時間。但是從我國大部分企業(yè)的人員配備模式來看，企業(yè)內(nèi)部用于設(shè)備維護的專業(yè)技術(shù)人員相對較少，不可能在全國各地設(shè)立售后服務(wù)中心，當設(shè)備出現(xiàn)故障時，由于地域的原因?qū)＜覠o法及時到達故障現(xiàn)場，也就無法了解設(shè)備當時的實際運行情況和現(xiàn)場的基本參數(shù)，這不僅給診斷帶來了困難也給用戶帶來了巨大的經(jīng)濟損失。為此本文提出了基于CAN總線的DNC遠程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)，并對其體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)的實現(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、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、企業(yè)Web服務(wù)器、企業(yè)故障診斷中心及遠程故障診斷中心6部分組成。

　　DSP數(shù)據(jù)采集器從傳感器組中采集來自數(shù)控機床的信號（如來自刀具切削振動信號、機床主軸軸承振動信號、液壓系統(tǒng)的溫度等），并進行一系列的信號處理（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（另有一備份冗余監(jiān)控機）。上位監(jiān)控機上的實時在線監(jiān)控系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、實時數(shù)據(jù)的存儲，而且還能通過WinSocket控件與數(shù)據(jù)庫之間進行通信。此外，上位監(jiān)控機還能根據(jù)設(shè)備的加工能力將加工程序經(jīng)過CAN總線及 RS232/CAN轉(zhuǎn)換模塊送入不同的數(shù)控機床完成零件的加工;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上安裝了Microsoft公司的SQL Server 2000。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應用程序的主要任務(wù)是接收和處理來自上位監(jiān)控機的數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)寫入原始數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在對數(shù)據(jù)進行分析處理后將其寫入SQL Server數(shù)據(jù)庫。當流水線上的某一機床出現(xiàn)故障時，將故障時刻的記錄寫入設(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，企業(yè)故障診斷中心及遠程故障診斷中心與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Web主頁進行管理。

2 遠程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　2.1 對實時數(shù)據(jù)的采集

　　本遠程診斷及監(jiān)控系統(tǒng)中的在現(xiàn)場設(shè)備級的通信程序中設(shè)置了一些底層函數(shù)供上位監(jiān)控機調(diào)用，以實現(xiàn)DSP采集器與監(jiān)控機的通訊?，F(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集的工作流程是：傳感器信號經(jīng)過必要的穩(wěn)壓濾波，送入ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），并根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的不同需要，若是參考性、資料性信號，就把數(shù)據(jù)存貯起來適當?shù)臅r候傳到上位機;若是比較緊急和實時的控制反饋數(shù)據(jù)，比如說機床報警信號，那就及時的傳送到上位機進行處理或用作控制。系統(tǒng)中，各DSP芯片獨自的完成相應的數(shù)據(jù)采集。并可通過上位機下傳數(shù)據(jù)表格的方式靈活的改變傳感器的定標系數(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靈活選擇，提高系統(tǒng)的適應能力。

　　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個模擬輸入通道，可用來實現(xiàn)采集信號的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芯片帶有六個捕獲單元，他們在相應的捕獲引腳上出現(xiàn)跳變時被觸發(fā)，產(chǎn)生捕獲中斷。TMS320L2407A芯片所帶的數(shù)據(jù)存儲空間只有64K，不能滿足數(shù)據(jù)存儲的容量，因此需要對2407A芯片進行存儲器擴展。考慮到數(shù)據(jù)量的大小和防止掉電數(shù)據(jù)丟失問題，因此選用256K×16位的FLASH芯片SST39VF400A作為片外擴展數(shù)據(jù)存儲器。

　　2.2 上位監(jiān)控機與數(shù)控機床之間的通信實現(xiàn)

　　為了減輕現(xiàn)場設(shè)備管理層的網(wǎng)絡(luò)負擔，本系統(tǒng)在監(jiān)控機與數(shù)控機床之間采用雙層CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一層用于加工過程及機床的狀態(tài)監(jiān)測，主要用于DSP采集器中實時數(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CAN總線及RS232/CAN轉(zhuǎn)換模塊送入不同的數(shù)控機床完成零件的加工。

　?。?）采集器中實時數(shù)據(jù)的傳輸

　　TMS320LF2407A帶有標準的CAN控制器，可以很方便的組成現(xiàn)場級設(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：標準幀和擴展幀兩種不同的幀格式，前者為11位標識符，后者有29位標識符。由于在實際控制中DSP控制器的上傳數(shù)據(jù)僅為32位數(shù)據(jù)（包括控制器標志符等信息），因此本系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式采用標準幀格式。在實際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)下層的控制器向上位機的傳遞數(shù)據(jù)量遠大于上位機下傳的數(shù)據(jù)量，因此在數(shù)據(jù)編碼時將控制信息、采樣數(shù)據(jù)編號信息和控制量、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+數(shù)據(jù)+校驗”，其中ID號為各DSP采集器編號，采用11位標識符的前4位。為了保證通訊的可靠性，在數(shù)據(jù)接受后，都由一個返回幀來表示確認，其校驗位（占一個字節(jié)）為發(fā)送端的固定代碼。

　　CAN通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計中，對于接受采用中斷的方式，要求系統(tǒng)對于接受到的數(shù)據(jù)必須馬上處理，以提高系統(tǒng)的實時響應特性，其程序流程圖見圖2。DSP 上傳實時采集數(shù)據(jù)的發(fā)送采用定時查詢的方式，查詢ADC采樣是否結(jié)束并且進行了相應的數(shù)據(jù)處理后，立即將數(shù)據(jù)通過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

　?。?）CAN總線及RS232/CAN轉(zhuǎn)換模塊

　　在DNC操作中，由于數(shù)控機床所提供的程序傳送接口是標準的RS232串行口，因此存在CAN協(xié)議與RS232之間的轉(zhuǎn)換問題。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，故本系統(tǒng)使用 CAN232B轉(zhuǎn)換器。對于上位監(jiān)控機（RS232主控設(shè)備）而言，需要它具備尋址各數(shù)控機床（多個RS232設(shè)備）的能力。此時，按照CAN232B轉(zhuǎn)換器的配置協(xié)議，對監(jiān)控機的RS232程序進行補充、修改，使監(jiān)控機可向所連接的CAN232B轉(zhuǎn)換器發(fā)送命令幀”，以設(shè)置CAN幀格式，動態(tài)配置 CAN232B發(fā)送的CAN幀信息。這樣，監(jiān)控機就可以通過CAN232B發(fā)送具有不同ID的CAN報文幀，來尋址不同地址的數(shù)控機床，從而實現(xiàn)在對 DNC的操作。

　　2.3 基于Web的數(shù)據(jù)庫服務(wù)的搭建

　　要實現(xiàn)數(shù)控機床的遠程故障診斷，企業(yè)故障診斷中心或遠程故障診斷中心的專家必須通過Internet（或Intranet）獲得系統(tǒng)的故障和狀態(tài)信息，同時又能夠讓故障診斷中心的專家通過Internet（或Intranet）查詢數(shù)據(jù)庫中的數(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言，其實是一套微軟開發(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頁面中的腳本程序得以運行的環(huán)境。它具有使用簡單，并且有強大的后臺支持。本系統(tǒng)的工作環(huán)境為 Windows 2000 Server，開發(fā)系統(tǒng)為VC++，在此選用Microsoft的ASP，它既簡單好用，又有強大的功能和強有力的技術(shù)支持。通過ASP可以結(jié)合HTML網(wǎng)頁、VBScript和JavaScript. ASP指令和ActiveX元件建立動態(tài)、交互且高效的Web服務(wù)器應用程序。而且ASP與ADO（ActiveX Data Objects）結(jié)合很容易實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問，訪問模型如圖3所示。當瀏覽器發(fā)出一個HTTP請求時，Web服務(wù)器響應這一請求，調(diào)用ASP引擎解釋被申請的ASP文件，若遇到的是Active X控件，則啟動相應的Active X控件。借助于 ADO及SQL語言訪問數(shù)據(jù)庫，并將其運行結(jié)果生成相應的HTML語法成份，與文件中原有的文本和HTML標記一起組成標準的HTML頁面返回至客戶端瀏覽器。

圖3 基于ASP的數(shù)據(jù)庫訪問示意圖

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

　　數(shù)據(jù)庫與企業(yè)監(jiān)控診斷中心（或遠程診斷中心）監(jiān)控機的實時數(shù)據(jù)通信采用 Windows Sockets通信機制，Socket通信是一種特殊的 I/O，Socket實際上是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上提供的一個通信端口，借助于它，用戶所開發(fā)的應用程序可以通過網(wǎng)絡(luò)與其它應用程序進行通信。Socket 提供的一整套原語可供用戶編程調(diào)用和訪問系統(tǒng)資源，并可用來開發(fā)一些與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的、有實時性要求的應用軟件。在應用軟件的開發(fā)中主要使用兩種類型的 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)，實現(xiàn)了無差錯、無重復的順序數(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)報套接字。它定義了一種無連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的，并且不保證可靠、無差錯。數(shù)據(jù)報套接字雖然也使用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一個打開的連接，用戶只需要把數(shù)據(jù)打成一個包，把遠程的IP貼上去，然后就把這個包發(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?，該系統(tǒng)采用基于可靠連接的流式套接字，其協(xié)議為TCP/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)對應著不同的進程。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常傳輸，必須通過端口號明確監(jiān)控機是與數(shù)據(jù)庫的哪一個進程相連，可供各監(jiān)控機使用的端口號范圍為：1024～4999，本系統(tǒng)中選用3000。此外，由于同時與數(shù)據(jù)庫相連的監(jiān)控機可以多于一個，為了使各個進程之間的數(shù)據(jù)通信不會發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)庫應用程序應首先創(chuàng)建一個偵聽Sockets，用于接收監(jiān)控機的連接請求。當數(shù)據(jù)庫接受了監(jiān)控機的連接請求后，會返回一個新Sockets的描述符，這個新 Sockets將用來處理新的連接。原來的Sockets將繼續(xù)偵聽新的連接請求。整個數(shù)據(jù)通信過程的流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與監(jiān)控機之間的實時數(shù)據(jù)通信流程圖

3 結(jié)論

　　基于實時數(shù)據(jù)采集、CAN總線、數(shù)據(jù)庫服務(wù)和Internet的遠程故障診斷技術(shù)解決了DNC數(shù)控機床關(guān)鍵部位的實時監(jiān)控及故障診斷問題。本文所提出的現(xiàn)場設(shè)備級、車間監(jiān)控級、企業(yè)監(jiān)控級、遠程監(jiān)控級的四級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將有助于提高遠程故障診斷的可實現(xiàn)性和準確率，并最終達到提高企業(yè)效率的目的。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)場設(shè)備自動化應用的深入，以及成熟可用的專家系統(tǒng)將逐漸出現(xiàn)，遠程故障診斷也必將成為未來企業(yè)的一種主要診斷服務(wù)方式。

　　本文作者創(chuàng)新點:提出了基于CAN總線的DNC遠程診斷及監(jiān)控系統(tǒng);提出了由DSP、多傳感器組成的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);將CAN總線網(wǎng)絡(luò)與 Ethernet、Internet結(jié)合，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備級、車間監(jiān)控級、企業(yè)監(jiān)控級、遠程監(jiān)控級的四級系統(tǒng)結(jié)構(gòu);探討了基于Web的數(shù)據(jù)庫服務(wù)技術(shù)。

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