CN101685301B - 复杂工况下数控机床嵌入式状态监控信息适配器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂工况条件下的数控机床嵌入式状态监控信息适配器及方法，主要包括三个模块：PLC通信模块，标准信息输出模块，配置模块，所述的嵌入式状态监控信息适配器与监控计算机进行基于Modbus的传输控制协议/网际协议的通信，实时收发数据信息；与控制PLC实时通信并收发数据；实时检测与各个控制PLC的通信状态，如果发生错误就把诊断信息存储在指定的缓存区域。本发明对不同厂商设备的信号作统一转换，实现异构环境下设备的同构化，通过对数控机床网络化智能化监控和诊断，实现了“移动的是数据而不是人”，从而改变设备发生故障时，维修人员疲于奔命的被动局面。
Description
技术领域
本发明属数控机床技术领域，特别是涉及一种复杂工况条件下的数控机床嵌入式状态监控信息适配器和方法。
背景技术
数控机床作为一种加工精度高、自动化程度好的加工设备，目前在制造业批量生产中得到了越来越广泛的应用，与此同时，对数控机床的工作可靠性要求也越来越高，因为，一旦机床出现故障而停产所造成的损失是相当可观的。由此可见对数控机床的工作状态进行实时监控非常必要。
目前，网络技术已逐步成为现代信息技术的主流，在制造业中的表现引人注目。网络化作为当代数控机床发展的主要趋势之一，为数据信息传输的网络集成制造提供了最坚实的基础。数控机床通过高速通信网络及时地向监控服务器提供当前加工状态信息，并接收上层服务器下达的监控指令。更进一步地，数控机床在Internet上实现联网，可以使其构建一种新型的网络结构，实现底层数控加工设备网络化、信息化、集成化。
利用网络技术，把现场数控机床加工过程状态信息及加工参数及时传送给上层监控中心、专家和设备生产厂家，可以及时发现故障或异常情况并且通知现场工作人员，实现智能监控及故障诊断。通过对数控机床网络化智能化监控和诊断，实现了“移动的是数据而不是人”，从而改变设备发生故障时，维修人员疲于奔命的被动局面。全球化计算机网络的发展，传感器技术的大量应用都为数控加工过程网络化监控提供了坚实的技术基础。
在复杂工况条件下，由于车站设备种类很多，各种设备采用的通讯接口及协议也各不相同，由于各个设备厂家都有自己的接口及协议，各厂家的协议可能互不兼容，这就使整个控制系统的结构受到了一定的限制，设备的选用也受到一定影响，当某个厂的设备出现故障或损坏，只能购买该厂的设备进行更换，这就导致了对该厂设备的依赖，设备的选择余地减小，导致系统的开放性降低。
为了解决监控系统的开放性问题，对不同厂商设备的信号作统一转换，实现异构环境下设备的同构化，该控制器的功能主要是将来自不同厂商的设备的信号处理成一个标准信号，然后传到上位机，负责将不同协议的设备转信号换成统一标准的信号。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在复杂工况条件下的数控机床状态监控的信息适配器，该装置实质是一个存储转发的装置，可以分成三个主要模块，即PLC通信模块，标准信息向上层输出模块，配置模块。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种一种复杂工况条件下的数控机床嵌入式状态监控信息适配器，包括三个模块：PLC通信模块，标准信息输出模块，配置模块，其特征在于：
所述的PLC通信模块：由监控计算机发送指令，PLC对指令自动进行相应响应，包括写入或读出至少一个设备状态值，并表示接受正确或错误；
所述的标准信息输出模块：基于以太网的MODBUS协议，其中Modbus与以太网TCP/IP结合成为Modbus/TCP，该协议采用客户/服务器的通讯模式，将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使其成为工业以太网应用层协议；于Modbus/TCP报文中不需要校验域；
所述的配置模块：采用RS232串口接口，具有各设备连接状态指示条，当连接正常显示绿色，连接不成功显示红色；设置了打开配置按钮，保存配置按钮，撤销修改，清空所有设置按钮。
所述的Modbus/TCP报文中增加了专用的MBAP头(Modbus Application ProtocolHeader，Modbus应用协议报头)，用以识别Modbus应用数据单元ADU(ApplicationData Unit)。
所述的嵌入式状态监控信息适配器中建立连接的侦听过程，先辨析对方的IP地址是否是合法的IP地址，系统预先存储一个合法的有权访问嵌入式状态监控信息适配器的IP地址列表，该地址列表可以动态维护。
一种使用权利要求1所述的一种复杂工况条件下的数控机床嵌入式状态监控信息适配器的方法，包括与监控计算机进行基于Modbus TCP/IP协议的通信，实时收发数据信息；与控制PLC实时通信并收发数据；实时检测与各个控制PLC的通信状态，如果发生错误就把诊断信息存储在指定的缓存区域，其具体包括下列步骤：
(1)嵌入式状态监控信息适配器根据监控计算机的指令，把各个PLC的状态信息以标准Modbus报文格式发送给监控用主机；
(2)根据现场PLC通信方式，嵌入式状态监控信息适配器轮询各关键寄存器和输入输出端子的状态，并实时刷新映像寄存器；在向上传输信息时，采用被动方式，即由监控用主机发出查询命令，由嵌入式状态监控信息适配器响应命令，大部分PLC都公开其编程口协议，通过该协议来查询和发送控制命令，对于没有公开编程通信方式的PLC可通过自由口通信方式解决；
(3)嵌入式状态监控信息适配器随时监控各控制PLC的通信状态，若有PLC的通信发生故障，则向上报警，嵌入式状态监控信息适配器具有固定的存储区来保存各PLC的通信状态，监控工作站通过读取该指定缓存区来判断通信状态，并进行相关操作。
有益效果
本发明对不同厂商设备的信号作统一转换，实现异构环境下设备的同构化，利用网络技术，把现场数控机床加工过程状态信息及加工参数及时传送给上层监控中心、专家和设备生产厂家，可以及时发现故障或异常情况并且通知现场工作人员，实现智能监控及故障诊断。通过对数控机床网络化智能化监控和诊断，实现了“移动的是数据而不是人”，从而改变设备发生故障时，维修人员疲于奔命的被动局面。
附图说明
图1为信息适配器系统结构图。
图2为Modbus帧格式图。
图3为ModbusTCP/IP帧格式图。
图4为嵌入式状态监控信息适配器系统配置界面图。
图5为与监控工作站的通信任务流程图。
图6为PLC通信诊断任务诊断流程图。
图7为适配器与各设备之间连线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明装置实质是一个存储转发的装置，可以分成三个主要模块，即PLC通信模块，标准信息向上层输出模块，配置模块。该信息适配器系统结构如图1所示：该嵌入式状态监控信息适配器的功能主要处理三类信息：
1.接收下层现场数控机床的监控信号
2.提供标准信号给上层监控用主机以及其它系统的监控信号
3.当现场接入监控信号改变时，通过系统配置模块解决现场监控信号的重定义。
该嵌入式状态监控信息适配器是在上层监控室工作的，是一款由交流电源直接供电的非移动装置，无特殊的功耗要求。从国内同类厂商硬件架构设计的角度分析，X86架构本身的设计成熟度较高，相关的软硬件资源非常丰富，所使用的指令集是符合工业标准的架构，所有的开发套件都有支持X86处理器的，加上完整支持32位与64位的运算体系，以及更低的功率消耗。
由于嵌入式状态监控信息适配器负责各种不同现场控制设备的接入，而这些控制设备的输入接口有串口(RS232/485)、USB、以太网接口等，对上层提供统一的TCP/IP以太网络接口输出，所以嵌入式硬件的要求是要提供多个不同的I/O接口，能接入市面上主流的控制器。同时还需要具备一定的I/O扩展能力，以适应未来的扩展需要。
一.嵌入式状态监控信息适配器功能模块设计
由嵌入式状态监控信息适配器的功能模块图2-7可知，主要有三部分组成，即PLC通信模块、标准信息输出模块和系统配置模块。
1.PLC通信模块设计
本系统分别设计了三菱PLC和松下PLC两种不同厂商的控制器设备，分别通过PLC编程口的协议实现数据交换。
(1)三菱PLC编程口的协议格式
三菱PLC编程端口通信参数：传输格式为RS232C，波特率采用9600bps，奇偶校验采用even校验，数据传输采用ASCII码形式。三菱PLC协议命令格式如表2-1，三菱PLC命令码及对应目标设备如表2-2，三菱PLC功能码含义如表2-3所示。
表2-1三菱PLC帧格式
表2-2三菱PLC命令码及对应目标设备
表2-3三菱PLC功能码
读出软设备状态值(DEVICE READ)，首先计算机向PLC控制器发送命令，PLC控制器收到后进行响应。表2-4是计算机向PLC发送命令格式，表2-5是PLC控制器响应格式。
表2-4计算机向PLC发送命令格式
始 命令 首地址 位数 终 和校验
STX CMD GROUP ADDRESS BYTES ETX SUM
表2-5PLC控制器响应格式
写入软设备状态值(DEVICE WRITE)，首先计算机向PLC控制器发送命令，PLC控制器收到后返回ACK(06H)表示接受正确，返回NAK(15H)表示接受错误。表2-6是计算机向PLC发送写命令格式。
表2-6计算机向PLC发送写命令格式
位强制置位(FORCE ON)命令，命令码“7”表示置位，对应ASCII码为37h，表是强制置位命令格式；位强制复位(FORCE OFF)命令，命令码“8”表示复位，对应ASCII码为38h，表2-7是强制复位命令格式。PLC控制器收到后返回ACK(06H)表示接受正确，返回NAK(15H)表示接受错误。
表2-7强制置位命令格式
始 命令 地址 终 和校验
STX CMD ADDRESS ETX SUM
02h 37h address 03h sum
表2-8强制置位命令格式
始 命令 地址 终 和校验
STX CMD ADDRESS ETX SUM
02h 38h address 03h sum
(2)松下PLC编程口的协议格式
松下可编程控制器的通信协议是MEWTOCOL，该协议的数据传输采用ASCII码的形式，首先由计算机发送指令，由PLC对指令自动进行相应响应。
指令格式包括指令信息格式，应答信息格式(正确时和错误时)。
应答信息(正常时)：
| ％ | AD(H) | (L)AD | $ | 响应代码 | 1文本代码 | BCC(H) | BCC(L) | CR |
应答信息(发生错误时)：
| ％ | AD(H) | AD(L) | ！ | 错误代码(H) | 错误代码(L) | BCC(H) | BCC(L) | CR |
松下PLC控制器有24条指令，本系统中使用了常用的四条指令，分别是读取单个触点的状态信息(RCS)，写入单个触点的状态信息(WCS)，读取多个触点的状态信息(RCP)和写入多个触点的状态信息(WCP)。常用指令名称及功能描述如表2-9所示。
表2-9指令名称及功能描述
①读取单触点状态(指令代码：RCS)，指令格式和应答格式(读取正常和读取错误)如下。
指令格式：
应答格式：
读取正常格式
读取错误时格式
②写入单触点状态(指令代码：WCS)，指令格式和应答格式(读取正常和读取错误)如下。
指令格式：
应答格式：
读取正常时的格式
读取错误时的格式
③读取多触点状态(指令代码：RCP)，指令格式和应答格式(读取正常和读取错误)如下。
指令格式：
应答格式：
读取正常时的格式
读取错误时的格式
④写入多触点状态(指令代码：WCP)，指令格式和应答格式(读取正常和读取错误)如下。
指令格式：
目标站号(L)
n：1～8
目标站号(H)
应答格式：
读取正常的格式
读取错误时的格式
2.标准信息输出模块的设计
工业通讯协议有很多种，本系统选用了一种开放性好，简单易用标准的工业通信协议，基于以太网的MODBUS协议。MODBUS应用报文传输协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，实现控制器相互之间、控制器经有网络和其它设备之间的通信，支持传统的RS-232/422/485设备和以太网设备，该协议定义了一个能被控制器识别的消息结构，描述了控制器如何请求访问其它设备，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，可用于总线或者网络的互联，为客户机/服务器方式。
Modbus与以太网TCP/IP结合成为Modbus/TCP，该协议采用客户/服务器的通讯模式，以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使其成为工业以太网应用层协议。常用的Modbus报文格式由附加地址、功能代码、数据域和校验域组成，其格式如图2所示。两者不同之处在于Modbus/TCP报文中不需要校验域，因为TCP/IP协议和以太网的链路层校验机制保证了数据包传递的正确性。报文格式如图3。
Modbus/TCP报文中增加了专用的MBAP头(Modbus Application Protocol Header，Modbus应用协议报头)，用以识别Modbus应用数据单元ADU(Application Data Unit)，MBAP头的具体组成及含义如下表所示。
MBAP头结构
| 字段 | 长度 | 描述 | 客户机 | 服务器 |
| 事务处理标志 | 2字节 | 标识Modbus请求响应事务处理 | 客户机初始化 | 服务器从接受的请求信息中复制 |
| 协议标志 | 2字节 | Modbus协议＝0 | 客户机初始化 | 服务器从接受的请求信息中复制 |
| 长度 | 2字节 | 随后的字节数 | 客户机初始化 | 服务器初始化(响应信息) |
| 单元标志 | 1字节 | 串行链路或其它总线上连接的远程从站的识别 | 客户机初始化 | 服务器从接受的请求信息中复制 |
Modbus TCP/IP请求ADU数据单元规范如下表所示。
ModbusTeP/IP的ADU数据单元规范
3.系统配置模块的设计
根据系统的要求，系统配置模块需要具备自身地址、端口的灵活设置，因为要与上位机通信，所以应具备设置上位机地址的功能，嵌入式状态监控信息适配器主要连接数控机床监控控制器设备，其中以PLC控制器为主，本系统采用RS232串口接口，该模块应具备串口参数设置，为了形象直观的显示各个设备连接情况，配置界面还设计了各设备连接状态指示条，当连接正常显示绿色，连接不成功显示红色。为了保证设置不被误操作，系统设置了打开配置按钮，保存配置按钮，同时还设置了撤销修改、清空所有设置等按钮，系统配置界面如图4所示。
由于嵌入式状态监控信息适配器提供统一的访问方式，任何在网络上的计算机都可以通过Modbus TCP的访问方式来读取或者修改缓存区域的数据，这可能给系统带来安全隐患。为了提高安全些，在此嵌入式状态监控信息适配器中建立连接的侦听过程中，先辨析对方的IP地址是否是合法的IP地址，系统预先存储一个合法的有权访问嵌入式状态监控信息适配器的IP地址列表，该地址列表可以动态维护。
二.嵌入式状态监控信息适配器应用程序处理过程
嵌入式状态监控信息适配器应用程序处理过程为：开始→初始化系统变量→PLC通信端口的设置→网络服务器端的设置→建立若干通信任务→结束。在系统启动时，必须要根据配置文件，初始化与各通信端口的连接设置，即指定各通信资源的分配问题以及所使用的通信函数。与PLC端的通信设置，需按照现场设备的通信方式设置通信参数，如设置串口通信方式的波特率、校验方式等。由于和监控工作站的通信方式采用以太网Modbus TCP通信方式，使用客户机/服务器模式。服务器端使用ServerSocket监听指定端口，等待客户连接请求，客户连接后，会话产生，完成会话后，关闭连接；客户端使用Socket对网络上车站信息集器的某一端口发出连接请求，连接成功后，打开会话，完成会话后，关闭连接。
初始化配置就绪后，系统开始建立通信任务，主要包括以下3个任务：与监控计算机进行基于Modbus TCP/IP协议的通信，实时收发数据信息；与控制PLC实时通信并收发数据；实时检测与各个控制PLC的通信状态，如果发生错误就把诊断信息存储在指定的缓存区域。
1.与监控工作站的通信任务
与监控工作站的通信任务流程图如图5所示。由于是在TCP协议上数据传输，而TCP是面向连接的传输协议，系统必须随时侦听连接的情况，确保数据的安全和准确。数据处理模块的本质是存储转发，嵌入式状态监控信息适配器根据监控计算机的指令，把各个PLC的状态信息以标准Modbus报文格式发送给监控用主机。
2.与PLC的通信任务
根据现场PLC通信方式，嵌入式状态监控信息适配器轮询各关键寄存器和输入输出端子的状态，并实时刷新映像寄存器。在向上传输信息时，采用被动方式，即由监控用主机发出查询命令，由嵌入式状态监控信息适配器响应命令，大部分PLC都公开其编程口协议，用户只需要通过该协议来查询和发送控制命令，对于没有公开编程通信方式的PLC可通过自由口通信方式解决。
3.PLC通信诊断任务
嵌入式状态监控信息适配器必须随时监控与各控制PLC的通信状态，若有PLC的通信发生故障，则应向上报警，嵌入式状态监控信息适配器专门开辟了固定的存储区来保存各PLC的通信状态，监控工作站通过读取该指定缓存区来判断通信状态，其诊断流程如图6所示。
三.嵌入式状态监控信息适配器在系统中接线方式
嵌入式状态监控信息适配器与上层监控计算机之间采用以太网接口连接，和现场PLC控制器之间采用RS232/485接口连接，与远程I/O模块之间采用RS485接口连接，嵌入式状态监控信息适配器与各设备之间连接图如图7所示。
嵌入式状态监控信息适配器主要是实现在网络化情况下，最大程度保持数控机床监控的硬件结构不变，而仅仅通过软件配置完成不同的数据信息资源的共享。嵌入式状态监控信息适配器主要功能是实现现场数控机床监控数据信息的存储和转发，系统采用PLC控制系统。
Claims (4)
1.一种复杂工况条件下的数控机床嵌入式状态监控信息适配器，包括三个模块：PLC通信模块，标准信息输出模块，配置模块，其特征在于：
所述的PLC通信模块：由监控计算机发送指令，PLC通信模块通过编程口协议对指令自动进行相应响应，包括写入或读出至少一个设备状态值，并表示接受正确或错误；
所述的标准信息输出模块：基于以太网的MODBUS协议与监控计算机进行通信，把Modbus协议与以太网TCP/IP协议结合成为Modbus TCP/IP协议，即将Modbus帧嵌入到TCP帧中，成为工业以太网应用层协议，该Modbus TCP/IP协议采用客户/服务器的通讯模式；其中，Modbus/TCP报文中不需要校验域；
所述的配置模块：采用RS232串口接口，该配置设备的配置界面具有各设备连接状态指示条，当连接正常显示绿色，连接不成功显示红色；配置界面还设置了打开配置按钮，保存配置按钮，撤销修改按钮，清空所有设置按钮。
2.根据权利要求1所述的一种复杂工况条件下的数控机床嵌入式状态监控信息适配器，其特征在于：所述的Modbus/TCP报文中增加了专用的MBAP头即应用协议报头，用以识别Modbus应用数据单元ADU。
3.根据权利要求1所述的一种复杂工况条件下的数控机床嵌入式状态监控信息适配器，其特征在于：所述的嵌入式状态监控信息适配器中建立连接的侦听过程，先辨析对方的IP地址是否是合法的IP地址，设有所述的嵌入式监控信息适配器的系统预先存储一个合法的有权访问嵌入式状态监控信息适配器的IP地址列表，该地址列表可以动态维护。
4.一种使用权利要求1所述的一种复杂工况条件下的数控机床嵌入式状态监控信息适配器的方法，包括与监控计算机进行基于Modbus TCP/IP协议的通信，实时收发数据信息；与控制PLC实时通信并收发数据；实时检测与各个控制PLC的通信状态，如果发生错误就把诊断信息存储在指定的缓存区域，其特征在于：具体包括下列步骤：
(1)嵌入式状态监控信息适配器根据监控计算机的指令，把各个PLC的状态信息以Modbus/TCP报文格式发送给监控计算机；
(2)根据现场PLC通信方式，嵌入式状态监控信息适配器轮询PLC各关键寄存器和输入输出端子的状态，并实时刷新映像寄存器；在向上传输信息时，采用被动方式，即由监控计算机发出查询命令，由嵌入式状态监控信息适配器响应命令，大部分PLC都公开其编程口协议，通过该编程口协议来查询和发送控制命令，对于没有公开编程通信方式的PLC通过自由口通信方式解决；
(3)嵌入式状态监控信息适配器随时监控各控制PLC的通信状态，若有PLC的通信发生故障，则向上报警，嵌入式状态监控信息适配器具有固定的存储区来保存各PLC的通信状态，监控计算机通过读取指定缓存区来判断通信状态，并进行相关操作。
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