CN104660384A - 一种开放式数控系统的网络远程监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放式数控系统的网络远程监控方法，该方法不需定制硬件设备，采用一种基于UDP协议上的扩展协议，利用UDP协议自身传输高效的同时，在协议扩展区域增加时间戳、数据帧序列号和环形队列机制实现数据帧排序和重传机制，在协议的用户数据区，定义了控制命令字和状态信息区等关键数据，实现数据帧的排序和重传机制，为数控系统与远程计算机提供实时、可靠的网络监控数据传输服务。

Description

一种开放式数控系统的网络远程监控方法

技术领域

本发明属于数控系统的网络远程监控技术领域，涉及一种网络通讯方法，具体地说，涉及一种开放式数控系统的网络远程监控方法。

背景技术

数控系统远程监控的主要目的是希望通过网络使远程计算机能够监视数控系统运行状态，并控制数控系统执行对应动作，从而达到远程监控与售后服务等目的。数控系统远程监控主要实现的功能有：

1.远程计算机能够实时监视数控系统。数控系统能够将当前运行信息，包括：机械坐标、进给速度、主轴转速等实时状态传送到远程计算机，监视准确实时的运行状态。

2.远程计算机控制数控系统的操作面板功能。远程计算机通过发送控制指令，使数控系统执行指令完成相应的操作功能。

为了更好地实现数控系统的远程监控功能，网络通讯方法主要考虑到以下性能要求：

1.传输数据的实时性要求：由于本系统必须保证实时的检测与控制的功能，因此数据的实时性传输非要重要。

2.传输数据的安全性要求：保证数据传输的可靠性和正确性，直接控制数控系统的操作面板。

目前，数控系统远程监控系统一般采用三种网络通讯协议：

1.TCP协议是一种面向连接的可靠传输层协议，具有流量控制、ARQ(自动请求重发)机制，能够保证数据传输的正确性。但该协议容易受到网络环境影响而造成的频繁非必要分组重传现象，使数据传输延迟、时延抖动大，直接影响到数据传输的实时性。

2.UDP协议是一种无连接数据传输协议，具备传输高效的特点，但传输数据前不需要建立逻辑链路，也没有自动重发机制来保证数据传输的正确性，数据传输过程中会出现乱序和丢包现象。

3.实时工业以太网技术，如Ethercat、SERCOS、powerlink等技术。该类协议具备硬实时的以太网技术，能够满足远程监控的实时性要求。但一般需要专用的硬件网卡设备，且开发难度较大，不适合在PC机上开发。

经文献检索发现，中国专利申请号为：CN 200310108734，发明名称为：车间局域网内分布式数控机床的实时监控系统，该专利申请提出了一种车间局域网内分布式数控机床的实时监控系统，为了能监控车间内的数控机床状态，该技术的采用了RS232通讯技术，该技术存在通讯效率低下，实时性弱、抗干扰能力差、传输距离短等问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种开放式数控系统的网络远程监控方法，该方法是一种基于UDP协议上的扩展协议，它既保留了UDP协议全部功能及其高效的特点，同时提供了排序和重传机制，弥补UDP协议的不足，为数控系统与远程计算机提供实时、可靠的数据传输服务。其技术方案如下：

一种开放式数控系统的网络远程监控方法，包括以下步骤：

1)利用标准的网络硬件设备将远程计算机与数控系统进行互联，正确设置标准以太网的地址和参数，保证以太网在物理层和数据链路层的通讯畅通；

2)定义一种基于UDP协议的扩展协议，利用UDP协议自身传输高效的特点同时，为数控系统远程网络监控提供协议上的条件保证；

3)数控系统运行时创建通讯的发送和接收线程，发送线程实时采集当前的状态信息，如操作模式、主轴转速、机床坐标、倍率信息等，按照步骤2)协议要求进行打包，并通过以太网卡发送到网络链路上；接收线程接收远程计算机从以太网链路发送过来的数据，并按照步骤2)协议进行解析，并执行相应的数控系统控制命令，如系统复位、模式切换、DNC加工、远程升级等。

4)远程计算机运行时创建通讯的发送接收线程和界面刷新线程。交互界面根据用户操作信息产生控制命令，按照步骤2)协议要求进行命令打包，通过以太网卡发送到数控系统上，数控系统解析并执行命令；接收线程获取数控系统传输的状态数据，如操作模式、主轴转速、机床坐标等等，按照步骤2)协议进行数据解析，存入到环形缓冲队列中。刷新线程按照一定的周期从环形队列中获取状态数据，并发送刷新消息给界面，实现机床状态在远程界面上的实时动态显示。

优选地，步骤2)中所述的扩展协议的具体方式是：协议扩展区域增加时间戳、数据帧序列号等关键帧信息，用户数据区内自定义监控命令和数据，数控系统和远程计算机上各创建一定数量的环形队列缓冲区。利用扩展协议关键帧信息和环形队列缓冲区配合，实现数据帧的排序和重传机制。

本发明的有益效果为：

1.本发明利用标准网络设备实现了实时稳定的传输方法，移植性强、适应于不同的操作系统；投入成本低，传输速度快，互联简单方便。

2.本发明监控功能齐全，能够实现对数控系统的执行程序、机床复位、程序互传、状态读取、在线检测、远程故障诊断、软件升级等功能。提高了对车间数控机床运行状态的实时监测和控制，生产任务的合理调度、以及数控系统的远程升级与售后维护。

附图说明

图1为自定义协议格式；

图2为通讯任务与交互流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

1.基于UDP协议的扩展协议格式。如图1所示。

根据图1的自定义协议格式，该协议具备IP头和UDP头，是在UDP数据报协议的基础上进行扩展的协议，自定义协议头的含义如下：

1>设备标识符(1字节)：用于标识数据包的目标地址ID。

2>数据包类型(1字节):数据包分为请求和应答两种类型。

3>数据帧序列号(4字节):每发送一个数据包,序列号加一,接收端可以据此检测包损和重建包序列。

4>时间戳数据(4字节)：时间戳数据反映了数据包中第一个比特的抽样瞬间.必须由随时间单调和线形增长的时钟得到,以进行同步和抖动计算.

5>源标识(1字节)：用于标识数据包的源地址ID.

2.数控系统监控数据

数控系统监控数据主要是命令字和命令数据组成。

命令字的类型主要包括：1.心跳包；2.版本获取；3.状态数据；4.程序列表获取；5.文件传输；6.在线DNC加工。

状态命令数据主要包括：数控系统版本、软件版本、硬件版本、PLC版本、操作模式、运行状态、运行时间、当前刀号、主轴转速、当前程序、系统报警、运行行号、机床坐标、绝对坐标、主轴倍率、进给倍率等等。

3.通讯双方的交互流程，如图2所示。

1>设备端的通讯任务和交互流程

a.打开设备，分配资源。当数控系统准备好时，pthread_create函数创建一个定时发送线程和接收线程，利用socket函数创建一个UDP套接字并将其绑定到所提供服务的地址之上。

b.采集数控系统的状态信息，如操作模式、主轴转速、机床坐标、倍率信息等，并添加自定义的协议头。设备标识符为远程计算机的ID，数据包类型为请求类型，数据帧序列号在上一帧的基础上加1，时间戳数据获取实时时钟的时间值，源标识为本数控系统的ID。

c.将打包好的自定义协议数据帧，按照数据帧序列号存放到环形缓冲队列中。

d.将自定义协议数据帧利用sendto函数发送到UDP套接字上，自动加上IP头和UDP头。

e.采用select函数实现阻塞式的异步网络通讯方式，等待远程计算机的发送数据帧，利用recvfrom函数获取和解析计算机的应答和重传请求，有重传请求时，可以根据序列号在环形缓冲队列中检索出对应的数据包，放入自定义协议的数据区,并按照步骤d重新发送。

f.解析重传请求帧的时间戳信息，根据具体超时情况处理对应的重传请求，超时严重则忽略该重传请求，保证不会出现频繁的重发请求导致网络阻塞，节约宝贵的网络资源。

2>远程计算机端的任务和交互流程

a>打开设备，分配资源。pthread_create函数创建一个定时发送线程和接收线程，利用socket函数创建一个UDP套接字并将其绑定到所提供服务的地址之上。另外，创建一个显示刷新线程。

b>利用recvfrom函数接收UDP协议数据，并解析出自定义协议数据，按照数据帧序列号依次存放在环形缓冲队列中，没有接收到的数据帧位置空留，等待接收该延时较大的数据帧，或者进行重传请求。

c>由于UDP协议有丢包和乱序现象，在一定的超时范围内，根据环形缓冲队列中的缺失数据帧，根据自定义协议规则检索出对应的数控系统ID、数据帧序列号和时间戳。

d>根据缺失帧的数控系统ID和数据帧序列号，请求数据帧重传，并添加自定义的协议头。设备标识符为数控系统的ID，数据包类型为应答类型，数据帧序列号为缺失数据帧序列号，时间戳为缺失数据帧时间戳加上超时时间，源标识为远程计算机的ID。

e>显示任务按刷新周期时间，从环形队列中获取自定义协议数据帧，解析数控系统状态数据，如操作模式、主轴转速、机床坐标、倍率信息等，在界面上显示并实时刷新。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种开放式数控系统的网络远程监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用标准网络硬件设备将远程计算机与数控系统进行互联，正确设置标准以太网的地址和参数，保证以太网在物理层和数据链路层的通讯畅通；

2)定义一种基于UDP协议的扩展协议，利用UDP协议自身传输高效的特点同时，为数控系统远程网络监控提供协议上的条件保证；

3)数控系统运行时创建通讯的发送和接收线程，发送线程实时采集当前的状态信息，如操作模式、主轴转速、机床坐标、倍率信息，按照步骤2)协议要求进行打包，并通过以太网卡发送到网络链路上；接收线程接收远程计算机从以太网链路发送过来的数据，并按照步骤2)协议进行解析，并执行相应的数控系统控制命令，系统复位、模式切换、DNC加工、远程升级；

4)远程计算机运行时创建通讯的发送接收线程和界面刷新线程；交互界面根据用户操作信息产生控制命令，按照步骤2)协议要求进行命令打包，通过以太网卡发送到数控系统上，数控系统解析并执行命令；接收线程获取数控系统传输的状态数据，如操作模式、主轴转速、机床坐标，按照步骤2)协议进行数据解析，存入到环形缓冲队列中；刷新线程按照一定的周期从环形队列中获取状态数据，并发送刷新消息给界面，实现机床状态在远程界面上的实时动态显示。

2.根据权利要求1所述的开放式数控系统的网络远程监控方法，其特征在于，步骤2)中所述的扩展协议具体方式是：在协议扩展区域增加时间戳、数据帧序列号的关键帧信息，在用户数据区内自定义监控命令和数据，在数控系统和远程计算机上各创建一定数量的环形队列缓冲区；利用扩展协议关键帧信息和环形队列缓冲区配合，实现数据帧的排序和重传机制。