基于VC的西門子840D數控系統人機界面開發方法

金 陵，張衛青，王興龍

(重慶理工大學汽車零部件制造與檢測教育部重點實驗室，重慶 400054)

隨著數控機床的高速發展，數控系統的通用功能已不能滿足高檔機床的特殊需求，對開放式的數控系統進行二次開發已成為當今數控技術的研究熱點［1－2］。

目前，我國大部分高端機床均采用西門子840D數控系統，為了適應個性化市場的需要，國內學者針對各種機床不同的控制要求，對西門子840D數控系統的二次開發方法進行了一系列研究。其中，大部分學者利用 HMI Programming Package開發工具，通過HMI Advanced標準軟件開發標準應用程序Regie及Sequence Control的嵌入式應用軟件，但其開發方式存在一定局限性，一些標準類模板及窗體都不允許更改，語言動態鏈接庫的建立也較為煩瑣。而單獨采用VC++開發標準的Windows應用軟件則能很好地解決這些問題，且所開發的人機界面更加人性化、自由化、美觀化。因此，本文利用西門子數控系統提供的HMI軟件包，研究利用面向對象的編程語言VC進行高端機床的專用人機界面制作，并開發了適用于840D數控系統的人機界面［3］。

1 人機界面總體框架

根據相關機床的加工特點及功能要求，設計整個界面的總體框架，如圖1所示。圖1中顯示了界面中各窗口的調用關系及各軟件與窗口狀態的聯系［3］。

圖1 界面總體框架

圖1中，主界面為狀態監控，包括各坐標軸坐標實時顯示以及報警服務、循環、余程、加工狀態等框架;數據管理主要完成機床加工數據文件的導入導出，實現數據文件中各項參數的查看、編輯等功能;程序主要控制零件程序的運行、顯示和編輯功能;結果分析是對相關數據的處理及結果的顯示。用戶可以根據實際要求在主界面上繼續添加框架，每一個框架都是一個界面，每一個界面都是由數個對話框組成，它們之間都是相互聯系、協同工作的。

2 基于VC的界面開發方法

界面采用MFC基于對話框形式完成設計及數據通訊服務。通過數控通訊服務器(NCDDE Server)、數控內核(NCK)、可編程序控制器(PLC)等組件實現人機界面交互功能。開發前，只需在PC機上安裝VC++編程軟件，所開發出的標準Windows應用程序即能在西門子數控系統下運行。

根據相關機床的實際要求編輯各對話框界面，并且在VC環境下直接與NCU、PLC建立連接，實現界面與840D數控系統的通訊。所開發軟件的主要功能包括:人機界面上各軟件定義及與機床操作面板上鍵盤響應;對NCU中各種變量的訪問，如軸坐標值、進給率、余程等;NCU文件讀取及對R參數的訪問;對PLC中各種變量的訪問，如I/O口、標志區M、數據塊DB等。各個應用模塊都另行開發且脫離于西門子HMI Programming Package開發框架，即獨立于西門子數控系統的主控制和順序控制之外。與傳統的VB語言開發相比較，其通用性更強、開發更加自由，并且語言動態顯示更加簡便［4－8］。

2.1 多語言顯示

PC機上獨立開發的人機界面在數控系統中運行時，控件的文本不能顯示中文。不同于傳統開發方式，在VC環境下無需創建DLL語言動態鏈接庫，采用UNICODE編程就可以在西門子系統下動態顯示中文，并且能使界面同時支持多種語言。VC++6.0中，具體設置步驟:打開［工程］－＞［設置…］對話框，在 C/C++標簽對話框的“預處理程序定義”中去除_MBCS，加上_UNICODE，UNIC－ODE，然后需要設置Unicode專用的程序入口點，即在Link頁的Output類別的Entry-Point里填上wWinMainCRTStartup。一般情況下輸入字符時加上_T宏，則能兼容ANSI和Unicode字符。

2.2 人機界面信息與NCU/PLC中變量的傳遞

在VC環境下，人機界面可直接利用西門子數控系統服務器提供的接口訪問 NCU、PLC、MMC103中的變量和文件，實現需要的NCK/PLC變量存取。同時，在執行程序時，直接通過VC程序向數控系統發出指令，指示機床動作。

2.2.1 NCK/PLC 變量存取

在人機界面上，需要實時更新采集到的數據，把NCK中的變量及數據的有關信息及時反映到顯示屏上，從而使操作者能對機床狀態進行管理和操作。NCK中采集的變量和數據主要包括系統變量、系統狀態數據、通道專用數據、軸狀態數據、驅動狀態數據、刀具和刀具庫數據、機床和設定數據、參數、伺服、診斷數據等。

1)根據動態數據交換技術(DDE)的優點及具體要求，在VC環境下通過DDE來建立連接，獲取當前各軸的坐標值、進給速度、余程等數據。首先需要對 DDE連接進行初始化，以 ncdde/nuc840d作為連接的服務器名稱和主題，通過建立函數來讀取各軸數據。下面是在VC中讀取1個軸當前坐標值時用到的程序代碼:

還需通過DdeClientTransaction()函數向數控系統服務器發送數據請求，服務器必須通過DDE回調函數處理請求并返回DdeCreateDataHandle()來發送數據。同時可以調用DdeGetData()來獲取實時數據，并動態顯示在界面上。

2)由于VC++6.0的MFC中已集成了COM組件開發工具ATL(活動模板庫)，因此在VC中選擇使用 OPC協議，通過與 OPC Alarm＆Event Server建立連接實現報警數據讀取。OPC是OLE for Process Control的縮寫，它采用客戶/服務器體系，是基于Microsoft的OLE/COM技術，為硬件廠商和應用軟件開發者提供了一套標準的接口。

首先，需要在MFC程序的StdAfx.h文件中添加ATL中心模塊類CComModule，并創建一個全局實例_Module，它的實現位于 atlbase.h和 atlimpl.cpp中，因此在程序中必須包含這2個文件。報警數據顯示的對話框所產生的類，命名為CAlarm類。同時，為了實現回調對象的接收，還需添加一個派生于IOPCEventSink(事件訂閱的接收器接口)及 CComObjectRoot(內部 ATL函數實現)的類，命名為COPCEvent－ Sink。

在VC中，ATL主要處理引用計數的實現以及IUnknown的成員函數QueryInter-face()的功能，為此，必須在COPC－EventSink類中插入COM地圖。COM地圖主要描述了哪些接口會被回調對象使用并且可以通過 QueryInterface()返回。在COPCEventSink類中，相應的聲明代碼如下:

除了這些接收器接口以外，在COPCEv－entSink類中，使用成員函數Connect()建立回調對象與OPC server的連接點的連接，利用成員函數Initialize()對回調對象進行初始化，即建立一個報警數據變量。

相應地，還需在CAlarm類中添加相關函數才能從OPC Alarm＆Event Server中接收報警信號，并在對話框中顯示。具體步驟:

①創建OPC服務器實例，并建立連接。通過成員函數ConnectServer()與服務器建立連接，連接之前客戶端需要服務器的 CLSID，可以通過CLSIDFromProgID()函數來獲取信息，其中ProgID為OPC.S-inumerik Events。這樣通過 CLSID及Co-CreateInstance()函數便可創建服務器實例，其中以IUnknown作為請求接口。

②請求數據訂閱操作接口。通過成員函數GetInterfaces()實現，以 IUnknown的成員函數QueryInterface()獲取。

③在OPC服務器上創建報警數據訂閱，并連接到接收器對象。通過成員函數CreateSubscription()實現，其中利用 IOPCEventServer::CreateEventSubscription()函數創建一個報警數據訂閱。若創建成功，即與服務器中一個接收對象連接，此時，當有一個新的報警產生時客戶便可以接收到服務器返回的數據。同時，通過 CComObject::CreateInstance()函數創建一個COPCEventSink類的實例，此時，服務器返回的回調對象便在COPCEventSink類中的成員函數Initialize()中進行初始化，然后通過成員函數Connect()將回調對象與創建的數據訂閱接口連接。

最后，通過COPCEventSink類中的成員函數OnEvent()將所創建的報警數據訂閱所返回的信號(數據)顯示在對話框的List Control控件上。所顯示的報警數據在界面上實時更新，包括報警時間、來源、報警號、消息等。

2.2.2 文件傳遞及程序調用

人機界面在進行齒面測量時，必須將某些程序和文件復制并存到NCK中，反之亦然。在VC環境下同樣利用COM組件技術，創建一個派生于IDispatchImpl及 CComObject－ Root的類，命名為CMCDomainCallback，添加的COM地圖聲明代碼如下:

在所用的對話框類中，添加成員函數ConnectToDomainServer()，創建IMC中的DomainServer實例，并建立連接。以CopyNC()以及MapACC_NC()函數發送復制文件請求。其中，向系統服務器中復制文件的詳細代碼如下:

CopyNC(bstrSourceFile，bstrTargetFile，MCDOMAIN_COPY_NC);

相應地，同樣利用 COM組件創建 IMC中Command實例，從而實現對NC/PLC的程序調用服務。如通知NCK執行一個指令，VC中代碼為:#PI_START，/NC，201，/_N_MPF_DIR/_N_123_MPF，_N_SELECT#。

將所有的功能集成在每一個對話框中。對話框設計完成后，就可以生成VC的標準Windows應用程序，并在數控系統開發平臺中運行。

3 結果驗證

本研究根據上節描述的開發方法，以錐齒輪磨齒機在機測量軟件開發為例，在VC環境下制作了人機界面，并將所開發的人機界面在840D數控系統上進行模擬。如圖2、3所示，NCK變量存取、報警服務、多語言等均顯示成功，驗證了基于VC的840D數控系統人機界面開發方法的正確性。

圖2 主界面監控狀態

圖3 人機界面調整參數編輯界面

4 結束語

本文研究了VC環境下高端機床專用人機界面制作方法，采用UNICODE編程實現界面多語言顯示，使用DDE技術及OPC協議來對NCK/PLC變量進行存取，利用COM組件技術進行文件傳遞以及程序調用。根據此方法，以錐齒輪磨齒機在機測量軟件開發為例制作了人機界面，并將人機界面在840D數控系統中進行模擬，驗證了基于VC的840D數控系統人機界面開發方法的正確性。

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