基于VC的西门子840D数控系统人机界面开发方法

金 陵，张卫青，王兴龙

(重庆理工大学汽车零部件制造与检测教育部重点实验室，重庆 400054)

随着数控机床的高速发展，数控系统的通用功能已不能满足高档机床的特殊需求，对开放式的数控系统进行二次开发已成为当今数控技术的研究热点［1－2］。

目前，我国大部分高端机床均采用西门子840D数控系统，为了适应个性化市场的需要，国内学者针对各种机床不同的控制要求，对西门子840D数控系统的二次开发方法进行了一系列研究。其中，大部分学者利用 HMI Programming Package开发工具，通过HMI Advanced标准软件开发标准应用程序Regie及Sequence Control的嵌入式应用软件，但其开发方式存在一定局限性，一些标准类模板及窗体都不允许更改，语言动态链接库的建立也较为烦琐。而单独采用VC++开发标准的Windows应用软件则能很好地解决这些问题，且所开发的人机界面更加人性化、自由化、美观化。因此，本文利用西门子数控系统提供的HMI软件包，研究利用面向对象的编程语言VC进行高端机床的专用人机界面制作，并开发了适用于840D数控系统的人机界面［3］。

1 人机界面总体框架

根据相关机床的加工特点及功能要求，设计整个界面的总体框架，如图1所示。图1中显示了界面中各窗口的调用关系及各软件与窗口状态的联系［3］。

图1 界面总体框架

图1中，主界面为状态监控，包括各坐标轴坐标实时显示以及报警服务、循环、余程、加工状态等框架;数据管理主要完成机床加工数据文件的导入导出，实现数据文件中各项参数的查看、编辑等功能;程序主要控制零件程序的运行、显示和编辑功能;结果分析是对相关数据的处理及结果的显示。用户可以根据实际要求在主界面上继续添加框架，每一个框架都是一个界面，每一个界面都是由数个对话框组成，它们之间都是相互联系、协同工作的。

2 基于VC的界面开发方法

界面采用MFC基于对话框形式完成设计及数据通讯服务。通过数控通讯服务器(NCDDE Server)、数控内核(NCK)、可编程序控制器(PLC)等组件实现人机界面交互功能。开发前，只需在PC机上安装VC++编程软件，所开发出的标准Windows应用程序即能在西门子数控系统下运行。

根据相关机床的实际要求编辑各对话框界面，并且在VC环境下直接与NCU、PLC建立连接，实现界面与840D数控系统的通讯。所开发软件的主要功能包括:人机界面上各软件定义及与机床操作面板上键盘响应;对NCU中各种变量的访问，如轴坐标值、进给率、余程等;NCU文件读取及对R参数的访问;对PLC中各种变量的访问，如I/O口、标志区M、数据块DB等。各个应用模块都另行开发且脱离于西门子HMI Programming Package开发框架，即独立于西门子数控系统的主控制和顺序控制之外。与传统的VB语言开发相比较，其通用性更强、开发更加自由，并且语言动态显示更加简便［4－8］。

2.1 多语言显示

PC机上独立开发的人机界面在数控系统中运行时，控件的文本不能显示中文。不同于传统开发方式，在VC环境下无需创建DLL语言动态链接库，采用UNICODE编程就可以在西门子系统下动态显示中文，并且能使界面同时支持多种语言。VC++6.0中，具体设置步骤:打开［工程］－＞［设置…］对话框，在 C/C++标签对话框的“预处理程序定义”中去除_MBCS，加上_UNICODE，UNIC－ODE，然后需要设置Unicode专用的程序入口点，即在Link页的Output类别的Entry-Point里填上wWinMainCRTStartup。一般情况下输入字符时加上_T宏，则能兼容ANSI和Unicode字符。

2.2 人机界面信息与NCU/PLC中变量的传递

在VC环境下，人机界面可直接利用西门子数控系统服务器提供的接口访问 NCU、PLC、MMC103中的变量和文件，实现需要的NCK/PLC变量存取。同时，在执行程序时，直接通过VC程序向数控系统发出指令，指示机床动作。

2.2.1 NCK/PLC 变量存取

在人机界面上，需要实时更新采集到的数据，把NCK中的变量及数据的有关信息及时反映到显示屏上，从而使操作者能对机床状态进行管理和操作。NCK中采集的变量和数据主要包括系统变量、系统状态数据、通道专用数据、轴状态数据、驱动状态数据、刀具和刀具库数据、机床和设定数据、参数、伺服、诊断数据等。

1)根据动态数据交换技术(DDE)的优点及具体要求，在VC环境下通过DDE来建立连接，获取当前各轴的坐标值、进给速度、余程等数据。首先需要对 DDE连接进行初始化，以 ncdde/nuc840d作为连接的服务器名称和主题，通过建立函数来读取各轴数据。下面是在VC中读取1个轴当前坐标值时用到的程序代码:

还需通过DdeClientTransaction()函数向数控系统服务器发送数据请求，服务器必须通过DDE回调函数处理请求并返回DdeCreateDataHandle()来发送数据。同时可以调用DdeGetData()来获取实时数据，并动态显示在界面上。

2)由于VC++6.0的MFC中已集成了COM组件开发工具ATL(活动模板库)，因此在VC中选择使用 OPC协议，通过与 OPC Alarm＆Event Server建立连接实现报警数据读取。OPC是OLE for Process Control的缩写，它采用客户/服务器体系，是基于Microsoft的OLE/COM技术，为硬件厂商和应用软件开发者提供了一套标准的接口。

首先，需要在MFC程序的StdAfx.h文件中添加ATL中心模块类CComModule，并创建一个全局实例_Module，它的实现位于 atlbase.h和 atlimpl.cpp中，因此在程序中必须包含这2个文件。报警数据显示的对话框所产生的类，命名为CAlarm类。同时，为了实现回调对象的接收，还需添加一个派生于IOPCEventSink(事件订阅的接收器接口)及 CComObjectRoot(内部 ATL函数实现)的类，命名为COPCEvent－ Sink。

在VC中，ATL主要处理引用计数的实现以及IUnknown的成员函数QueryInter-face()的功能，为此，必须在COPC－EventSink类中插入COM地图。COM地图主要描述了哪些接口会被回调对象使用并且可以通过 QueryInterface()返回。在COPCEventSink类中，相应的声明代码如下:

除了这些接收器接口以外，在COPCEv－entSink类中，使用成员函数Connect()建立回调对象与OPC server的连接点的连接，利用成员函数Initialize()对回调对象进行初始化，即建立一个报警数据变量。

相应地，还需在CAlarm类中添加相关函数才能从OPC Alarm＆Event Server中接收报警信号，并在对话框中显示。具体步骤:

①创建OPC服务器实例，并建立连接。通过成员函数ConnectServer()与服务器建立连接，连接之前客户端需要服务器的 CLSID，可以通过CLSIDFromProgID()函数来获取信息，其中ProgID为OPC.S-inumerik Events。这样通过 CLSID及Co-CreateInstance()函数便可创建服务器实例，其中以IUnknown作为请求接口。

②请求数据订阅操作接口。通过成员函数GetInterfaces()实现，以 IUnknown的成员函数QueryInterface()获取。

③在OPC服务器上创建报警数据订阅，并连接到接收器对象。通过成员函数CreateSubscription()实现，其中利用 IOPCEventServer::CreateEventSubscription()函数创建一个报警数据订阅。若创建成功，即与服务器中一个接收对象连接，此时，当有一个新的报警产生时客户便可以接收到服务器返回的数据。同时，通过 CComObject::CreateInstance()函数创建一个COPCEventSink类的实例，此时，服务器返回的回调对象便在COPCEventSink类中的成员函数Initialize()中进行初始化，然后通过成员函数Connect()将回调对象与创建的数据订阅接口连接。

最后，通过COPCEventSink类中的成员函数OnEvent()将所创建的报警数据订阅所返回的信号(数据)显示在对话框的List Control控件上。所显示的报警数据在界面上实时更新，包括报警时间、来源、报警号、消息等。

2.2.2 文件传递及程序调用

人机界面在进行齿面测量时，必须将某些程序和文件复制并存到NCK中，反之亦然。在VC环境下同样利用COM组件技术，创建一个派生于IDispatchImpl及 CComObject－ Root的类，命名为CMCDomainCallback，添加的COM地图声明代码如下:

在所用的对话框类中，添加成员函数ConnectToDomainServer()，创建IMC中的DomainServer实例，并建立连接。以CopyNC()以及MapACC_NC()函数发送复制文件请求。其中，向系统服务器中复制文件的详细代码如下:

CopyNC(bstrSourceFile，bstrTargetFile，MCDOMAIN_COPY_NC);

相应地，同样利用 COM组件创建 IMC中Command实例，从而实现对NC/PLC的程序调用服务。如通知NCK执行一个指令，VC中代码为:#PI_START，/NC，201，/_N_MPF_DIR/_N_123_MPF，_N_SELECT#。

将所有的功能集成在每一个对话框中。对话框设计完成后，就可以生成VC的标准Windows应用程序，并在数控系统开发平台中运行。

3 结果验证

本研究根据上节描述的开发方法，以锥齿轮磨齿机在机测量软件开发为例，在VC环境下制作了人机界面，并将所开发的人机界面在840D数控系统上进行模拟。如图2、3所示，NCK变量存取、报警服务、多语言等均显示成功，验证了基于VC的840D数控系统人机界面开发方法的正确性。

图2 主界面监控状态

图3 人机界面调整参数编辑界面

4 结束语

本文研究了VC环境下高端机床专用人机界面制作方法，采用UNICODE编程实现界面多语言显示，使用DDE技术及OPC协议来对NCK/PLC变量进行存取，利用COM组件技术进行文件传递以及程序调用。根据此方法，以锥齿轮磨齿机在机测量软件开发为例制作了人机界面，并将人机界面在840D数控系统中进行模拟，验证了基于VC的840D数控系统人机界面开发方法的正确性。

［1］赖国庭，吴玉厚，富大伟.开放式数控系统的发展及性能研究［J］.机械与电子，2003(2):3－5.

［2］魏巍.开放性的西门子840D在数控磨齿机中的应用［J］.制造技术与机床，2006(1):99 －101.

［3］张明德，张卫青，郭晓东.全数控锥齿轮铣齿机软件开发［J］.制造技术与机床，2009(11):102－105.

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［5］向筱，黎勇，张卫青.基于西门子840D数控系统的锥齿轮研齿机的人机界面开发［J］.重庆工学院学报:自然科学版，2008，22(3):111 －113.

［6］吴艳花，雷俊杰.基于840D数控系统的人机界面二次开发［J］.机床与液压，2011(10):118－121.

［7］余英，梁刚.Visual C++实践与提高 COM和COM+篇［M］.北京:中国铁道出版社，2001.

［8］Smith J.Understanding and Using COM Threading Models［M］.WA:MicrosoftCorp，1998.