基于OPC的可重構制造單元控制系統設計

李紹成，朱典想， 陳富林

（1.南京林業大學 工業學院，南京 210037；2.南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

0 引言

為了滿足多變的市場需求，可重構制造系統應運而生。可重構制造系統是一種新型的制造系統，主要通過制造單元重構和設備重構來滿足變品種的工件加工要求[1～4]。制造單元重構的關鍵是要有可重構的控制系統，因此，對可重構制造單元控制技術進行研究具有較好的應用前景。

1 可重構制造單元控制結構設計

1.1 OPC技術在制造單元控制中的作用分析

OPC（OLE for Process Control）是用于過程控制的OLE技術[5,6]。OPC技術出現之前，控制系統與設備之間的數據交換是通過驅動程序實現的。OPC技術的出現將設備的驅動程序從控制系統中獨立出來，封裝成OPC服務器。控制系統只要具有OPC客戶端接口，就可以訪問任何提供了OPC服務器的設備，如圖1所示。OPC技術為制造單元控制帶來了以下好處：

1）OPC技術使控制系統與設備的接口標準化，降低了控制系統的開發難度，提高了控制系統的可維護性。

2）OPC客戶端和服務器可以分布在局域網的不同計算機上，使得控制系統的分布與系統硬件的分布無關，便于系統硬件配置。

3）OPC技術使控制系統的開放性提高。

1.2 基于OPC的可重構制造單元控制結構設計

根據可重構制造單元的控制結構要求，借鑒遞階式控制結構的思想，建立了圖2所示的基于OPC的可重構制造單元控制結構。

這種控制結構從功能上看表現為三層：單元層、工作站層和設備接口層。這種體系結構是由遞階式控制結構改進而來的，保持了遞階式控制結構的優點，又具有一些新的特點：

1）與傳統的控制系統相比，增加了一個連接層：設備接口層。這樣上層控制軟件由與設備的直接通信轉化為與設備接口控制實體的通信，降低了上層控制軟件的復雜性，并提高了控制系統的適應性和擴充性。

2）單元層所需的設備狀態信息是從設備接口控制實體中直接獲得的，從而提高了控制系統的實時性。

3）設備接口控制實體含有按照OPC規范設計的客戶端接口，極大地提高了控制系統的可維護性。

1.3 可重構制造單元控制系統開發方法

由圖2可以看出，按照本文提出的控制結構設計的可重構制造單元控制系統應該是多個功能模塊的有機組合體，能夠方便地添加或修改某些功能模塊，以滿足控制系統的功能變更、擴展和升級需求，而對其它功能模塊不產生影響。為此，本文采用了基于COM/DCOM規范開發的組件來構造可重構制造單元控制系統。

2 控制系統軟件詳細設計與開發

由上述的可重構制造單元控制結構和軟件開發方法可知，在可重構制造單元控制系統開發過程中主要運用OPC技術和組件技術。

2.1 OPC服務器開發

本文開發的OPC服務器是采用拓林開發工具包實現的。該OPC服務器是一個進程外組件，符合標準的OPC服務器規范，具有如下功能：注冊和注銷；工具包動態庫的初始化和清除；服務器信息設置；OPC項的創建與刪除；OPC項數據的更新；OPC服務器與客戶程序的數據交換等。

2.2 功能組件詳細設計

功能組件包括工作站組件和設備接口組件，本文是利用ActiveX 技術來開發工作站組件和設備接口組件的[7,8]。

由于篇幅限制，這里僅介紹設備接口組件的詳細設計思路。設備接口組件主要完成兩方面任務：一方面，接收上層控制軟件發送的設備動作指令，通過OPC客戶端接口寫入相應設備的OPC服務器；另一方面通過OPC客戶端接口采集設備的輸出值，并將輸出值與設備運行狀態反饋給上層控制軟件。圖3為設備接口組件的運行控制流程圖。

2.3 單元控制器詳細設計

單元控制器是控制系統的核心，主要由布局配置、加工計劃制定、加工路徑設置和運行控制四個模塊組成。

布局配置模塊為用戶提供一個圖形建模的交互界面，用戶可以方便地構造出與制造單元物理系統一致的圖形布局。

加工計劃制定模塊主要負責加工任務的輸入和加工計劃的自動生成。

加工路徑配置模塊主要用于配置工件的加工路徑。

運行控制模塊主要是根據加工計劃、加工路徑和系統的狀態信息依次向工作站組件或設備接口組件發送任務信息或控制命令，并通過設備接口組件獲取設備的狀態信息，利用設備資源控件顯示設備的運行狀態。

3 原型系統應用與結果分析

在研究過程中開發了常用的設備顯示控件、設備接口組件、工作站組件和單元控制器。對這些控件、組件進行適當的配置后，就可以構建出一個制造單元控制系統。

3.1 在FMS上的應用

Denford公司的FMS系統是一套小型的柔性制造系統，由一臺ORAC數控車床、一臺TRIAC數控銑床、兩臺日本三菱公司的RM-501型機械手和一條環形傳送帶組成。

對本文研究中所開發的OPC服務器、設備控件、功能組件和單元控制器進行適當的選擇和配置，可以快速地構建出圖4所示結構的FMS控制系統，系統運行的主界面如圖5所示。

3.2 結果分析

目前該控制系統運行良好，已用于碩士研究生和本科生的實驗教學。本文設計開發的控制系統與原系統相比具有以下優點：能適應系統的伸縮性要求；能適應系統布局變化要求；能適應工件加工工序變化要求；能適應硬件設備升級要求。

4 結束語

本文設計開發的基于OPC的可重構制造單元控制系統滿足制造系統快速重構控制要求，今后，隨著對控制系統軟件的進一步改進和完善，可以將其應用于企業的實際生產制造單元中。因此，本文的研究成果為可重構制造系統的推廣應用提供了一定的技術基礎。

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