網絡DNC系統數據處理技術研究

雷 兵 姜其成 劉 江

(①重慶中捷數控機床股份有限公司研發與應用研究中心，重慶 401121;②北京科技大學機械工程學院，北京 100083)

由于DNC相對于FMS投資小、見效快，國內外對DNC技術的研究非常重視。當前的企業級DNC系統已突破單一傳輸NC程序功能，擔負著為整個企業信息化提供數據來源的重要任務。這就給DNC系統提出了更高的要求，采集數據和數據處理都是其需要擴充的功能之一。由于國內企業數控機床品種、檔次繁多，因此數據采集方式多樣化，再加上當前計算機硬件的限制，以及數據處理目標的多樣化(各個企業需求不一致)，實際操作中往往將數據處理與數據采集分開來，作為獨立的功能模塊加以實現。本文根據CAXA公司的DNC系統數據采集模塊采集的數據，研究了當前機械制造類企業的各種需求，提出了一種可行的數據處理方法，目的是為了實現DNC系統與企業信息化系統之間的集成與銜接，為DNC系統融入制造業信息化平臺尋求一條有效途徑。

1 原始數據概述

數據采集作為DNC系統的擴充功能之一，它的主要目的是對機械制造過程中產生的各種信息進行獲取、傳輸并存入數據庫中。這些數據由多種類型的信息組成，如與設備狀態相關的信息、與工序進度相關的信息等，主要包括以下幾類:設備開和關;設備部件信息，如主軸負荷、進給倍率等;工件和加工信息;是否發生報警、故障以及報警號、故障代碼。

最終采集到的、從數據庫中能夠看到的數據類型還受到機床類型與檔次、采集和傳輸方式等外界條件的限制。以下選幾種常用的、具有典型意義的數據類型來敘述。

國內企業加工中心大多數是自帶網口的西門子和FANUC的操作系統，這類機床通過設置操作系統內部的參數，可以直接從網口中讀取到諸如設備通/斷電、加工工件號、加工程序號、主軸功率和進給倍率等關鍵參數。這類機床在數據庫中能看到的數據分兩種:一種是與設備狀態相關的信息，如設備開、關機時間，設備更換加工程序號時間以及該程序號代碼，設備更換加工工件時間以及工件號代碼;另一種是機床的關鍵部件信息，如主軸負荷、進給倍率和進給速度等。這兩種數據都是從操作系統的網口獲得的。

另外一種常見的數據類型是需要加裝傳感器、通過數據采集卡獲得的。比如要采集焊接機器人的數據，該類數控機床沒有統一的操作系統，也沒有提供系統關鍵參數的外接端口，但每臺焊接機器人的工位上都有1個指示其工作狀態的三色燈，而焊接機器人的開關機信息是可以通過通、斷電來判斷的，這時就需在三色燈和主接觸器下加裝電流傳感器，通過數據采集卡采集電流傳感器的數值并存入數據庫中。這類機床在數據庫中能看到的數據只有開關機時間、三色燈變化時間和燈色數據，NC程序號采集不到。

第三種數據類型來自普通機床改造成的經濟型數控機床，這類機床在中小企業的設備中占有一定的份額，它們沒有統一的操作系統，也沒有三色燈，大多自帶串口但并不提供關鍵參數，采集時需要加裝各種傳感器，通過數據采集卡反饋到主控計算機。這類機床在數據庫中能看到的數據只有開關機時間、零部件信息如主軸負荷、主軸轉速等，NC程序號也采集不到。

以上3類機床的數據往往會在同一個DNC系統的數據庫中同時出現，其中一些模擬量數據如主軸負荷、進給速度等，采集頻率高，數據量巨大，給數據處理帶來不便。

2 數據處理目標

2.1 數據處理目標匯總

當前離散制造業企業的ERP系統、信息化平臺的實施效果并不十分理想，究其根源還在于沒有底層的、車間層的數據可利用，或者是沒有充分利用車間層的數據。比如有些企業具有的ERP系統，其基礎數據需要手工錄入，或者只上了財務、進銷存等模塊，與生產實際相關的模塊卻很缺乏。DNC系統與企業信息化平臺的結合將彌補信息化平臺底層數據的缺失問題，顯著改善這種狀況。現將企業信息化平臺通常需要的車間層信息歸納為以下幾方面:

(1)設備的實時信息，包括實時狀態、當前加工工件及程序號等;

(2)設備開機率、利用率和維修率等;

(3)設備部件信息，如主軸轉速、進給速度等;

(4)工件加工進度;

(5)操作工操作記錄，如操作過哪臺機床、加工過哪些工件等等。

由原始數據概述可知，由于數據采集受到種種條件的限制，其采集到的最終數據離企業信息化平臺的實際需要還是有距離的，以上5條除第三條可以從采集數據庫中直接提取之外，其他都需要一定程度的處理方可供企業信息化平臺調用。

2.2 數據處理目標細化

為方便數據處理，首先對上述數據處理目標進行細化、整合。

設備的實時信息中，如當前加工工件編號、當前加工程序號、機床主軸當前轉速、當前進給速度可以從采集庫中提取，實時狀態則要經過邏輯運算之后方可得到;數據處理工作之一就是將這些零散的信息提取出來形成一張實時信息表;

設備開機率、利用率和維修率是有時間段限制的，而采集庫中所有信息都是某一時間點的數據，因此數據處理首先要將時間點信息轉換為時間段信息;其次，開機率、利用率和維修率都需要統計設備的狀態持續時間，因此數據處理需要根據采集庫中的時間點信息獲得設備狀態信息。這就要求數據處理要根據采集庫經過邏輯運算，最終形成一張包含設備狀態等字段的歷史數據表;

工件加工進度的統計則需要兩方面信息，一是加工該工件需要幾個NC程序，每個程序循環幾次，該信息可以從DNC系統數據庫的工序計劃表中獲得;二是該工件已經循環加工了幾個NC程序，由于采集條件的限制，該信息只能從原始數據概述中的第一類機床信息中獲得，并且采集庫中并不直接提供該信息，需要首先判斷該機床從第一次加工某個工件開始，以待機狀態為分割，加工狀態持續了幾個時間段(幾個NC程序)，每個加工狀態時間段內重復了幾次NC程序(循環幾次)。因此統計首先得需要根據歷史表獲得機床狀態，最后將統計結果放到一張獨立的數據表里。

操作工操作記錄可以從DNC系統數據庫的工序計劃表獲得。

3 數據處理方法

3.1 目標實現方法及重難點

由原始數據以及處理目標可知，數據處理重難點在于數控機床種類多樣，采集方式多樣，在判斷機床狀態時必須根據采集情況來處理。根據目標要求，結合機床的數據采集方式，我們設計了如下界面來輔助處理機床狀態，如圖1所示。

其中，機床編號、機床名稱來自采集庫，設置工作制為了統計機床利用率、開機率和維修率。工作狀態判斷方式需要根據數據采集方式來選擇，總體來說分為3類:第一類是有網口的、西門子/FANUC操作系統的數控機床，這類機床選擇按照加工程序起止方式判斷狀態;第二類是有三色燈的機床，這類機床選擇切削狀態燈或切削狀態燈+負荷/進給/轉速的判斷方式;第三類是負荷/進給/轉速任意一個或任意兩個組合的判斷方式。其中負荷/進給/轉速需要根據采集到的數據來設置經驗值，該經驗值用以區分加工、空轉和待機3種狀態。

這些機床信息設定后被保存到DNC系統數據庫中的一張表里，設定完成后就可以關閉了。最后完成數據處理任務的是一個Windows服務程序。考慮到數據采集是24 h不間斷地進行的，且信息化平臺何時需要數據也是不確定的，同時數據處理是完全對數據庫進行操作，不需要人工干預，所以最終采用的是沒有界面的Windows服務程序來在后臺完成這項任務。

數據處理服務程序設定為每5 s更新一次實時表與歷史表。處理機床狀態時，程序首先查找每臺機床設定的狀態判斷方式，然后根據相應的算法獲得該機床的最新狀態，之后與歷史表里的“狀態”字段對比，如果不變，則將結束時間更新到當前，否則將結束時間更新到當前的同時，再插入一條新的、包含當前狀態的數據;實時表中某臺機床當前狀態字段與歷史表里該機床的最后狀態一致。圖2是更新第三類機床的狀態算法流程圖。

其中，加工與空轉的狀態判斷是需要根據主軸轉速與主軸負荷兩個條件來判斷的，即主軸轉速與主軸負荷同時超過經驗值，則為加工;主軸轉速超過經驗值，主軸負荷低于經驗值，則為空載;主軸轉速低于經驗值，而主軸負荷高于經驗值，這種情況很少見，原因在于這種情況一般是粗加工所造成的，但數控機床很少用來進行粗加工，因此也將狀態定為加工。如果只有單一的主軸轉速、主軸負荷或進給速度，只能判定當前狀態為加工。

3.2 數據處理服務程序優化

由于DNC系統采集模塊一般都是24 h不間斷的連續長時間采集，導致數據庫中數據量巨大;同時服務程序有時并不能及時啟動，比如剛開機時，數據庫還未準備好，這時自動啟動的服務程序就會停止處理，直到手工重啟才會重新投入工作。針對以上兩種情況，對數據處理服務程序做了以下幾方面的優化:

(1)服務程序啟動時，對采集庫數據表以及處理結果表中常用字段添加索引，加快了查詢速度，也因此加快了處理速度;

(2)大量使用存儲過程以及優化過的SQL查詢語句;

(3)添加自動判斷是否存在沒有處理的數據的功能。服務程序每次啟動時，自動對比已經處理過的最后一條數據與采集庫中最新的數據，如果不一致，則對兩個時間點之間的數據加以補充處理，之后才進入每5 s一次的更新過程。

4 結語

本文研究了DNC系統采集的數據，結合當前企業信息化平臺所需要的車間層信息，提出了一種數據處理方法，解決了DNC系統與企業信息化平臺的結合問題。

數據處理服務程序由C#語言編寫，通過ADO.NET調用OLEDB數據存取對象與SQL Server2000數據庫連接，對取出的數據利用一定算法進行處理，之后將處理結果重新放入數據庫中，供企業信息化平臺的所有軟件調用。

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