基于FANUC數控系統的數據采集系統的設計與實現

徐洪健 趙波/上海三一精機有限公司研究院電氣所

基于FANUC數控系統的數據采集系統的設計與實現

徐洪健 趙波/上海三一精機有限公司研究院電氣所

本文以FANUC數控系統為基礎，分析數控機床數據采集的需求，對現場數控機床運行情況、NC、PMC和報警等重要數據進行實時采集，形成可靠完善的數據采集技術，確保生產安全高效，產品質量優良。重點是完成數據采集系統用戶界面的開發。采用原型法設計數據采集系統，使用C#語言在。NET框架上開發用戶界面，應用FANUC的FOCAS庫函數實現PC機與CNC的通訊和實時數據的采集，應用SQLServer數據庫對相關數據進行存放。

數控系統；數據采集；用戶界面

一、引言

本課題所開發的數據采集系統以FANUC 0i-TD數控系統為實驗對象。FANUC0i-TD數控系統裝配有高可靠性、高性價比的納米CNC，帶有納米插補功能，并且配有高速、大容量的PMC，支持100Mbps的內嵌式以太網。

通過內嵌式以太網可將CNC與PC機連接起來，即可進行NC程序的傳輸、機械的控制和運行狀態的監視、機械的調整和維護。其基本功能包括：

1.基于FTP（File Transfer Protocol）文件傳輸功能的NC程序的傳輸可通過CNC畫面的操作來傳輸NC程序。電腦側使用FTP服務器·軟件，所以，可以與Windows環境以外的主機傳輸NC程序。

2.基于FOCAS1/Ethernet的機械控制和監視可利用 i CELL和 CIMPLICITY（FANUC數控系統機床集中管理軟件），創建進行機械的控制和監視的系統。此外，也可通過CNC主導信息通知功能，利用NC程序、或者梯圖程序發出的指令，從CNC自發地向電腦的應用程序通知信息（CNC/PMC數據）。

3.可以在線進行基于FANUC LADDER-Ⅲ以及SERVO GUIDE的機械的調整和維護、梯形圖程序的維護和伺服電機的調整。

二、FANUC數控系統通訊

在數據采集系統中，FANUC數控系統與PC機的通訊通過FANUC以太網功能（Ethernet Function）實現。FANUC以太網功能主要包含：NC數據傳送、遠程控制等功能。其主要通過TCP/IP協議實現，使用時在CNC系統上只需設定CNC的IP、TCP和UDP端口等信息，在PC機人機界面中設置IP和端口號即可。

采用FANUC數控系統的機床均具有以太網功能，它的通訊協議是TCP/IP（Transmission ControlPtotocol/Internet Protool）協議，TCP/IP采用四層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求。這四層分別為：

1.應用層：應用程序間溝通的層，如簡單電子郵件傳輸（SMTP）、文件傳輸協議（FTP）、網絡遠程訪問協議（Telnet）等。

2.傳輸層：提供了節點間的數據傳輸服務，如傳輸控制控制協議（TCP）、用戶數據報協議（UDP）等。

3.互聯網絡層：負責提供基本的數據封包傳送功能，讓每一塊數據包都能夠到達目的主機（但不檢查是否被正確接收），如網際協議（IP）。

4.網絡接口層：對實際的網絡媒體的管理，定義如何使用實際網絡（如Ethernet、Serial Line等）來傳送數據。

a）數據采集系統的構架分析

在FANUC數控機床上開通FOCAS功能，將數控系統和PC機通過網線連接，分別在CNC和數據采集軟件中設置相關數據，實現通訊。在數據采集軟件上實現對NC各個軸坐標、主軸轉速、進給速度等信息的查看，實現對主軸伺服參數實時線性顯示，對報警記錄和用戶登錄信息在數據庫中進行記錄。

b）FOCAS技術

FOCAS可以通過HSSB或以太網（TCP/IP）接口在PC和CNC之間完成交換數據和信息共享，它的主要功能包括以下幾部分：

1.CNC：NC控制的伺服軸、主軸相關數據的讀寫

2.CNC：加工程序相關的操作

3.CNC:讀寫CNC文件數據

4.CNC:讀取刀具壽命管理信息

5.CNC:讀取歷史信息記錄

6.CNC:讀取伺服、主軸數據

7.CNC:讀取數據服務器、DNC1、DNC2、OSI-Ethernet（只能使用高速串行總線HSSB）相關信息

8.CNC:讀取波形診斷數據

9.CNC:讀取沖床CNC相關數據

10.CNC:讀寫激光器CNC相關數據

11.CNC:讀寫伺服學習控制相關數據（只能使用HSSB）

12.CNC:讀寫其他數據

這些數據包括連續工作狀態數據、診斷數據、A/D轉換數據、報警信息和操作提示信息等等。

13.PMC:讀寫PMC相關數據

這些數據包括G、F、Y、A、R、T、C、D地址等。

PMC:讀寫PROFIBUS-DP相關內容

如后圖1FOCAS功能

FOCAS函數庫功能非常強大，但在軟件的實際設計中，只取用數據采集相關的函數，不對其他函數進行使用，原因是對原函數對數據的處理并不滿足需求。因此，在報警解決信息與報警錄入到歷史信息中，采用自行編程，更加貼近實際，滿足需求。

在使用C#編程中，嵌入FANUC提供FOCAS的fwlib32.dll文件和fwlib32.cs類庫，實現與CNC的通訊和數據采集。

DLL文件為動態鏈接庫（Dynamic Link Library），是Microsoft Windows最重要的組成要素之一。動態鏈接庫是不能直接執行的，也不能接收消息，它只是一個獨立的文件，其中包含能被程序或其他DLL調用來完成一定操作的方法。但這方法不是執行程序本身的一部分，而是根據進程的需要按需載入，才能發揮作用。FOCAS中的fwlib32.dll中的方法就是通過fwlib32.cs的調用實現，用戶通過使用fwlib32.cs類庫就可以調用這些方法，使用非常方便。

c）功能設計與實現

除了純粹的數據采集，系統還需要對采集的數據進行存儲和處理，方便進一步應用。軟件具體功能設計如下：

如后圖2軟件功能結構

數據采集是指PC機與CNC進行連接，將CNC中信息采集到PC機上。軟件所采集的數控機床數據分為報警信息、CNC中各個軸坐標、主軸的I/O點狀態和主軸伺服參數。

軟件以監測為主，通過報警信息可以直接了解到數控機床是否正常運行及機床運行不正常的原因。通過各個軸的位置坐標信息和進給速度可以了解到機床加工狀態。主軸的性能決定加工的質量和切削效率的重要因素，所以對主軸的數據采集尤為重要。所以對PMC中與主軸相關的檔位、主軸松拉刀和風冷油冷等信號進行采集；對主軸伺服功率繪制線性圖，實時了解其穩定性。

數據處理功能：

數據處理指數據庫表的建立，對用戶和歷史報警等信息進行管理，實現增加、刪除、查詢、刷新等操作；實現對現報警的存儲和將現報警添加到歷史報警記錄中；對報警的解決辦法進行管理，實現自主寫入解決辦法。

用戶可以查看用戶數量及各用戶的用戶名與密碼，更可以實現用戶的增加刪除與查詢功能。

用戶可查看當前報警的詳細信息，包括報警序號，報警內容及報警解決辦法；也可以查看歷史報警，并對歷史報警信息進行查詢、刪除和刷新的操作，而且用戶可以通過相關操作將處理完的現報警信息轉入到歷史報警信息中。

可視化功能：

可視化通過人機界面的設計實現，實現用戶登錄，顯示NC、PMC、主軸伺服參數與報警信息，幫助等功能。對主軸伺服系數等進行記錄并顯示實時曲線。

第一部分是登陸界面。通過驗證后才可以進入到主界面，驗證成功后隱去登陸界面，顯示數據采集主界面。

第二部分是數據采集主界面。在主界面中，用戶可以查看到報警信息的報警序號和報警描述；監測到NC各個軸的實際坐標與機器坐標與主軸轉速和進給速度；查看主軸各I/O點狀態與主軸伺服參數。輔助功能是機床運轉狀態和系統時間。配有“報警詳情”按鈕、“用戶管理”按鈕、“系統配置”按鈕、“幫助”按鈕，方便用戶進一步操作。

第三部分是用戶管理界面，用戶通過點擊主界面的“用戶”按鈕進入。在此界面中，用戶可以查看和修改用戶數量及各用戶的用戶名與密碼。

第四部分是報警界面，用戶通過點擊主界面的“詳情”按鈕進入。在此界面中，可查看當前報警的詳細信息，包括報警序號，報警內容及報警解決辦法；也可以查看歷史報警，并對歷史報警信息進行查詢、刪除和刷新的操作，而且用戶可以通過“確認”按鈕將處理完的現報警信息轉入到歷史報警信息中。

第五部分是系統界面，用戶通過點擊主界面的“系統”按鈕進入。此界面分為兩部分：

1.連接：用于設置PC機的IP地址，與數控機床進行匹配，實現相互通訊。軟件預設初始IP地址為192.168.1.11，端口號為8193，用戶也可根據需要更改。

2.報警錄入：用于對報警的序號、報警描述和解決辦法進行增加，刪除、查詢與刷新的操作。

第六部分是幫助界面，用戶通過點擊主界面的“幫助”按鈕進入。此界面介紹了本采集系統的功能與操作說明。

如后圖3界面部分效果圖

三、結論

該界面軟件可廣泛應用在Fanuc版本的人機交互界面中，主要面向高端數控機床。彌補了Fanuc自身軟件在人機交互方面專機化特點的不足。

該界面軟件能夠直接顯示，而且始終顯示機床重要信息，比如機床主軸、刀具當前狀況信息，托盤、工位當前加工工件信息等等。能第一時間將系統信息傳遞給操作者，避免繁瑣操作。采用該界面軟件，可以豐富機床信息的顯示方式，如圖片、文字，而不再是單一地以LED燈的方式顯示，人機交互性可明顯提高，用戶體驗好。

[1]曹錦江，汪木蘭，左健民。PC機與FANUC數控系統遠程通信軟件的開發[J].中國制造業信息化，2006,07: 53-55+61.

[2]林勤花NET平臺下基于LINQ三層架構的應用 [J].電腦與信息技術，2013,01: 63-65.

圖1 FOCAS功能

圖2 軟件功能結構

圖3 界面部分效果圖