基于OPC UA的數控機床聯網適配器設計與研發

黃李炳，江先志

（浙江理工大學，杭州 310018）

基于OPC UA的數控機床聯網適配器設計與研發

黃李炳，江先志

（浙江理工大學，杭州 310018）

針對金屬加工行業提出了車間設備的網絡拓撲架構。基于OPC統一架構（OPC UA）通訊協議，設計研發了數控機床的聯網適配器。提出了數控機床的OPC UA信息模型，編寫了不同品牌數控系統API通訊程序及OPC UA服務器程序，統一了不同品牌數控機床間的通訊接口，簡化上層管理系統的數據采集。

OPC UA；數控機床聯網適配器；信息模型

0　引言

隨著中國制造業轉型和升級，以及智能制造的推廣，設備間的通訊與聯網成為其中重要的一環。現今，制造業尤其是金屬加工業所使用的設備多以數控機床為主，數控機床在制造業有著重要的地位。數控機床的聯網影響著設備的維護、生產過程的監視與控制、生產管理，是SCADA，MES，ERP系統的基礎，對實現工廠的自動化和智能化生產有著重要的意義。

現階段，數控機床的控制系統主要有西門子、發那科、三菱和華中等，這些數控系統都以提供API的方式，通過以太網或串口與PC通訊。由于各家廠商各自提供各自的API，通訊接口不統一，加之通訊沒有認證機制，安全性不足。本文設計一種數控機床聯網適配器，使用OPC UA協議與上層管理系統（SCADA， MES， ERP）通訊。由于OPC UA具有平臺無關性，可運行在嵌入式、Linux和Windows等平臺上，對底層設備擴展性強，可方便拓展接入各類PLC、機器人、傳感器［6］。

1　適配器架構設計

一般金屬切削加工工廠的設備有加工設備，檢測設備，和自動化輔助設備。設備聯網與數據采集是車間現場管理數字化的基礎。本文以金屬切削加工行業為基礎，提出車間現場管理中設備聯網的網絡拓撲。

圖1　設備網絡拓撲圖

車間設備與上層管理系統分處不同的網絡，用中間件服務器連接。中間件服務器為OPC網關，采用雙網卡設計。一端根據計算機性能以及車間布置情況與100～200臺數控機床聯網適配器和其他設備相連，通過OPC Client實時采集和存儲車間設備信息，實現車間現場設備間的數據交互，車間設備的維護和管理，使設備隔離互聯網環境，提高設備安全性。一端處于上層管理系統網段，為SCADA、MES、ERP系統提供OPC Server服務，完成與車間管理和操作人員的數據交互，細化車間現場管理，滿足車間現場數據的及時性和準確性要求。

適配器通過數控系統提供的API與數控機床通訊，采集數控機床信息，再通過OPC Server的DA服務，AC服務和HA服務為中間件服務器的OPC Client提供數據［1］。每臺適配器連接一臺數控機床，實現實時采集機床數據、機床內NC程序的上傳下載、機床刀庫內刀具的壽命，尺寸和磨損管理、機床I/O和伺服的基本控制、機床狀態參數的遠程修改維護等功能。

圖2　數控機床聯網適配器通訊模型

2　軟件設計與實現

由于數控系統提供的API大多基于Windows平臺，本文的數控機床聯網適配器使用Windows Server 2008操作系統，C#編程語言。基于OPC基金會提供的.NET Stack和SDK開發。

2.1數控機床OPC對象模型

OPC服務器可以通過OPC建模規則，由地址空間的節點和節點間引用建立復雜的信息模型［5］。OPC客戶端通過服務器的DA服務瀏覽模型節點和節點數據傳輸數據。CommServer公司提供有UA Model Designer軟件，用于將OPC信息模型轉化為SDK的編程文件。

如圖2所示，本文將數控機床分為3個部分，分別是NC控制器，PLC控制器和用戶數據［7］。NC控制器主要負責NC程序的解析和運算，伺服電機和主軸的控制；PLC控制器主要作用為用戶輸入輸出信號控制，各類寄存器、計數器和定時器控制；用戶數據主要包含了NC程序、刀具信息和用戶參數。該模型總結了西門子，發那科，三菱和華中的數控系統結構，努力將模型適用于各類數控機床。

圖3　數控機床OPC信息模型

2.2應用程序設計

目前數控系統供應商大多提供各自系統的API接口，采集方式，加密手段，通訊協議各不相同。本文主要針對市面上常見的數控系統做了聯網適配，有西門子，發那科，三菱，華中。各家的API都有兼容不同型號和版本的數控系統的能力，針對同一品牌的不同型號和版本的系統只需要做少量的程序適配修改。如圖4所示，程序定義了抽象類CNC，所有的CNC屬性和共用方法都放在CNC類中，各個品牌的系統都繼承了CNC類，在各自的類中實現數據交互方法。使用簡單工廠模式實例化不同品牌數控系統類，并定義了CNCColleter類包含CNC類，在CNCCollecter類中完成與數控系統和OPC服務器的數據交互。

程序關鍵代碼如下：

// 添加節點管理類

m_serverInternal.SetNodeManager（masterNodeManag er）；

圖4　程序設計

3　結束語

本文設計研發的數控機床聯網適配器致力于解決由于數控系統品牌不同、車間數控機床數量較多造成的數控系統與上層系統數據交互困難的問題。統一了數控機床的數據交互接口，確保安全性，數據交換實時性，并初步建立了數控系統的OPC對象模型，適配了的西門子、發那科、三菱、華中四個品牌的數控系統。方便上層SCADA、MES、ERP管理系統與底層設備組網。結合設備數據采集和分析，對工廠產能的提高、產品良率的提升、生產成本的降低有指導意義。

除此之外，對設備而言，使設備追加功能變的容易。例如：監控主軸和伺服電機負載，從而得知工件加工異常和刀具損耗的信息；增加主軸、絲桿溫度傳感器，監控主軸、絲桿溫度，進行溫度補償。這些都只需在適配器上完成即可。針對一些沒有API接口的老設備，也可使用適配器對其進行聯網升級改造。

對制造業而言，設備的聯網和監控是今后的趨勢。未來希望數控系統供應商可以共同協商設備聯網的行業標準，推動制造業向前發展。

［1］ Mahnke W， Leitner S H，Damm M. OPC unifi ed architecture［M］. Springer Science & Business Media，2009.

［2］ OPC Foundation.OPC unified architecture specification， part 8： data access RC 1.31［S /OL］.［2009-10-10］.http：//www. opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN= KEY&CI=283.

【】【】

［3］ OPC Foundation. OPC unified architecture specification， part 9：alarms and conditions RC 1.00.18 ［S/OL］. ［2009-10-10］. http：// www.opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN =KEY& CI=283.

［4］ OPC Foundation. OPC unified architecture specification， part 11： historical access 1.00 ［S/OL］.［2009-10-10］. http：//www. opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN=KEY &CI=283.

［5］ OPC Foundation. OPC unified architecture specification， part 3：address space model RC 1.01.13［S/OL］.［2009-10-10］. http：//www. opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN =KEY&CI=283.

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［7］ FANUC O C.維修說明書［J］.北京：北京發那科機電有限公司.

［8］ SINUMERIK 840D_840Di_810D Shop Mill操作編程手冊［J］. 西門子（中國）有限公司自動化與驅動部，2002.

［9］ 高振清，孫厚芳，宮琳.車間現場信息采集技術研究與系統開發［J］.機械工程學報，2006，42（增刊）：188-191.

［10］ 蔡旺，杜道山，李從心.數控機床狀態數據采集系統的實現［J］.機床與液壓，2005（3）：59-61.

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OPC UA based CNC machine network adapter design and development

HUANG Li-bing， JIANG Xian-zhi

TH6

A

1009-0134（2016）10-0064-03

2016-08-05

黃李炳（1991 -），男，浙江紹興人，碩士研究生，主要從事自動化、設備通訊相關工作。