基于OPC UA的828D數(shù)控機床群遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張弛，吳明亮，陸軍強，許正軍，吳明永

(1. 蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050； 2. 青海華鼎重型機床有限責任公司，青海 西寧 810000; 3. 蘭州城市學院 培黎石油工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

“中國制造2025”中指出我國制造業(yè)的主攻方向為“智能化、服務(wù)化、環(huán)境化”，但是我國制造業(yè)在實際生產(chǎn)過程中，仍然存在著生產(chǎn)過程與企業(yè)的管理系統(tǒng)相脫節(jié)的問題。對此，不少科研單位都給出了相關(guān)的解決方案，但是在實際的生產(chǎn)過程中，尤其是軌道機車的輪軸加工過程中采用數(shù)控機床卻沒有具體的解決方案。

OPCUA技術(shù)是基于OPC基金會提供的新一代技術(shù)，安全、可靠，獨立于廠商，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)和預處理的信息從制造層級到生產(chǎn)計劃或ERP層級的傳輸。通過OPCUA，所有需要的信息在任何時間、任何地點對每個授權(quán)的應用，每個授權(quán)的人員都可用。這種功能獨立于制造廠商的原始應用，編程語言和操作系統(tǒng)[1-2]。OPCUA是目前已經(jīng)使用的OPC工業(yè)標準的補充，提供重要的一些特性，包括如平臺獨立性、擴展性、高可靠性和連接互聯(lián)網(wǎng)的能力[3-4]。而C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮?、運行于.NETFramework之上的高級程序設(shè)計語言；相較于VB、Java等其他面向?qū)ο笳Z言，尤其是基于微軟的操作系統(tǒng)，C#提供了豐富的類庫?；谝陨蟽牲c，文章中提出了一種基于OPCUA的數(shù)控機床群遠程監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，在這個方案中綜合利用了C#、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)同步技術(shù)和相關(guān)的通信等技術(shù)，實現(xiàn)了加工過程的實時監(jiān)控、機床狀態(tài)的實時診斷以及客戶端之間的數(shù)據(jù)同步。與其他的機床監(jiān)控解決方案相比[5-7]，本文提出的方案具有以下3個優(yōu)點：一是采用了基于C#的監(jiān)控界面設(shè)計方法；這種方法具有移植性強和易于實現(xiàn)具體功能的優(yōu)點；二是采用了基于OPCUA的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在這種通信框架下，數(shù)據(jù)的通信速度不僅得到了提升，并可同時監(jiān)控的變量數(shù)量得到了大大的提升；三是采用了基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的數(shù)據(jù)同步技術(shù)，這樣可以在配置一個服務(wù)器的情況下，不同的客戶端之間的數(shù)據(jù)同步得到可靠保證。因此，系統(tǒng)的開發(fā)和研究均具有很強的探索價值和實際意義。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案分析

研究對象為5臺雙西門子SINUMERIK828D系統(tǒng)的數(shù)控機床，因此總的監(jiān)視容量為10套SINUMERIK828D系統(tǒng)。同時機床監(jiān)控系統(tǒng)要求系統(tǒng)的實時性強，因此選擇了如下方案：整個系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，采用面向?qū)ο蟮腃#軟件作為上位界面的開發(fā)軟件，采用OPCUA通信協(xié)議作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集以及數(shù)控系統(tǒng)與上位機之間的通信協(xié)議，選擇SQLServer2008作為服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫軟件，其他的客戶端通過實時訪問服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)同步。其主要的功能模塊可分為數(shù)據(jù)采集單元配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)同步通信、故障報警以及數(shù)據(jù)分析等，具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主要功能模塊組成

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的搭建

圖2為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖，整個監(jiān)控系統(tǒng)可以分為三級：現(xiàn)場設(shè)備級、服務(wù)器級和遠程客戶端級[8-9]。現(xiàn)場設(shè)備級主要包括SINUMERIK828D數(shù)控系統(tǒng)以及自身伴隨

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

的一個西門子S7-200系列CPU；服務(wù)器級主要指的是通過OPCUA協(xié)議將采集到的機床信息存入到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。在此過程中，數(shù)控系統(tǒng)作為OPCUA協(xié)議的服務(wù)器，而上位機作為客戶機，通過配置數(shù)控系統(tǒng)的MiniWebserver，設(shè)定管理員賬號、密碼和IP地址，打開4840端口，激活OPCUA服務(wù)器，即可完成數(shù)控系統(tǒng)OPCUA服務(wù)器的配置；遠程客戶端級的主要用戶有機床的生產(chǎn)廠家以及機床擁有企業(yè)的監(jiān)控管理員，可以通過使用“IP+端口”的方式實時地訪問指定的數(shù)據(jù)庫表，獲得機床的實時信息。

2 各分系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

2.1 基于C#的OPC UA數(shù)據(jù)訪問及數(shù)據(jù)訪問配置

OPCUA讀取數(shù)據(jù)的方式有3種，分別為：同步、異步和訂閱。其中，同步通訊適用于客戶程序比較小，并且數(shù)據(jù)量也小的操作；異步通訊相比于同步通訊的效率更高；而訂閱的方式當Group組內(nèi)的數(shù)據(jù)有改變的時候，會對相應的OPC客戶端定期更新數(shù)據(jù)。因此本系統(tǒng)采用了訂閱的方式以實現(xiàn)OPCUA數(shù)據(jù)訪問[10-12]。

OPCUA的接口主要有兩種：一種是自定義接口，即CUSTOM標準接口，是服務(wù)商必須提供的，主要用于C++編寫的客戶程序；而另一種是OLE自動化標準接口，主要用于C#、VB等語言所開發(fā)的應用程序。而SINUMERIK828D數(shù)控系統(tǒng)提供了OLE自動化標準接口，同時采用C#在HMI設(shè)計中較MFC更具有優(yōu)勢，因此本項目采用了OLE自動化標準接口。

系統(tǒng)針對SINUMERIK828D數(shù)控系統(tǒng)OPCUA數(shù)據(jù)訪問過程中，需要添加如下的命名空間：usingOpc.Ua和usingSiemens.OpcUA；其他的主要程序如下：

m_Server=newServer();//定義OPCUA服務(wù)器

m_Server.CertificateEvent+=newcertificateValidation(m_Server_CertificateEvent);//定義服務(wù)證書

m_Server.Connect("opc.tcp://192.168.1.20:4840","APC","123456");//連接OPCUA服務(wù)器

m_Server.Disconnect();//斷開OPCUA服務(wù)器的連接

m_Subscipition=m_Server.AddSubscription(100);//采用訂閱的方式進行數(shù)據(jù)讀取，最大的數(shù)據(jù)監(jiān)控數(shù)量為100個

m_Subscipition.AddDataMonitoredItem(newNodeId("/Channel/MachineAxis/actToolBasePos[u1,1] ", 2),Mnt_Lb1,ClientApi_ValueChanged, 100,outmonitoredItemServerHandle);//讀取刀具位置的X坐標

NodeIdCollectionnodesToWrite=newNodeIdCollection();

DataValueCollectionvalues=newDataValueCollection();

StatusCodeCollectionresults;

Variantvalue=newVariant();

value.Value=textBoxR1.Text;

nodesToWrite.Add(newNodeId("/Channel/Parameter/rpa[u1,1] ", 2));

values.Add(newDataValue(value));

m_Server.WriteValues(nodesToWrite,values,outresults);//寫R1到數(shù)控系統(tǒng)

以上程序完成了對SINUMERIK828D數(shù)控系統(tǒng)OPCUA數(shù)據(jù)訪問，在這個過程中由于SINUMERIK828D數(shù)控系統(tǒng)版本的問題，需要注意如下的不同，一是SW4.7版本支持的最大監(jiān)控變量個數(shù)為100個，而SW4.5版本支持的最大監(jiān)控變量個數(shù)為20個；二是SW4.7版本中的連接字符串中新增加了賬戶名和密碼，這些需要在數(shù)控系統(tǒng)中進行設(shè)置。

2.2 機床數(shù)據(jù)分析

機床監(jiān)控系統(tǒng)的另一個主要作用就是在獲取的機床工作數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對機床的工作效率進行分析，能夠給車間及工廠的效率管理提供可靠而簡潔的數(shù)據(jù)。因此在這個功能模塊的設(shè)計中，首先從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中獲取機床的工作信息，例如已加工零件個數(shù)、故障時間、故障頻率以及機床工作時間等，而后對這些數(shù)據(jù)進行分析，評估機床的狀態(tài)，對于機床的檢修等具有現(xiàn)實的指導意義。

如上所述，第一步是獲取服務(wù)器端通過OPCUA讀取的SINUMERIK828D數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，下面以機床的運行時間為例，通過執(zhí)行SQL查詢的方式，將已定義的各個不同的數(shù)控系統(tǒng)的運行時間存入數(shù)組中。

第二步是將讀取過來的數(shù)據(jù)以圖表的方式直觀地呈現(xiàn)給管理員或者用戶，需要添加usingSystem.Drawing命名空間，在上位畫面上添加用于輸入統(tǒng)計時間的文本框。通過執(zhí)行SQL指令，從數(shù)據(jù)庫中查找相應的數(shù)據(jù)，而后通過畫筆完成較為直觀的條形圖或者餅圖等實現(xiàn)機床數(shù)據(jù)的分析。 統(tǒng)計效果如圖3所示。

圖3 運行時間條形圖統(tǒng)計

2.3 故障報警

在任何一個系統(tǒng)中，明確而有效的故障或者消息系統(tǒng)對于系統(tǒng)的使用者和維護者都具有極強的實際意義，使得其在該系統(tǒng)的使用過程中，能夠明確地了解到該系統(tǒng)的實時信息，因此在系統(tǒng)中開發(fā)故障、消息系統(tǒng)非常必要[13-14]。在系統(tǒng)中，首先將存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的報警消息數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)進行查詢，而后采取服務(wù)器主動更新的方式，最后采用了C#的datagrid表格控件，將機床的報警信息、機床工作消息、系統(tǒng)工作消息等顯示出來；在此處應注意需要將該控件的焦點設(shè)置為最后一行數(shù)據(jù)處，以方便使用者查看消息。

2.4 數(shù)據(jù)同步

在監(jiān)控過程中，為了方便企業(yè)其他部門監(jiān)控機床和機床生產(chǎn)廠家進行遠程故障診斷，此處進行了服務(wù)器和各個客戶端之間的數(shù)據(jù)同步，主要思路如下：在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫SQLserver2008 內(nèi)的數(shù)據(jù)庫中設(shè)置事務(wù)發(fā)布，即可實現(xiàn)當服務(wù)器的數(shù)據(jù)發(fā)生更新時，服務(wù)器上的SQLserver2008主動將數(shù)據(jù)對各個客戶機上的數(shù)據(jù)庫進行更新，而后客戶機進行顯示。

其主要流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)同步流程

3 系統(tǒng)運行測試

在完成了系統(tǒng)的設(shè)計和初步調(diào)試之后，對系統(tǒng)進行了運行調(diào)試。在調(diào)試過程中，運行了6套數(shù)控系統(tǒng)(由于每臺機床均有2套數(shù)控系統(tǒng)，故實際運行了3臺機床)，在完成各個數(shù)控系統(tǒng)MiniWeb的配置后，連接服務(wù)器，機床運行，實際運行效果如圖5所示(以3#數(shù)控系統(tǒng)為例)。

圖5 3#數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié)語

設(shè)計的數(shù)控機床群監(jiān)控系統(tǒng)實質(zhì)上構(gòu)建了機械加工企業(yè)中車間機床的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)，包括SINUMERIK828D數(shù)控系統(tǒng)群、交換機、企業(yè)服務(wù)器、用戶瀏覽客戶端等，開發(fā)了客戶端監(jiān)控界面、配置了數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了如下功能：1) 基于OPCUA技術(shù)，實現(xiàn)了對數(shù)控系統(tǒng)的遠程操作和數(shù)據(jù)的采集，能夠?qū)⑿枰男畔崟r地存儲于服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中；2) 利用數(shù)據(jù)庫的事務(wù)發(fā)布功能和C#對數(shù)據(jù)庫的訪問，實現(xiàn)了服務(wù)器與各個客戶端之間的數(shù)據(jù)同步。3) 利用C#的System.Drawing命名空間，對采集到的數(shù)據(jù)進行了分析。綜上，各個功能模塊的實現(xiàn)以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，為SINUMERIK828D數(shù)控系統(tǒng)用戶提供了有效的監(jiān)控解決方案。