基于OPC技術實現WINCC與FANUC數控機床的監控系統設計??

高羅卿 莊源昌

(①常州輕工職業技術學院，江蘇常州213164；②中科院常州數控技術研究所，江蘇常州213164)

SIMATIC WINCC組態軟件是德國西門子公司的一款產品,屬于HMI/SCADA類型的軟件系統,主要用于對工業控制過程中各類設備、標簽、控制畫面等資源進行配置和編輯,并且可以方便地處理事件報警和系統報警,完成各類報表的統計生成和打印,支持多種數據通訊驅動接口,方便各類設備的實時數據采集與歸檔,在工業生產中應用極廣.

WINCC與PLC的通訊連接應用比較常見,WINCC可以通過PROFIBUS、TCP/IP等協議與西門子PLC建立通訊,與不同品牌的PLC也可以通過MODBUS協議或者OPC協議進行連接.但是WINCC與不同品牌的數控系統之間通訊,則由于廠商之間的協議不同,通常無法直接建立通訊連接.

一般現有的對數控系統的數據采集,多數都采用數控系統廠商所提供的專用數據采集軟件或者二次開發函數庫(例如FANUC的FOCAS函數庫),自行進行二次開發.有的工業場合也采用WINCC通過PLC與數控系統的PMC模塊進行I/O之間的狀態變化來交互信息.然而,這些方法都無法使WINCC與FANUC系統之間進行直接的數據通訊.

OPC技術的應用為解決這一問題打開了一條通道,可以通過高級語言VB或C#編寫OPC客戶端程序,OPC客戶端程序通過FANUC公司提供的FOCAS函數庫采集數控系統狀態信息.同時,WINCC作為OPC的服務器,可以被OPC客戶端連接,并且遵循OPC協議,讀寫服務器上的FANUC系統緩沖數據,從而實現WINCC與FANUC系統的數據通訊連接.

1 系統通訊方案

1.1 OPC標準

OPC協議是基于 Microsoft Windows技術,使用COM/DCOM(分布式組件對象模型)在軟件組件之間交換數據.OPC規范定義了客戶端和服務器、服務器和服務器之間的通訊接口,包括訪問實時數據、監控報警和事件、訪問歷史數據等應用.

OPC標準于1996年首次發布,最初的目標是將PLC特定協議(MODBUS、PROFIBUS等)抽象成標準化接口,允許HMI系統通過OPC的協議對設備進行讀與寫的操作,OPC協議標準僅限于Windows操作系統,現在廣泛應用在工業自動化、制造業、石油和天然氣、可再生能源和公共事業中.

1.2 WINCC讀取FANUC系統的通訊結構

系統主要通過WINCC后臺變量管理作為OPC的服務器,建立內部變量及變量名稱,通過本地網絡與本機上的OPC客戶端軟件通訊,OPC客戶端軟件應用FOCAS 1/2函數庫與FANUC機床通過以太網建立TCP連接,FANUC數控系統通過FOCAS接口,接受OPC客戶端的讀寫操作.如圖1所示.

2 系統設計與實現

2.1 WINCC的OPC服務器設置

OPC的服務器主要功能是提供通訊程序和數據存儲程序,通過OPC標準接口供其它軟件使用.OPC(DA 2.0)標準定義了兩個對象OPCServer和OPCGroup,OPCServer負責 OPCGroup對象的管理、OPCItem屬性查詢、連接點管理、地址空間瀏覽等.OPCGroup對象負責管理數據項(Item),包括數據項的同步/異步訪問、添加刪除、屬性查詢等.

WINCC在軟件啟動的時候默認開啟了OPC服務器功能,默認的服務器名稱為“OPCServer.WinCC.1”,在變量管理中,建立OPC服務器的變量名,指定變量的數據類型及長度,如圖2所示,建立FanucAlarmstr變量,數據類型是文本變量8位字符集,支持UTF-8中字符集,在OPC客戶端中就可以尋找到該變量名,并讀寫該變量值.

2.2 OPC客戶端設計

OPC客戶端的主要任務是創建服務器對象、建立與服務器的連接、瀏覽OPC服務器、通過OPC接口讀寫數據、斷開連接等.

OPC的客戶端接口方式有很多種,主要有:(1)OPCNetAPI接口,需用OPCNetAPI.dll,OPCNetAPI.com.dll.(2)自動化接口,需用OPCDAAuto.dll.(3)自定義接口.使用C#語言開發時,一般采用自動化接口.

本項目的OPC客戶端程序的主要功能是隨WINCC軟件開機自啟動,啟動后分別枚舉本地的WINCC服務器和使用FOCAS接口連接FANUC機床,客戶端一直嘗試連接,直到兩部分都連接成功.具體流程圖如圖3所示.

連接上WINCC服務器后,OPC客戶端會自動遍歷服務器上的Item,尋找和加載要更新的變量,然后開啟一個定時器,按照固定的周期,不斷的將FANUC的數據緩沖區數據刷新到WINCC服務器對應Item變量中,并接受服務器寫數據操作,更改緩沖區的數據.

當OPC客戶端連接上FANUC系統后,會返回正確的句柄,此時客戶端會開啟一個定時器,按照固定的周期,通過cnc_rdmacror函數批量地讀取機床的宏變量區數據,通過cnc_rdalmmsg2函數批量地讀取機床的多種報警信息,同時檢查數據緩沖區,判斷寫入FANUC系統數據區的數據有沒有改變,如果有改變,則通過cnc_wrmacro函數修改有變化的數據到FANUC系統宏變量區.通過緩沖區的數據交換和FOCAS接口,實現WINCC對FANUC機床的信息采集和數值寫入功能.

2.3 FANUC系統的連接

工業應用中與FANUC的系統連接一般有3種方式:(1)以太網方式,要求FANUC系統具備以太網功能,通過FOCAS開發軟件包開發數據采集軟件.(2)串口數據采集,在加工宏程序中加入FANUC的串口打印輸出指令將數據從串口輸出.但是輸出數據有限,操作方式、報警狀態、倍率信息等輸出比較困難.(3)PMC交互,通過IO電平狀態交互信息,只能交互簡單的點位狀態信息.

本文采用的系統是FANUC 0i-MD,系統默認支持FOCAS網絡功能,采用FANUC提供的FOCAS 1/2函數庫編寫程序就可以與機床進行網絡通訊.使用系統的FOCAS功能只需要對系統的IP地址和TCP的端口號進行配置,如圖4所示,使IP地址與OPC客戶端所在主機在同一個網段內就可以使用了.

OPC客戶端程序通過使用Focas 1/2函數庫接口函數與FANUC系統建立連接:

Focas1.cnc_allclibhndl3("192.168.0.100",8193,10,out Flibhndl)；

連接成功返回EW_OK狀態,表示與機床的網絡通訊連接成功.運行Focas 1/2函數庫需要兩個必不可少的鏈接庫 Fwlib32.dll和 fwlibe1.dll.其中Fwlib32.dll負責CNC/PMC數據讀寫接口,fwlibe1.dll負責網絡連接和TCP服務的接口.

2.4 FOCAS接口報警采集

針對FANUC 0i-MD系統,讀取系統報警主要有cnc_rdalarm2和cnc_rdalmmsg2.其中cnc_rdalarm2的返回是數控機床報警號,cnc_rdalmmsg2的函數返回是數據結構體Focas1.ODBALMMSG2,該結構體可包含多條報警信息,每條報警信息包含報警號、報警類型、哪個軸報警、中文報警詳細信息等,可以同時了解同一時期系統的報警情況.函數應用流程如圖5所示,讀取報警信息的函數體為:

Focas1.cnc_rdalmmsg2(Flibhndl,type,ref num,odbalmmsg2)；

3 WINCC與FANUC的數據連接調試

系統的任務是讀取5個系統宏變量(系統測量數據),宏變量地址為500～504,將數據顯示在WINCC的圖形顯示界面,并設置5個誤差參數變量到FANUC的系統宏變量中,宏變量的地址設定為505～509.同時采集系統的報警號和中文報警信息.

圖6是WINCC的圖形顯示狀態:左邊是讀取FANUC系統宏變量500～504區間的機床測量值,右邊是需寫入到FANUC系統的誤差范圍值,下面是FANUC系統的報警號及此時的中文報警信息.

圖7是OPC采集客戶端的運行主界面,開機自動啟動到后臺運行,并自動地枚舉WINCC的服務器,連接上后加載WINCC服務器的Item,并將需要更新的變量加載到更新列表中,列表中顯示的是WINCC與FANUC系統交互過程中的中間數據.

圖8是FANUC系統宏變量區數據及報警狀態.其中500～504的數據是OPC客戶端傳遞給WINCC服務器的測量值.區間對應的數據是WINCC界面設置,通過OPC客戶端寫入FANUC系統的,并且此時有急停報警顯示,實驗顯示OPC客戶端完成了WINCC與FANUC系統的網絡通訊,實現了信息讀取與數據寫入,滿足了現場的控制需求.

4 結語

WINCC是使用最普遍的HMI組態軟件,FANUC是高檔數控系統中使用較多的數控系統之一,利用OPC的服務器與客戶端技術,使用C#語言編寫OPC客戶端程序,調用FOCAS 1/2函數庫軟件網絡監控FANUC數控系統,可以實現WINCC軟件與FANUC機床的無縫對接,在實際工程應用過程中有很大意義,可以快速地實現FANUC機床的網絡化狀態采集與控制.