機床大數據采集與存儲技術研究

摘要：為實現不同廠商、不同品牌數控系統及不同通信接口的機床數據采集，研究探討一種車間數控機床規?；瘮祿杉姆椒?，通過直接與NCDDE服務器進行DDE會話建立通信的方式來獲取所需的機床系統數據。設計大數據采集工具MDA，嵌入機床，采用DDE技術與NCDDE服務器實時交互，獲取NC/PLC系統數據，采集坐標位置、移動速度、進給倍率，負載、電壓、電流、扭矩，刀具壽命、尺寸、磨損等數據。數采工具MDA和數據處理單元Gateway通信，Gateway將接收并處理采集的數據，借助數據緩存文件上傳至數據庫中進行存儲。數據處理和緩存的系統性能損耗全部轉移至數據庫服務器端。

關鍵詞：數據采集;MDA;DDE;Gateway

0? ? 引言

近年來，隨著生產車間自動化水平的不斷提升，企業對生產效率的要求也越來越高。尤其是國內互聯網大數據分析技術的蓬勃發展，迫切要求制造車間能夠提升信息化管理水平，為車間透明化生產提供助益。對于機加行業的生產管理者來說，刀具管理一直是一項非常重要的工作內容。刀具的使用與保養、刀具如何快速更換、如何減少斷刀故障、刀具成本核算等一直是企業管理者關心的重要課題，特別是對于生產昂貴產品（諸如汽車發動機、變速箱等）的制造企業，其往往高價購買進口機床，機床生產相對穩定，故障率低，使用高可靠性刀具以及減少換刀時間可帶來明顯的經濟效益。這些相關課題的深入研究都需要以從機床系統采集大量數據為基礎。

在機加生產企業的車間現場，一般都會有來自不同廠商品牌的機床，使用的數控系統也不盡相同，同品牌的數控系統也存在因產品的更新迭代造成的系統通信接口差異很大……種種因素為車間信息化之路帶來了不少阻力。

針對這一現狀，本文研究探討一種車間數控機床規?；瘮祿杉姆椒ā＝Y合課題實際情況，借助于局域網，實現計算機與車間50臺西門子840D/840D SL數據系統的通信，遠程采集數控系統的相關坐標位置、軸負載參數、刀具等信息，并實現數據的實時穩定存儲，為后續借助互聯網平臺實現大數據分析提供數據支撐。

1? ? 西門子840D/840D SL數控系統采集方式簡介

西門子840D系統是20世紀90年代推出的高性能數控系統，采用Windows XP作為操作系統，擁有比同時期一般數控系統更好的人機交互和上層應用能力。接口相對豐富，但不支持OPC UA等現在應用較廣的數據采集方式。840D SL系統則是近年來西門子主流的高性能數控系統，接口豐富，支持OPC UA等近來使用較廣泛的數據通信方式。基于本文研究實際情況，為統一數采方式，OPC UA的采集方式不做討論。目前常見的幾種采集840D/840D SL系統數據的方式如圖1所示。

（1）通過PLC方式采集。將所需的NC變量通過西門子軟件NC-Var-Selector提取，生成PLC程序可識別的*.awl的源文件，然后再通過PLC編程塊FB2編程，讀寫NC變量。

這種方式存在的問題是，如果存在大量數據在NC/PLC之間交換，容易出現通信數據堵塞的情況，對機床的運行性能產生影響。

（2）通過NCDDE方式采集。840D和840D SL控制器中包含一個叫做NCDDE的數據通信接口程序，可通過編寫動態數據交換（DDE）通信程序，實現對數控系統數據的采集。這是一種早期的Windows操作系統用戶程序間的動態數據交換技術。用戶可通過自定義的運行程序與NC系統運行的程序實現通信，交換所需的數據。

在常見的監控方式中也普遍采用的是數據采集工具直接與NCDDE服務器進行通信或通過Visual Basic控制組件DCTL控制器開發用戶程序與NCDDE服務器進行通信，來獲得數控系統NC/PLC數據。

本文即通過直接與NCDDE服務器進行DDE會話建立通信的方式來獲取所需的機床系統數據。

2? ? 數據采集內容與要求

2.1? ? 數據的實時性、準確性與穩定性

對于實時采集的數據，以1 s的采集周期采集所需數據。對于更新速率較低的數據，如刀具相關值，可采用2 min的采集周期。

采集數據應與實際值正確關聯對應，避免不同軸的數據錯位情形;采集的穩定性方面，要求日數據丟失率不高于0.1%。

2.2? ? 數據歸檔要求

對于重要的分析數據如各伺服軸和主軸功率、負載、電流，主軸溫度，刀具等，需要做歸檔處理;對于實時監控用的數據如軸的速度、坐標等值，可僅做實時呈現，不做存儲。

2.3? ? 采集的數據內容

所有伺服軸、主軸的相關數據，刀具的相關數據。具體如下：

（1）軸數據：坐標位置、移動速度、進給倍率等;

（2）驅動數據：負載、電壓、電流、扭矩等;

（3）刀具數據：刀具壽命、尺寸、磨損值等。

3? ? 數據采集架構設計

本文設計大數據采集工具MDA，嵌入機床，采用DDE技術與NCDDE服務器實時交互，獲取NC/PLC系統數據，具體采集架構如圖2所示。MDA采集數據后，發送給Gateway網關。Gateway是數據采集網關，負責將采集的數據處理后存儲至數據庫。數據庫采用Oracle數據庫。

3.1? ? DDE技術簡介

DDE是一種動態數據交換機制，它采用Windows內部通信機制，使用共享內存在程序之間交換數據，一個應用程序中的數據，可通過DDE服務器自動更新至另一個應用程序。

DDE協議采用三層識別系統：服務名（service）、主題名（topic）、項目名（item），兩個程序間DDE通信稱為“DDE會話”（即進行數據交換活動），通常提供數據源的一方稱之為服務器應用程序（服務器），獲取數據的一方稱之為客戶應用程序（客戶）。服務器應用程序應首先運行，再由客戶應用程序啟動，發起會話。如表1所示，客戶應用程序可通過三種鏈接方式進行數據交換：冷鏈接（Cold Link）、溫鏈接（Warm Link）和熱鏈接（Hot Link）。

3.2? ? 數據采集框架設計

數采工具MDA和數據處理單元Gateway的通信與設計是本課題實現的核心。

如圖3所示，數據采集及存儲主要有兩種思路：

（1）思路一：考慮MDA直接與數據庫進行通信，存儲數據，在機床設置緩存機制，確保數據庫異常的情況下，也不致引起數據丟失。但這種方式存在的問題是，數據的采集及處理全部放置在機床端，對系統資源占用率較高，會影響到系統性能，給生產帶來安全隱患。

（2）思路二：MDA僅負責數據采集和轉發，設計數據處理網關Gateway將接收并處理采集的數據，最后借助數據緩存文件上傳至數據庫中進行存儲。數據處理和緩存的系統性能損耗全部轉移至數據庫服務器端，這可通過選擇高性能的服務器解決服務器資源消耗的問題。

MDA和Gateway各自負責的內容如圖4所示。

其中Socket傳輸的報文設計按照【報文頭+數據】格式，報文頭設計有【時間戳+數據源地址+報文類型+后續長度】，這樣在報文數據解析時，時間戳來自機床，可確保數據采集時間的準確性，在部署前應啟用Windows時間同步的功能。

3.3? ? 數采工具MDA開發設計

MDA通過DDE技術訪問840D的NCDDE服務器讀取機床NC數據和PLC數據，集成Socket通信的相關組件，生成數據傳送的報文發送給Gateway。MDA采用VB編程開發，生成可執行文件，嵌入至840D系統中，并設置隨機床啟動，如圖5所示。

在實際開發時，主要考慮如下幾個因素：

（1）數據實時性。如軸的坐標、電流、負載等值，在采集時要求有較高的采集頻率，才能準確觀察生產過程中的軸數據變化規律。

（2）數據準確性。保證數據的準確性，需要確保DDE變量的路徑正確性。不同機臺和不同型號的機床，同一軸可能對應不同的變量路徑，錯誤的路徑將導致DDE出現錯誤，影響采集的效率。

（3）數據穩定性。MDA定時采集數據可通過定時器觸發，但VB自帶定時器穩定性難以保證，易造成比較嚴重的數據丟失，約在20%。因此，通過自行設計定時器，確保Timer事件能夠準確穩定觸發。

（4）報文傳輸效率。通過分開自行設計傳實數值的報文和傳刀具的報文（數據包含字符串），提高數據處理的效率：

1）數值處理。類似軸坐標數據、速度、負載、電流、扭矩、功率等實數值，在進行報文傳輸時，可乘以一定的系數轉化為整數值再進行傳輸。

2）數據壓縮。報文傳輸整數值應采用十六進制數而非轉化為字符串，可有效降低報文長度，提高數據處理的速度。

3）報文的靈活性。設置不同類型報文，傳輸不同類型的數據。采用固定長度的報文數據格式，有利于報文解析和數據擴充。

3.4? ? 數據處理Gateway網關設計開發

Gateway基于.Net平臺，采用C#開發可執行的exe文件。Gateway執行數據存儲采用緩存機制：當在數據采集服務器運行的Gateway啟動后，可與MDA建立Socket通信，發送和接收報文。Gateway解析報文，并整理數據生成可執行的SQL語句，存入數據緩存文件中。然后Gateway定時檢查并執行緩存文件中的SQL語句，將相應的數據發送至數據庫進行存儲。

采用緩存數據文件的設計機制既保證了在進行大數據采集時快速的數據處理能力，又可防止在數據庫出現異常時（數據庫滿或其他阻塞數據存儲的情形）造成數據的異常丟失。當與數據庫的通信恢復后，Gateway將自動繼續執行緩存文件中的數據條目，保證數據存儲的穩定性。

3.5? ? 數據庫設計

數據庫中設計變量存儲表，并設計數據存儲過程save_num_

in和save_str_in保存值類型數據和字符串類型數據。

Gateway處理報文后，可將數據整合成執行存儲過程的SQL語句存儲至緩存文件中，再執行緩存文件中的語句將數據存儲至數據庫，如圖6所示。

4? ? 機床刀具數據管理與采集

刀具壽命的采集主要是對刀具尺寸和壽命值的采集。西門子系統自帶有刀具管理系統，激活相應的管理功能后，在刀具使用時，刀具將按照設定好的壽命計算方式、磨損值等自動更新刀具數據。其中西門子系統刀具壽命的監控方式有三種：（1）按照加工時間監控;（2）按照使用次數監控;（3）按照磨損量進行監控。課題研究中機床按照使用次數監控。

圖7是機床刀具信息的相關畫面，數據采集時，每個刀片對應有表2中的相關參數數據，可根據需要選擇所要采集的數據。具體按照刀具名稱和刀片可獲取指定刀片的數據。

因為刀具管理存在增加、刪除刀具的情形，在設計數據庫存儲刀具信息時，充分考慮了這一情形，設置靈活的數據存儲方式，確保數據存儲的正確性，避免出現數據錯位存儲的情形。

5? ? 結語

本文基于某機加制造車間的50臺西門子840D/840D SL數據系統，設計并實現了一套大數據采集的架構，在進行數據采集的基礎上增加了可行的緩存機制，實現了大數據實時監控以及數據穩定存儲的功能，為機床刀具大數據分析和機床監控以及刀具成本核算平臺提供了重要的數據依據，也為車間信息化建設鋪平了道路。

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收稿日期：2020-08-13

作者簡介：于會龍（1979—），男，吉林長春人，工程師，研究方向：機床設計與制造。