基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)西門子數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集*

王　帥,胡　毅,何　平,安　濤,張騰飛，郭　安

(1.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京　100049；2.中國科學(xué)院 沈陽計(jì)算技術(shù)研究所高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽　110168；3.沈陽高精數(shù)控智能技術(shù)股份有限公司 總線技術(shù)部，沈陽　110168)

?

基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)西門子數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集*

王帥1,2,胡毅2,3,何平2,3,安濤1,2,張騰飛1,2，郭安1,2

(1.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京100049；2.中國科學(xué)院 沈陽計(jì)算技術(shù)研究所高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽110168；3.沈陽高精數(shù)控智能技術(shù)股份有限公司 總線技術(shù)部，沈陽110168)

文章通過對工業(yè)OPC標(biāo)準(zhǔn)和西門子數(shù)控系統(tǒng)OPC服務(wù)器的研究，介紹了OPC標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)和西門子OPC服務(wù)器的具體內(nèi)容。同時(shí)針對具體的西門子數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)與上位機(jī)的DCOM通信配置和數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，為實(shí)現(xiàn)數(shù)控車間的聯(lián)網(wǎng)管理奠定了基礎(chǔ)。

OPC技術(shù)；西門子數(shù)控系統(tǒng)；DCOM通信；數(shù)據(jù)采集

0　引言

“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的核心環(huán)節(jié)是建立數(shù)字化車間，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、智能化、信息化。在工業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)管理的發(fā)展要求中，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)控車間的聯(lián)網(wǎng)管理是推進(jìn)數(shù)字化車間發(fā)展的一個重要基礎(chǔ)[1]。

OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備與應(yīng)用程序之間的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)過程控制中的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)化，對于實(shí)現(xiàn)跨平臺的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信具有重要意義[2]。與此同時(shí)，支持OPC標(biāo)準(zhǔn)的西門子數(shù)控系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場被廣泛的使用。

本文以西門子數(shù)控系統(tǒng)為平臺，在介紹西門子與上位機(jī)之間的DCOM通信配置的基礎(chǔ)上，通過訪問西門子OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。

1　OPC技術(shù)

1.1OPC標(biāo)準(zhǔn)

OPC(OLE for Process Control)是基于微軟的OLE/COM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的用于規(guī)范硬件驅(qū)動程序與應(yīng)用軟件之間接口的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]。OPC實(shí)現(xiàn)了客戶程序?qū)τ布O(shè)備訪問的透明性、解決了應(yīng)用程序?qū)τ布逃袛?shù)據(jù)類型的依賴性，因此已經(jīng)廣泛的被各種數(shù)控系統(tǒng)所支持。目前通用的標(biāo)準(zhǔn)主要有：數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)(Data Access)、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(OPC Data Exchange)、事件和報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)(Alarm & Event)、歷史數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)(Historical Data Access)、安全性標(biāo)準(zhǔn)(Security)、過程數(shù)據(jù)的XML標(biāo)準(zhǔn)(OPC XML-DA)[4]。

1.2OPC服務(wù)器

OPC服務(wù)器是由硬件供應(yīng)商提供的用于提供OPC標(biāo)準(zhǔn)化接口和過程數(shù)據(jù)的專用軟件，由服務(wù)器對象(OPC Server)、組對象(OPC Group)、數(shù)據(jù)項(xiàng)對象(OPC Item)三部分組成。

OPC服務(wù)器對象負(fù)責(zé)維護(hù)服務(wù)器內(nèi)部的狀態(tài)信息、提供OPC客戶程序與服務(wù)器通信的訪問接口，并作為OPC組對象的容器向OPC客戶程序提供創(chuàng)建和管理組對象的接口。OPC組對象負(fù)責(zé)管理OPC組對象的內(nèi)部信息、創(chuàng)建和管理OPC項(xiàng)對象并提供OPC服務(wù)器內(nèi)部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存取服務(wù)。OPC項(xiàng)對象用于描述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，代表了服務(wù)器到數(shù)據(jù)源的一個物理連接[5-6]。

OPC服務(wù)器中各個部分具有如圖1所示的組織方式。每個OPC服務(wù)器中包含一個OPC服務(wù)器對象，一個OPC服務(wù)器對象包含一個OPC組集合來維護(hù)管理多個OPC組對象，每個OPC組對象包含一個OPC項(xiàng)集合來管理多個OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)對象。此外，OPC服務(wù)器還維護(hù)一個可選的用于瀏覽OPC服務(wù)器名稱空間的OPC瀏覽器對象。

圖1　OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)組織方式

1.3OPC服務(wù)器接口

OPC客戶端的開發(fā)過程實(shí)際上就是對服務(wù)器接口的聲明和調(diào)用。如圖2所示，OPC服務(wù)器支持兩種類型的接口：客戶化接口(Custom Interface)和自動化接口(Automation Interface)。自動化接口封裝COM的底層實(shí)現(xiàn)，提供自動配置和存取過程控制數(shù)據(jù)的方法，使開發(fā)者可以輕松的獲取數(shù)據(jù)。客戶化接口通過對OPC組對象進(jìn)行操作來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問，可用于實(shí)現(xiàn)最佳性能的OPC客戶程序[7]。

圖2　OPC接口示意圖

1.4OPC通信方式

OPC客戶程序與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信方式有同步通信、異步通信以及訂閱三種方式[8-9]。

采用同步通信方式，OPC服務(wù)器將客戶端請求的數(shù)據(jù)訪問結(jié)果作為方法參數(shù)返回給客戶程序，在接收到訪問結(jié)果之前客戶端一直處于等待狀態(tài)。

采用異步通信方式，OPC服務(wù)器在接收到客戶請求后立即將方法返回，OPC客戶端隨后可以進(jìn)行其他操作。當(dāng)OPC服務(wù)器處理完數(shù)據(jù)訪問后，處理OPC客戶程序的異步訪問完成事件會將訪問結(jié)果返回給OPC客戶端。

采用數(shù)據(jù)訂閱方式，OPC客戶程序并不需要向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)訪問請求，服務(wù)器會按一定的更新周期更新OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)緩沖器中的數(shù)據(jù)，在發(fā)現(xiàn)數(shù)值發(fā)生變化時(shí)就以數(shù)據(jù)變化事件通知OPC應(yīng)用程序。

2　OPC通信配置

使用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)西門子數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)OPC客戶程序與西門子OPC服務(wù)器的通訊連接[10]。在建立通訊連接的過程中，對西門子數(shù)控系統(tǒng)和PC客戶機(jī)進(jìn)行OPC通信的DCOM配置是其中的一個難點(diǎn)問題，因此本節(jié)將分別介紹在PC客戶機(jī)和西門子服務(wù)器上進(jìn)行DCOM配置的過程。

2.1PC客戶端的DCOM配置

①在PC上創(chuàng)建與西門子數(shù)控系統(tǒng)相同的賬戶，此賬戶隸屬于Users組；

②啟用Guest用戶，將Guest用戶從本地安全策略中的“拒絕從網(wǎng)絡(luò)訪問這臺計(jì)算機(jī)”中去掉；

③勾選文件夾選項(xiàng)中的“使用簡單文件共享(推薦)”；

④在組件服務(wù)中，設(shè)置計(jì)算機(jī)屬性為啟用分布式COM、默認(rèn)協(xié)議為面向連接的TCP/IP；同時(shí)在COM安全中設(shè)置訪問權(quán)限為允許Administrator用戶、ANONYMOUS LOGON用戶、Everyone用戶的所有權(quán)限，設(shè)置COM安全的啟動和激活權(quán)限為允許Everyone用戶、Administrator用戶的所有權(quán)限；

⑤設(shè)置組件服務(wù)中的OpcEnum對象的屬性為在此計(jì)算機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用程序、選用交互式用戶，安全選項(xiàng)卡中的權(quán)限全部設(shè)置為允許所有用戶的所有權(quán)限。

2.2西門子服務(wù)器的DCOM配置

①啟用Guest用戶并添加到Administrators組，從本地安全策略的“拒絕從網(wǎng)絡(luò)訪問這臺計(jì)算機(jī)”中去掉Guest用戶；

②修改本地安全策略中的“網(wǎng)絡(luò)訪問：本地賬戶的共享和安全模式”為“經(jīng)典-本地用戶以自己的身份驗(yàn)證”；

③按照客戶端中組件服務(wù)的修改方案對服務(wù)器中的組件服務(wù)進(jìn)行配置；

④對于服務(wù)器中的OpcEnum對象，除了將身份驗(yàn)證級別改為“連接”以外，其余的配置與客戶端一致；

⑤對于OPC.SINUMERIK.Machineswitch項(xiàng)，勾選“在數(shù)據(jù)所在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用程序”和“在此計(jì)算機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用程序”，安全選項(xiàng)卡中的權(quán)限全部設(shè)置為允許所有用戶的所有權(quán)限，標(biāo)識選項(xiàng)卡中設(shè)置為交互式用戶。

至此，西門子數(shù)控系統(tǒng)就可以與PC客戶程序進(jìn)行OPC通信連接和數(shù)據(jù)交換了。

3　數(shù)據(jù)采集客戶端的實(shí)現(xiàn)

3.1采集模塊功能

實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集是進(jìn)行車間機(jī)床聯(lián)網(wǎng)管理的重要基礎(chǔ)，可以為車間管理系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)床實(shí)時(shí)加工狀態(tài)、分析機(jī)床加工效率、查看和統(tǒng)計(jì)歷史作業(yè)信息提供依據(jù)。

在數(shù)據(jù)采集模塊中，需要完成對西門子數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行模式、運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間、當(dāng)前加工程序、軸編程值、軸剩余值等信息的采集，并將采集結(jié)果傳輸給車間管理系統(tǒng)。

3.2OPC數(shù)據(jù)采集流程

如圖3所示，OPC客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的流程主要包括COM環(huán)境初始化、連接OPC服務(wù)器、創(chuàng)建OPC組和數(shù)據(jù)項(xiàng)、讀取OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)等[11-12]。

①COM環(huán)境初始化

OPC標(biāo)準(zhǔn)是基于OLE/COM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，因此在使用OPC相關(guān)接口時(shí)必須首先使用Colnitialize方法對COM庫進(jìn)行初始化。

②連接OPC服務(wù)器

OPC客戶程序連接到OPC服務(wù)器是保證數(shù)據(jù)訪問機(jī)制實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。OPC客戶程序通過連接OPC服務(wù)器獲取服務(wù)器句柄，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建OPC組和OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)、讀取OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)等功能，實(shí)現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

③創(chuàng)建OPC組

OPC客戶程序?qū)PC數(shù)據(jù)項(xiàng)的操作必須通過OPC組對象提供的接口實(shí)現(xiàn)，因此在添加OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)之前必須添加一個OPC組。

④添加OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)并讀取數(shù)據(jù)

OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)中存儲了數(shù)控系統(tǒng)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)，將相關(guān)的OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)對象添加到OPC組中，就可以通過OPC組對象訪問讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

圖3　OPC客戶端數(shù)據(jù)采集流程圖

3.3數(shù)據(jù)項(xiàng)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系

機(jī)床加工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)保存在不同的OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)中，確定OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)與相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系是保證數(shù)據(jù)采集模塊正確運(yùn)行的前提條件[13]，表1中列出了部分OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)與不同實(shí)時(shí)狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系：

表1　OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系

3.4數(shù)據(jù)采集結(jié)果

本文在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)上進(jìn)行了OPC數(shù)據(jù)采集模塊的測試和驗(yàn)證。

在某一時(shí)刻OPC數(shù)據(jù)采集模塊得到如圖4所示的運(yùn)行結(jié)果，通過與當(dāng)前時(shí)刻西門子數(shù)控系統(tǒng)顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(如圖5所示)進(jìn)行比較，可以確定采集模塊獲取到的軸編程值、當(dāng)前加工程序、機(jī)器運(yùn)行時(shí)間等數(shù)據(jù)都是正確的。同時(shí)，通過調(diào)整數(shù)控機(jī)床上的F修調(diào)值和S修調(diào)值按鈕，發(fā)現(xiàn)采集到的修調(diào)值也會隨之改變。

圖4　數(shù)據(jù)采集模塊采集結(jié)果

圖5　西門子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

4　結(jié)束語

通過OPC數(shù)據(jù)訪問接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了客戶程序與硬件設(shè)備的分離，簡化了數(shù)據(jù)采集流程。同時(shí)，快速高效的OPC采集方法保證了數(shù)據(jù)的正確性和有效性，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間管理奠定了基礎(chǔ)[14]。本文在研究分析OPC技術(shù)和西門子OPC服務(wù)器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對西門子數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，對實(shí)現(xiàn)車間管理系統(tǒng)具有重要的作用。

[1] 劉濤.智能制造技術(shù)在工控自動化領(lǐng)域的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2015(1):47-48.

[2] 韓洋.OPC接口技術(shù)在工業(yè)自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].硅谷,2015(4):93-93.

[3] 楊傳穎,李赫.OPC技術(shù)發(fā)展綜述[J].儀器儀表用戶,2012(4):6-8.

[4] 李博,鄭偉麗.基于C#的OPC自動化接口異步訪問技術(shù)[J].信息技術(shù),2014(8):140-146.

[5] 杜柳青.基于OPC數(shù)據(jù)的數(shù)控機(jī)床精度狀態(tài)實(shí)時(shí)測評方法[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2014(6):46-50.

[6] 程福友,朱泓睿.基于OPC技術(shù)和SCADA平臺的能源管理系統(tǒng)[J].自動化博覽,2014(8):50-52.

[7] 黃娟.基于C#的OPC數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013(11):14-15.

[8] 楊鵬,黃文江,李川陽.基于OPC協(xié)議的EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].新疆鋼鐵,2014(1):14-17.

[9] 周俊,王德權(quán),王可心.MES在變速箱生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2014(6):147-148.

[10] 姜政華,朱明清,張遷禮.OPC通信中的DCOM配置及問題處理[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2010(6):53-55.

[11] 張建平,馬芳,馬利.基于OPC技術(shù)的工業(yè)現(xiàn)場異構(gòu)系統(tǒng)集成軟件的開發(fā)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014(18):76-77.

[12] 戚寶運(yùn),許自力,毛勤儉.數(shù)字化車間MES系統(tǒng)構(gòu)建[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2013(1):25-29.

[13]王雪寒,輦玉玉,姚翠紅.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)在生產(chǎn)制造執(zhí)行中的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013(2):18-19.

[14]夏志,張潔,張功.數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集嵌入式適配器設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2012(5):57-61.

(編輯趙蓉)

The Realization of Data Acquisition about Siemens CNC System Based on OPC Technology

WANG Shuai1,2，HU Yi2,3，HE Ping2,3，AN Tao1,2，ZHANG Teng-fei1,2，GUO An1,2

(1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;2. National Engineering Research Center For High-End CNC, Shenyang Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110168,China)

Through the research on the industry standard OPC and the OPC server of Siemens numerical control systems, the paper introduces the related technology about OPC and the specific content of Siemens OPC server. At the same time, for a specific Siemens CNC system,the author achieves the configuration of DCOM communication between CNC system and host computer and the real-time data acquisition of CNC system, laid the foundation for the realization of the network management of NC workshop.

OPC technology;siemens CNC system;DCOM communication;data acquisition

1001-2265(2016)04-0069-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.019

2015-06-03；

2015-07-07

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(xiàng)、數(shù)控機(jī)床精度保持性技術(shù)研究(2014ZX04014021)

王帥(1990—)，男，山東青島人，中國科學(xué)院大學(xué)、中科院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)，(E-mail)sdwsh@mail.ustc.edu..cn。

TH166;TG506

A