基于OPC UA的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)適配器設(shè)計(jì)與研發(fā)

黃李炳，江先志

（浙江理工大學(xué)，杭州 310018）

基于OPC UA的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)適配器設(shè)計(jì)與研發(fā)

黃李炳，江先志

（浙江理工大學(xué)，杭州 310018）

針對(duì)金屬加工行業(yè)提出了車間設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)?；贠PC統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）通訊協(xié)議，設(shè)計(jì)研發(fā)了數(shù)控機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)適配器。提出了數(shù)控機(jī)床的OPC UA信息模型，編寫了不同品牌數(shù)控系統(tǒng)API通訊程序及OPC UA服務(wù)器程序，統(tǒng)一了不同品牌數(shù)控機(jī)床間的通訊接口，簡(jiǎn)化上層管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

OPC UA；數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)適配器；信息模型

0　引言

隨著中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型和升級(jí)，以及智能制造的推廣，設(shè)備間的通訊與聯(lián)網(wǎng)成為其中重要的一環(huán)。現(xiàn)今，制造業(yè)尤其是金屬加工業(yè)所使用的設(shè)備多以數(shù)控機(jī)床為主，數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)有著重要的地位。數(shù)控機(jī)床的聯(lián)網(wǎng)影響著設(shè)備的維護(hù)、生產(chǎn)過程的監(jiān)視與控制、生產(chǎn)管理，是SCADA，MES，ERP系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)工廠的自動(dòng)化和智能化生產(chǎn)有著重要的意義。

現(xiàn)階段，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)主要有西門子、發(fā)那科、三菱和華中等，這些數(shù)控系統(tǒng)都以提供API的方式，通過以太網(wǎng)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(tǒng)一，加之通訊沒有認(rèn)證機(jī)制，安全性不足。本文設(shè)計(jì)一種數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)適配器，使用OPC UA協(xié)議與上層管理系統(tǒng)（SCADA， MES， ERP）通訊。由于OPC UA具有平臺(tái)無關(guān)性，可運(yùn)行在嵌入式、Linux和Windows等平臺(tái)上，對(duì)底層設(shè)備擴(kuò)展性強(qiáng)，可方便拓展接入各類PLC、機(jī)器人、傳感器［6］。

1　適配器架構(gòu)設(shè)計(jì)

一般金屬切削加工工廠的設(shè)備有加工設(shè)備，檢測(cè)設(shè)備，和自動(dòng)化輔助設(shè)備。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集是車間現(xiàn)場(chǎng)管理數(shù)字化的基礎(chǔ)。本文以金屬切削加工行業(yè)為基礎(chǔ)，提出車間現(xiàn)場(chǎng)管理中設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

圖1　設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

車間設(shè)備與上層管理系統(tǒng)分處不同的網(wǎng)絡(luò)，用中間件服務(wù)器連接。中間件服務(wù)器為OPC網(wǎng)關(guān)，采用雙網(wǎng)卡設(shè)計(jì)。一端根據(jù)計(jì)算機(jī)性能以及車間布置情況與100～200臺(tái)數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)適配器和其他設(shè)備相連，通過OPC Client實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)車間設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，車間設(shè)備的維護(hù)和管理，使設(shè)備隔離互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，提高設(shè)備安全性。一端處于上層管理系統(tǒng)網(wǎng)段，為SCADA、MES、ERP系統(tǒng)提供OPC Server服務(wù)，完成與車間管理和操作人員的數(shù)據(jù)交互，細(xì)化車間現(xiàn)場(chǎng)管理，滿足車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性要求。

適配器通過數(shù)控系統(tǒng)提供的API與數(shù)控機(jī)床通訊，采集數(shù)控機(jī)床信息，再通過OPC Server的DA服務(wù)，AC服務(wù)和HA服務(wù)為中間件服務(wù)器的OPC Client提供數(shù)據(jù)［1］。每臺(tái)適配器連接一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集機(jī)床數(shù)據(jù)、機(jī)床內(nèi)NC程序的上傳下載、機(jī)床刀庫內(nèi)刀具的壽命，尺寸和磨損管理、機(jī)床I/O和伺服的基本控制、機(jī)床狀態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程修改維護(hù)等功能。

圖2　數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)適配器通訊模型

2　軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于數(shù)控系統(tǒng)提供的API大多基于Windows平臺(tái)，本文的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)適配器使用Windows Server 2008操作系統(tǒng)，C#編程語言。基于OPC基金會(huì)提供的.NET Stack和SDK開發(fā)。

2.1數(shù)控機(jī)床OPC對(duì)象模型

OPC服務(wù)器可以通過OPC建模規(guī)則，由地址空間的節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間引用建立復(fù)雜的信息模型［5］。OPC客戶端通過服務(wù)器的DA服務(wù)瀏覽模型節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)。CommServer公司提供有UA Model Designer軟件，用于將OPC信息模型轉(zhuǎn)化為SDK的編程文件。

如圖2所示，本文將數(shù)控機(jī)床分為3個(gè)部分，分別是NC控制器，PLC控制器和用戶數(shù)據(jù)［7］。NC控制器主要負(fù)責(zé)NC程序的解析和運(yùn)算，伺服電機(jī)和主軸的控制；PLC控制器主要作用為用戶輸入輸出信號(hào)控制，各類寄存器、計(jì)數(shù)器和定時(shí)器控制；用戶數(shù)據(jù)主要包含了NC程序、刀具信息和用戶參數(shù)。該模型總結(jié)了西門子，發(fā)那科，三菱和華中的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，努力將模型適用于各類數(shù)控機(jī)床。

圖3　數(shù)控機(jī)床OPC信息模型

2.2應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

目前數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商大多提供各自系統(tǒng)的API接口，采集方式，加密手段，通訊協(xié)議各不相同。本文主要針對(duì)市面上常見的數(shù)控系統(tǒng)做了聯(lián)網(wǎng)適配，有西門子，發(fā)那科，三菱，華中。各家的API都有兼容不同型號(hào)和版本的數(shù)控系統(tǒng)的能力，針對(duì)同一品牌的不同型號(hào)和版本的系統(tǒng)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(gè)品牌的系統(tǒng)都繼承了CNC類，在各自的類中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互方法。使用簡(jiǎn)單工廠模式實(shí)例化不同品牌數(shù)控系統(tǒng)類，并定義了CNCColleter類包含CNC類，在CNCCollecter類中完成與數(shù)控系統(tǒng)和OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。

程序關(guān)鍵代碼如下：

// 添加節(jié)點(diǎn)管理類

m_serverInternal.SetNodeManager（masterNodeManag er）；

圖4　程序設(shè)計(jì)

3　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)研發(fā)的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)適配器致力于解決由于數(shù)控系統(tǒng)品牌不同、車間數(shù)控機(jī)床數(shù)量較多造成的數(shù)控系統(tǒng)與上層系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互困難的問題。統(tǒng)一了數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)交互接口，確保安全性，數(shù)據(jù)交換實(shí)時(shí)性，并初步建立了數(shù)控系統(tǒng)的OPC對(duì)象模型，適配了的西門子、發(fā)那科、三菱、華中四個(gè)品牌的數(shù)控系統(tǒng)。方便上層SCADA、MES、ERP管理系統(tǒng)與底層設(shè)備組網(wǎng)。結(jié)合設(shè)備數(shù)據(jù)采集和分析，對(duì)工廠產(chǎn)能的提高、產(chǎn)品良率的提升、生產(chǎn)成本的降低有指導(dǎo)意義。

除此之外，對(duì)設(shè)備而言，使設(shè)備追加功能變的容易。例如：監(jiān)控主軸和伺服電機(jī)負(fù)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(jiān)控主軸、絲桿溫度，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。這些都只需在適配器上完成即可。針對(duì)一些沒有API接口的老設(shè)備，也可使用適配器對(duì)其進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)升級(jí)改造。

對(duì)制造業(yè)而言，設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控是今后的趨勢(shì)。未來希望數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商可以共同協(xié)商設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)制造業(yè)向前發(fā)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.

［6］ 陸會(huì)明，閻志峰.OPC UA 服務(wù)器地址空間關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2010（7）：109-113.

［7］ FANUC O C.維修說明書［J］.北京：北京發(fā)那科機(jī)電有限公司.

［8］ SINUMERIK 840D_840Di_810D Shop Mill操作編程手冊(cè)［J］. 西門子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)部，2002.

［9］ 高振清，孫厚芳，宮琳.車間現(xiàn)場(chǎng)信息采集技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42（增刊）：188-191.

［10］ 蔡旺，杜道山，李從心.數(shù)控機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)床與液壓，2005（3）：59-61.

［11］ 楊家榮，徐志明，王昌富.基于OPC技術(shù)的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010，7：52-55.

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(dòng)化、設(shè)備通訊相關(guān)工作。