異構(gòu)設(shè)備互聯(lián)采集技術(shù)分析

劉錚 劉培元 賈大偉

智能化制造系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的功能，改變了傳統(tǒng)的 DNC 系統(tǒng)對設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸與管理的方式，將信息作為節(jié)點(diǎn)納入到企業(yè)信息化管理中，形成數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地予以傳輸、分析和存儲(chǔ)，幫助管理層、執(zhí)行層進(jìn)行信息的交流和協(xié)作。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用，幫助智能制造系統(tǒng)提升設(shè)備利用率，最大限度地壓縮輔助工時(shí)等，對傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備予以集成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)字化、信息化、智能化。

一、異構(gòu)設(shè)備

異構(gòu)設(shè)備是指多個(gè)不同種類設(shè)備的集合，具備設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通訊能力，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳遞，每個(gè)設(shè)備在加入異構(gòu)設(shè)備集合之前本身就已經(jīng)存在，且彼此之間存在著差異性。異構(gòu)設(shè)備的各個(gè)組成部分具有各自的通訊手段，無法通過單一方式集成所有設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的同時(shí)，每個(gè)設(shè)備仍保有自己的應(yīng)用特性、完整性控制和安全性控制，異構(gòu)設(shè)備特點(diǎn)如下：

（一）設(shè)備多樣性

設(shè)備多樣性主要體現(xiàn)在提供制造設(shè)備的廠家及設(shè)備所應(yīng)用的領(lǐng)域多樣性。

廠家的多樣性是指所購買的設(shè)備來自不同時(shí)期，不同廠家多提供的設(shè)備，不同廠家設(shè)備其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，所選擇的控制器、傳感器等元器件各不相同，這會(huì)對后期數(shù)據(jù)采集增加難度。

應(yīng)用領(lǐng)域多樣性是指設(shè)備所加工制造的對象不同，所采用的控制器、控制單元也各不相同，這使得后期數(shù)據(jù)采集時(shí)所采集的內(nèi)容各有不同。

（二）結(jié)構(gòu)復(fù)雜性

結(jié)構(gòu)復(fù)雜性是指設(shè)備控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，如大型設(shè)備需要通過多個(gè)控制系統(tǒng)及控制器聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，還有就是多個(gè)設(shè)備協(xié)同工作，例如生產(chǎn)線設(shè)備等，這無疑對數(shù)據(jù)采集增加難度。

（三）接口復(fù)雜性

接口復(fù)雜性是指根據(jù)設(shè)備通訊能力采取的聯(lián)網(wǎng)手段，例如RS232、RS485、TCP/IP、網(wǎng)卡等接口，有的需要接入I/O端口、外接儀表等，同樣給數(shù)據(jù)采集增加了難度。

（四）協(xié)議多樣性

協(xié)議多樣性是指數(shù)據(jù)采集時(shí)與設(shè)備端的通訊協(xié)議，按照控制器廠家大類分為幾十種通訊協(xié)議，例如Modbus、AB、GE、Honeywell、Omron、OPC、Siemens等，其中每一種協(xié)議按照協(xié)議類型進(jìn)行小類區(qū)分，例如Siemens協(xié)議按照協(xié)議類型小類分為Siemens S5（3946R）、Siemens S5（AS511）、Siemens S7 MPI、Siemens S7-200、Siemens TCP/IP Ethernet、Siemens TCP/IP Slave Ethernet，類似這樣的協(xié)議種類近400種之多，這同樣對數(shù)據(jù)采集增了難度。

二、數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集（DAQ），是指從控制器、傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動(dòng)采集非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺(tái)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集主要包括PLC數(shù)據(jù)采集、傳感器數(shù)據(jù)采集、上位機(jī)等方式。

（一）PLC采集

PLC采集是指通過協(xié)議類采集軟件與PLC進(jìn)行協(xié)議通訊，采集PLC中變量地址的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集中可以說是較為常見的方式，借助協(xié)議類采集可簡化編程開發(fā)過程，利用PLC專用通訊協(xié)議，可直接獲取地址數(shù)據(jù)，常用的協(xié)議類軟件如Kepware軟件，Kepware支持大量的通信協(xié)議和接口，提供300多個(gè)的開放式通信標(biāo)準(zhǔn)和自動(dòng)化設(shè)備協(xié)議。

PLC采集的優(yōu)勢如下：

數(shù)據(jù)完整，數(shù)據(jù)內(nèi)容在PLC中定義完整，不需要額外增加數(shù)據(jù)采集對象如傳感器；

獲取方便，通過該P(yáng)LC的通訊協(xié)議就能夠獲得程序塊地址，從而得到需要數(shù)據(jù)；

維護(hù)容易，前端只需通過采集工具按照設(shè)定頻率采集即可。

（二）傳感器采集

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源四部分組成，敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關(guān)系的物理量信號(hào)，轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，變換電路負(fù)責(zé)對轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)制，轉(zhuǎn)換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。

傳感器的數(shù)據(jù)采集可以通過采集器、采集卡、以及單片機(jī)進(jìn)行采集：

1. 采集器

采集器是指傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)備，具有以太網(wǎng)、USB等接口，可實(shí)現(xiàn)離線脫機(jī)數(shù)據(jù)采集，通過I/O口連接傳感器設(shè)備。

2. 采集卡

采集卡指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理。采集卡可以通過USB、PXI、PCI、PCI Express、火線（IEEE1394）、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個(gè)人計(jì)算機(jī)。

3. 單片機(jī)

單片機(jī)（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種 I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。

（三）上位機(jī)采集

上位機(jī)是指可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC/host computer/master computer/upper computer，屏幕上顯示各種信號(hào)變化（液壓，水位，溫度等）。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)single chip microcomputer/slave computer/lower computer之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)。

在上位機(jī)上一般安裝有各類現(xiàn)場控制及數(shù)據(jù)顯示軟件，例如組態(tài)軟件等，這些軟件能夠根據(jù)需要定制各類顯示操作界面，同時(shí)便于顯示下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集方面可以利用組態(tài)軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。上位機(jī)數(shù)據(jù)采集方式包括OPC、Webservice、ODBC等方式。

三、應(yīng)用研究

選取異構(gòu)設(shè)備包括（PLC設(shè)備、數(shù)控機(jī)床設(shè)備以及上位機(jī)設(shè)備作為研究對象，驗(yàn)證異構(gòu)設(shè)備的互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)采集技術(shù)。

（一）PLC設(shè)備數(shù)據(jù)采集

1. 接口能力分析

該設(shè)備由2臺(tái)西門子1214C PLC為控制器，查看兩臺(tái)PLC設(shè)備接口發(fā)現(xiàn)每臺(tái)設(shè)備上只有1個(gè)網(wǎng)口而且被占用，485通訊卡占用，兩個(gè)PLC通訊端口都被占用，但機(jī)柜中安裝有交換機(jī)，交換機(jī)上有空閑的以太網(wǎng)口，兩臺(tái)PLC的以太網(wǎng)通過交換機(jī)進(jìn)行互聯(lián)。

Siemens 1214C型號(hào)模塊采用S7-1200CPU，緊湊型高性能CPU，帶有24點(diǎn)集成輸入/輸出，Siemens 1214C型號(hào)模塊擴(kuò)展項(xiàng)包括1個(gè)信號(hào)版（SB）、8信號(hào)模板（SM）、3個(gè)通訊模塊（CM）。

結(jié)合設(shè)備實(shí)際情況，不改變原設(shè)備通訊接口的前提下，使用交換機(jī)上的以太網(wǎng)口，使用協(xié)議類采集軟件與PLC進(jìn)行協(xié)議通訊，采集PLC中變量地址的數(shù)據(jù)。針對該設(shè)備的1214C型號(hào) PLC，采用Siemens TCP/IP Ethernet作為通訊接口。

2. 協(xié)議軟件采集

協(xié)議類采集軟件選擇使用Kepware進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，Kepware是行業(yè)領(lǐng)先的連接平臺(tái)，提供OPC服務(wù)器及工業(yè)互連通訊能力，嵌入了工業(yè)市場上超過100多種通訊協(xié)議，支持?jǐn)?shù)千種以上設(shè)備型號(hào)的驅(qū)動(dòng)程序。

Kepware軟件中的Siemens TCP/IP Ethernet 驅(qū)動(dòng)，提供將 Siemens TCP/IP Ethernet 設(shè)備連接到 OPC 客戶端應(yīng)用程序的可靠方式；其中包括 HMI、SCADA、Historian、MES、ERP 和無數(shù)自定義應(yīng)用程序。適用于Siemens S7-200、300、400 和 1200 PLC。存在兩個(gè)通信選項(xiàng)：

工業(yè)以太網(wǎng) TCP/IP 接口通信處理器 （CP）。使用的協(xié)議為基于 TCP/IP 的工業(yè)以太網(wǎng) S7 報(bào)文通信協(xié)議 （ISO 8073 ），符合 RFC1006 中的規(guī)定。

Hilscher 的 NetLink 適配器。僅需要一個(gè) MPI 端口。NetLink 適配器不支持 S7-200 模型。

Siemens TCP/IP Ethernet 驅(qū)動(dòng)程序不需要特殊的庫或硬件。所需的僅是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡。采集方式如下：

第一步：獲取PLC IP地址，通過編程工具掃描到設(shè)備PLC IP地址，這樣就具備了以太網(wǎng)連接的首要條件。

第二步：獲取采集地址，通過編程工具上載PLC程序，根據(jù)程序內(nèi)容以及注釋信息得到采集地址。

第三步：連接Kepware，設(shè)置上位機(jī)/服務(wù)器IP地址，使得上位機(jī)與設(shè)備的PLC在同一網(wǎng)段內(nèi)。

第四步：使用Siemens TCP/IP Ethernet驅(qū)動(dòng)，在Kepware軟件設(shè)置Siemens TCP/IP Ethernet驅(qū)動(dòng)。

第五步：設(shè)定采集點(diǎn)，在Kepware中增加采集點(diǎn)。

第六步：啟動(dòng)Quick Client進(jìn)行測試通訊。

通過與該設(shè)備的連接通訊，驗(yàn)證了以協(xié)議類軟件對PLC設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的能力，同樣方式能夠與其它PLC設(shè)備進(jìn)行通訊采集。

（二）數(shù)控機(jī)床設(shè)備數(shù)據(jù)采集

1. 接口能力分析

該設(shè)備采用FANUC 31i-B5 PLC，具備以太網(wǎng)口-1空閑，具備232口-2空閑，貝加萊X20 DP遠(yuǎn)程模塊。

FANUC 31i-B5 系統(tǒng)對復(fù)雜形狀的工件可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度、高質(zhì)量的加工，適合高性能的5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，同時(shí)FANUC 31i-B5 系統(tǒng)提供多種網(wǎng)絡(luò)功能，支持以太網(wǎng)，通過以太網(wǎng)可以與PC、機(jī)器人等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以構(gòu)建高級(jí)管理系統(tǒng)，支持各種現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，考慮設(shè)備通訊能力及傳輸距離問題，設(shè)計(jì)采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，并使用協(xié)議類軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2. 協(xié)議軟件采集

協(xié)議類采集軟件選擇使用Kepware進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，方式同PLC設(shè)備數(shù)據(jù)采集，Kepware軟件提供Fanuc Focas以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)器，為Fanuc Focas以太網(wǎng)控制器連接到OPC客戶端應(yīng)用程序（包括HMI，SCADA，Historian，MES，ERP和定制應(yīng)用程序）提供了可靠的方法。 該驅(qū)動(dòng)程序適用于Fanuc Focas可編程邏輯控制器（PLC）。

Fanuc Focas Ethernet驅(qū)動(dòng)程序同樣也 不需要特殊的庫或硬件，所需的也僅是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡。采集方式如下：

第一步：獲取PLC IP地址，通過設(shè)備觸摸屏系統(tǒng)查詢到PLC IP地址。

第二步：獲取變量地址，通過窗口模式PMC讀取NC數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)賦值給指定地址。

第三步：連接Kepware，設(shè)置上位機(jī)/服務(wù)器IP地址，使得上位機(jī)與設(shè)備的PLC在同一網(wǎng)段內(nèi)。

第四步：使用Fanuc Focas Ethernet驅(qū)動(dòng)，在Kepware軟件中設(shè)置Fanuc Focas Ethernet驅(qū)動(dòng)。

第五步：通過讀取信號(hào)點(diǎn)的模式讀取變量地址，在Kepware中增加采集點(diǎn)。

第六步：啟動(dòng)Quick Client進(jìn)行測試通訊。

（三）上位機(jī)設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)采集

以上位機(jī)設(shè)備為研究對象，設(shè)備控制柜及上位機(jī)工作畫面如下：

1. 接口能力分析

該設(shè)備采用西門子 PLC 4i1H冗余系統(tǒng)，監(jiān)控電腦安裝1613卡，集成網(wǎng)卡安裝Wincc V7.0。

SIMATIC WinCC（Windows Control Center）視窗控制中心，它是一個(gè)32位技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。

WinCC提供了所有最重要的通訊通道， 用于連接到SIMATIC S5/S7/505控制器（例如通過S7協(xié)議集）的通訊，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）和OPC（用于過程控制的OLE），等非專用通道；

結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用OPC方式進(jìn)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集。

2. 協(xié)議軟件采集

OPC協(xié)議類采集軟件選擇使用Kepware進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，OPC DA客戶端驅(qū)動(dòng)程序提供了將OPC DA客戶端設(shè)備連接到OPC客戶端應(yīng)用程序（包括HMI，SCADA，Historian，MES，ERP和無數(shù)的定制應(yīng)用程序）的可靠方法。 它可用于整合來自多個(gè)OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并通過所有支持的接口（如OPC DA，OPC DX，DDE，SuiteLink，NIO / PDB等）提供給服務(wù)器客戶端。

當(dāng)在計(jì)算機(jī)上安裝 WinCC時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)添加OPC組件如下：

（1） OPC服務(wù)器 ；

（2） OPC 通訊驅(qū)動(dòng)程序 ；

（3） OPC條目管理器。

WinCC OPC服務(wù)器是1個(gè)DCOM應(yīng)用程序，通過dcomcnfg.exe程序可以為其設(shè)置DCOM組態(tài)。創(chuàng)建方法如下：

第一步：單擊“開始”，“運(yùn)行”，輸入程序名dcomcnfg.exe，啟動(dòng)該程序，在“Applications”頁選擇“OPCServer.WinCC”條目，設(shè)置屬性，在“安全”標(biāo)簽中選擇“使用自定義訪問”許可權(quán)選項(xiàng)鈕；在“標(biāo)識(shí)”標(biāo)簽中選擇“交互式用戶”選項(xiàng)，完成 DCOM 組態(tài)。

第二步：創(chuàng)建 W i n C C項(xiàng)目，雙擊打開桌面的SIMATIC WinCC Explorer圖標(biāo)，點(diǎn)擊新建按鈕，創(chuàng)建一個(gè)單用戶項(xiàng)目。右鍵選擇變量管理，選擇添加新的驅(qū)動(dòng)程序。彈出添加新的驅(qū)動(dòng)程序?qū)υ捒蚝螅x擇OPC. chn。右鍵點(diǎn)擊新建的OPC驅(qū)動(dòng)，選擇系統(tǒng)參數(shù)。點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)，輸入添加的用戶名，找到要其計(jì)算機(jī)后，點(diǎn)擊OPCServer.WinCC，選擇瀏覽服務(wù)器，添加客戶機(jī)上的變量，新建畫面，添加一個(gè)IO域，連接客戶機(jī)的變量，激活項(xiàng)目進(jìn)行測試。

第三步：連接Kepware，設(shè)置上位機(jī)/服務(wù)器IP地址，使得上位機(jī)與設(shè)備的PLC在同一網(wǎng)段內(nèi)。

第四步：OPC DA客戶端驅(qū)動(dòng)程序，在Kepware軟件中設(shè)置OPC驅(qū)動(dòng)。

第五步：啟動(dòng)Quick Client進(jìn)行測試通訊。

通過對以上三類設(shè)備的數(shù)據(jù)采集方法研究，以及現(xiàn)場設(shè)備復(fù)雜情況的分析，設(shè)計(jì)應(yīng)對異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集方案，便于在不同復(fù)雜設(shè)備上選擇合適的數(shù)據(jù)采集方案，以提升數(shù)據(jù)采集通訊能力。

四、研究意義

（一）技術(shù)創(chuàng)新性

異構(gòu)設(shè)備互聯(lián)技術(shù)創(chuàng)新性在于設(shè)備聯(lián)網(wǎng)完全采用工業(yè)以太網(wǎng)模式，通過多種手段對設(shè)備進(jìn)行接口能力改造，摒棄了傳統(tǒng)232、485等串口通訊模式，不受距離及連接設(shè)備數(shù)量的限制，避免現(xiàn)場大量的終端設(shè)備，在節(jié)約成本的同時(shí)使得后期維護(hù)及設(shè)備擴(kuò)充更加簡單容易，該創(chuàng)新技術(shù)具備復(fù)制性及移植性，能夠被其它公司單位所參照，具備參考以及示范能力。

（二）技術(shù)先進(jìn)性

通過對異構(gòu)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)采集技術(shù)研究，使得該設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠涵蓋機(jī)械裝備制造領(lǐng)域大部分加工設(shè)備，包括數(shù)控機(jī)床（發(fā)那科、西門子等數(shù)控設(shè)備），PLC設(shè)備（特種設(shè)備、改造設(shè)備）、國產(chǎn)以及進(jìn)口設(shè)備等，能夠滿足國家重大專項(xiàng)及工業(yè)裝備制造能力建設(shè)需求等。