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)實現(xiàn)了實時的功能,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)點納入到企業(yè)信息化管理中,形成數(shù)據(jù)信息系統(tǒng),準確、實時地予以傳輸、分析和存儲,幫助管理層、執(zhí)行層進行信息的交流和協(xié)作。通過實時數(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等,對傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備予以集成,實現(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,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳遞,每個設(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,在實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的同時,每個設(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)備需要通過多個控制系統(tǒng)及控制器聯(lián)合驅(qū)動,還有就是多個設(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)字被測單元中自動采集非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析,處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(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多個的開放式通信標準和自動化設(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PLC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,轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉(zhuǎn)換為電信號,變換電路負責對轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進行放大調(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、以及單片機進行采集:
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,可實現(xiàn)離線脫機數(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)字被測單元中自動采非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析、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)等總線接入個人計算機。
3. 單片機
單片機(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、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種 I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動電路、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)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng),在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀80年代,由當時的4位、8位單片機,發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機。
(三)上位機采集
上位機是指可以直接發(fā)出操控命令的計算機,一般是PC/host computer/master computer/upper computer,屏幕上顯示各種信號變化(液壓,水位,溫度等)。下位機是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計算機,一般是PLC/單片機single chip microcomputer/slave computer/lower computer之類的。上位機發(fā)出的命令首先給下位機,下位機再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時序信號直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機不時讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)(一般為模擬量),轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給上位機。
在上位機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,同時便于顯示下位機上傳的數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)采集方面可以利用組態(tài)軟件接口進行數(shù)據(jù)采集。上位機數(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)控機床設(shè)備以及上位機設(shè)備作為研究對象,驗證異構(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臺西門子1214C PLC為控制器,查看兩臺PLC設(shè)備接口發(fā)現(xiàn)每臺設(shè)備上只有1個網(wǎng)口而且被占用,485通訊卡占用,兩個PLC通訊端口都被占用,但機柜中安裝有交換機,交換機上有空閑的以太網(wǎng)口,兩臺PLC的以太網(wǎng)通過交換機進行互聯(lián)。
Siemens 1214C型號模塊采用S7-1200CPU,緊湊型高性能CPU,帶有24點集成輸入/輸出,Siemens 1214C型號模塊擴展項包括1個信號版(SB)、8信號模板(SM)、3個通訊模塊(CM)。
結(jié)合設(shè)備實際情況,不改變原設(shè)備通訊接口的前提下,使用交換機上的以太網(wǎng)口,使用協(xié)議類采集軟件與PLC進行協(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 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進行數(shù)據(jù)采集,Kepware是行業(yè)領(lǐng)先的連接平臺,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,支持數(shù)千種以上設(shè)備型號的驅(qū)動程序。
Kepware軟件中的Siemens TCP/IP Ethernet 驅(qū)動,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。存在兩個通信選項:
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 MPI 端口。NetLink 適配器不支持 S7-200 模型。
Siemens TCP/IP Ethernet 驅(qū)動程序不需要特殊的庫或硬件。所需的僅是標準以太網(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/服務(wù)器IP地址,使得上位機與設(shè)備的PLC在同一網(wǎng)段內(nèi)。
第四步:使用Siemens TCP/IP Ethernet驅(qū)動,在Kepware軟件設(shè)置Siemens TCP/IP Ethernet驅(qū)動。
第五步:設(shè)定采集點,在Kepware中增加采集點。
第六步:啟動Quick Client進行測試通訊。
通過與該設(shè)備的連接通訊,驗證了以協(xié)議類軟件對PLC設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集的能力,同樣方式能夠與其它PLC設(shè)備進行通訊采集。
(二)數(shù)控機床設(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遠程模塊。
FANUC 31i-B5 系統(tǒng)對復(fù)雜形狀的工件可以實現(xiàn)高速、高精度、高質(zhì)量的加工,適合高性能的5軸聯(lián)動機床,同時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、機器人等進行數(shù)據(jù)交換,可以構(gòu)建高級管理系統(tǒng),支持各種現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。
結(jié)合設(shè)備特點,考慮設(shè)備通訊能力及傳輸距離問題,設(shè)計采用以太網(wǎng)方式進行設(shè)備聯(lián)網(wǎng),并使用協(xié)議類軟件進行數(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)動程序適用于Fanuc Focas可編程邏輯控制器(PLC)。
Fanuc Focas Ethernet驅(qū)動程序同樣也 不需要特殊的庫或硬件,所需的也僅是標準以太網(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/服務(wù)器IP地址,使得上位機與設(shè)備的PLC在同一網(wǎng)段內(nèi)。
第四步:使用Fanuc Focas Ethernet驅(qū)動,在Kepware軟件中設(shè)置Fanuc Focas Ethernet驅(qū)動。
第五步:通過讀取信號點的模式讀取變量地址,在Kepware中增加采集點。
第六步:啟動Quick Client進行測試通訊。
(三)上位機設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)采集
以上位機設(shè)備為研究對象,設(shè)備控制柜及上位機工作畫面如下:
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,設(shè)計采用OPC方式進行設(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進行數(shù)據(jù)采集,OPC DA客戶端驅(qū)動程序提供了將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。
當在計算機上安裝 WinCC時,系統(tǒng)會自動添加OPC組件如下:
(1) OPC服務(wù)器 ;
(2) OPC 通訊驅(qū)動程序 ;
(3) OPC條目管理器。
WinCC OPC服務(wù)器是1個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”,“運行”,輸入程序名dcomcnfg.exe,啟動該程序,在“Applications”頁選擇“OPCServer.WinCC”條目,設(shè)置屬性,在“安全”標簽中選擇“使用自定義訪問”許可權(quán)選項鈕;在“標識”標簽中選擇“交互式用戶”選項,完成 DCOM 組態(tài)。
第二步:創(chuàng)建 W i n C C項目,雙擊打開桌面的SIMATIC WinCC Explorer圖標,點擊新建按鈕,創(chuàng)建一個單用戶項目。右鍵選擇變量管理,選擇添加新的驅(qū)動程序。彈出添加新的驅(qū)動程序?qū)υ捒蚝?,選擇OPC. chn。右鍵點擊新建的OPC驅(qū)動,選擇系統(tǒng)參數(shù)。點擊計算機,輸入添加的用戶名,找到要其計算機后,點擊OPCServer.WinCC,選擇瀏覽服務(wù)器,添加客戶機上的變量,新建畫面,添加一個IO域,連接客戶機的變量,激活項目進行測試。
第三步:連接Kepware,設(shè)置上位機/服務(wù)器IP地址,使得上位機與設(shè)備的PLC在同一網(wǎng)段內(nèi)。
第四步:OPC DA客戶端驅(qū)動程序,在Kepware軟件中設(shè)置OPC驅(qū)動。
第五步:啟動Quick Client進行測試通訊。
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)約成本的同時使得后期維護及設(shè)備擴充更加簡單容易,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)能夠涵蓋機械裝備制造領(lǐng)域大部分加工設(shè)備,包括數(shù)控機床(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)以及進口設(shè)備等,能夠滿足國家重大專項及工業(yè)裝備制造能力建設(shè)需求等。