制造車間設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

吳雙玉，陸 藝，郭 斌

(1.中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江杭州 310018)

0 引言

制造車間的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是以互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，通過設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備互聯(lián)等手段組成智能加工網(wǎng)，高效完成加工任務(wù)。企業(yè)要實現(xiàn)智能制造，首先要解決的問題是車間設(shè)備信息的自動化采集。

針對車間設(shè)備的信息采集與管理，國內(nèi)外學(xué)者和專家們在這方面做了深入研究。在獲取制造車間生產(chǎn)信息方面，徐斌等[1]提出一種基于日志的生產(chǎn)信息自動化采集方法，該方法將產(chǎn)品的規(guī)格、型號等信息以注釋消息的形式寫入數(shù)控代碼，然后輸出到數(shù)控機床的日志文件中，思路新穎且數(shù)據(jù)源豐富。在車間能耗方面，童世華[2]設(shè)計了一種面向車間整體能耗和環(huán)境信息的實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以水表、電表、氣表、用電設(shè)備和環(huán)境傳感器等設(shè)備為監(jiān)測對象，實現(xiàn)了移動APP或者遠(yuǎn)程Web訪問車間環(huán)境和設(shè)備數(shù)據(jù)的功能。在數(shù)控機床狀態(tài)信息采集方面，馮金金等[3]設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于MTConnect協(xié)議的數(shù)控機床數(shù)據(jù)采集平臺，該平臺通過在網(wǎng)絡(luò)層開發(fā)適配器和代理服務(wù)器模塊，實現(xiàn)不同數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的跨平臺的互聯(lián)、互通和交互操作，其實質(zhì)是建立一個具有傳遞數(shù)據(jù)能力的中間件，數(shù)據(jù)來源于安裝在數(shù)控機床上的傳感器，沒有考慮數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部豐富的信息；文獻(xiàn)[4]提出了一種基于MEMS傳感器監(jiān)測數(shù)控機床主軸振動的方法，其中采用的MEMS傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，具有體積小、適于批量生產(chǎn)與更智能的特點，并針對振動數(shù)值從質(zhì)量管理和生產(chǎn)維護(hù)兩方面作了詳細(xì)的說明。

面向制造車間，目前研究僅能獲取單一的或較少種類的信息，信息的集成度還比較低，因此有必要設(shè)計開發(fā)一種面向制造車間設(shè)備的多源信息采集方案。多源信息采集由于涉及到的設(shè)備具有多種類、多接口與多協(xié)議的特點，很難形成統(tǒng)一的采集方法，為解決以上提到的問題，本文引入一套工具集軟件WebAccess，利用其內(nèi)部集成的多種通信協(xié)議，串聯(lián)制造車間的觸摸屏、智能電表、溫濕度傳感器及發(fā)那科、西門子、海德漢和三菱4種主流數(shù)控機床等設(shè)備，完成車間多種設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、分析與存儲，以實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和資源消耗等目標(biāo)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集類型

根據(jù)現(xiàn)場和設(shè)備通訊需求，采集類型大致分為以下4種:

(1)數(shù)控系統(tǒng)通訊采集，通過研究多種數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部通訊協(xié)議，調(diào)用二次開發(fā)軟件包讀取數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)機床主軸、PLC和診斷數(shù)據(jù)等信號。

(2)電表通訊[5]采集，通過采集電表內(nèi)電壓、電流、功率和諧波等數(shù)據(jù)，評估制造車間電力品質(zhì)，尋找節(jié)能措施，減少車間能耗。

(3)觸摸屏通訊采集，觸摸屏記錄數(shù)控機床待機原因、工人工號、工件號和已加工量等信息，可以完善車間數(shù)控機床的設(shè)備利用率數(shù)據(jù),作為車間生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)品質(zhì)分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(4)溫濕度傳感器通訊采集，傳感器內(nèi)置的WiFi模塊提供接入點和工作站的功能，客戶端既可連接熱點查看溫濕度信息，也可以通過搜尋傳感器的IP地址來采集信息。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

制造車間的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場設(shè)備層、車間SCADA層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一層是現(xiàn)場設(shè)備層，主要由觸摸屏、智能電表、溫濕度傳感器、發(fā)那科、西門子、三菱和海德漢數(shù)控機床等硬件組成。每臺設(shè)備指定一個IP地址通過線纜直接或間接地接入企業(yè)局域網(wǎng)，按照Modbus、FOCAS、OPC UA、A2和LSV-2等通訊協(xié)議從數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部獲取信息，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集服務(wù)器。

第二層是車間監(jiān)控層，主要包括數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器選用SQL Server 2014數(shù)據(jù)庫軟件作為核心軟件，SQL Server 2014軟件操作簡單、事務(wù)處理能力強、可集成度高，能夠應(yīng)對工業(yè)現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)同時并發(fā)存儲。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器上安裝組態(tài)軟件WebAccess，接收來自局域網(wǎng)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，將它們進(jìn)行匯總、計算和處理，根據(jù)生產(chǎn)和用戶的要求有選擇地把實時數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，以供進(jìn)一步設(shè)備狀況分析、應(yīng)用和管理。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器設(shè)計有可視化操作界面，可以通過界面操作與系統(tǒng)交互下達(dá)指令數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)使用內(nèi)網(wǎng)穿透工具NAT123實現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端和現(xiàn)場設(shè)備之間跨地區(qū)跨局域網(wǎng)的通信,省去了繁瑣的跨地區(qū)DNS域名解析工作，降低了網(wǎng)絡(luò)編程開發(fā)難度。

第三層是遠(yuǎn)程監(jiān)控層，在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)了信息的共享，供有權(quán)限的用戶實時監(jiān)測制造車間設(shè)備的工作狀態(tài)。企業(yè)管理人員通過手機、平板和計算機上的瀏覽器監(jiān)控界面輸入賬號取得系統(tǒng)授權(quán)，即可快捷地訪問設(shè)備運行狀態(tài)、查看歷史數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在線管理。

1.3 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)框架

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[6-10]常用的網(wǎng)絡(luò)框架有C/S結(jié)構(gòu)和B/S結(jié)構(gòu)。采用C/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)雖然具有響應(yīng)速度快、交互能力強的特點，但在安裝、維護(hù)與管理方面的難度大，B/S結(jié)構(gòu)是對C/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造形成的結(jié)構(gòu)，具有維護(hù)簡單和共享性強的特性，本文采用基于B/S架構(gòu)來開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的控制軟件采用C#語言基于.NET Framework平臺開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)框架如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)框架

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架主要由車間數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器和Web瀏覽器等部分組成。SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過ODBC接口從數(shù)據(jù)采集服務(wù)器中獲取數(shù)據(jù)，并存入到相應(yīng)的表中。Web瀏覽器與Web服務(wù)器之間通過采用HTTP/HTTPS協(xié)議進(jìn)行Socket通信，Web服務(wù)器解釋執(zhí)行ASP文件，將ActiveX控件下載到客戶端瀏覽器后，用戶即可進(jìn)入包含設(shè)備運行畫面和虛擬操作控制面板的遠(yuǎn)程監(jiān)控頁面，設(shè)備監(jiān)控畫面和運行狀態(tài)(包括溫度、電壓、實時位置、主軸負(fù)載和進(jìn)給等)信息隨著現(xiàn)場的反饋同步更新；用戶在Web瀏覽器的虛擬控制面板上向數(shù)控機床發(fā)送指令，Web服務(wù)器將指令轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，在收到瀏覽器的指令并確認(rèn)后，執(zhí)行相應(yīng)的功能模塊，即可實現(xiàn)對各數(shù)控機床的監(jiān)視和控制。

2 軟件技術(shù)和實現(xiàn)

2.1 設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)方式

為兼容觸摸屏、智能電表、溫濕度傳感器、發(fā)那科、西門子、三菱和海德漢數(shù)控機床等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)兼容多種通信協(xié)議和通信接口。通信協(xié)議包括Modbus RTU、Modbus TCP、FOCAS、OPC UA、A2、LSV-2等，其中涉及到的數(shù)據(jù)采集接口包括RS485、DNC和以太網(wǎng)口等通用接口，下面分別論述。

2.1.1 基于Modbus協(xié)議的設(shè)備通訊

目前，Modbus有下列3種通信方式Modbus TCP、Modbus RTU、Modbus PLUS。Modbus TCP和Modbus RTU，采用主從通訊模式，當(dāng)主站向從站發(fā)出命令時，從站作出響應(yīng)，從站在沒有收到主站請求時并不傳輸數(shù)據(jù)。其中，Modbus TCP用于以太網(wǎng)通信，Modbus RTU用于RS232、RS485接口通信。Modbus PLUS高速令牌傳遞網(wǎng)絡(luò)不常用。Modbus通信原理如圖3所示。

圖3 Modbus通信原理

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器按照Modbus TCP協(xié)議與制造車間的觸摸屏和溫濕度傳感器等設(shè)備進(jìn)行通信。其中，溫濕度傳感器通過WiFi將內(nèi)置帶有時間標(biāo)識的溫濕度信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集服務(wù)器。觸摸屏按照Modbus RTU協(xié)議接收來自智能電表的電力信息，并且通過RS232接口獲取掃碼槍錄入的信息，接收的信息存儲在觸摸屏自帶的內(nèi)存中，在收到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器數(shù)據(jù)請求時，將信息通過地址映射功能傳輸?shù)組odbus TCP主站。

2.1.2 基于FOCAS的FANUC機床聯(lián)網(wǎng)

FOCAS函數(shù)庫分為2個版本，F(xiàn)OCAS 1主要應(yīng)用于0i、16i、18i和21i系列，F(xiàn)OCAS 2則針對30i、31i、32i系列CNC，其內(nèi)置的函數(shù)具有CNC/PMC數(shù)據(jù)窗口功能，通過以太網(wǎng)接口在PC和CNC之間完成數(shù)據(jù)交換和信息共享。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與配置有快速以太網(wǎng)板和數(shù)據(jù)服務(wù)器板的數(shù)控機床通過Rj45線纜連接，調(diào)用FOCAS提供的動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)對發(fā)那科數(shù)控機床運行狀態(tài)實時采集。FOCAS通信原理如圖4所示。

圖4 FOCAS通信原理

2.1.3 基于OPC UA的SIEMENS數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)

OPC UA是在傳統(tǒng)OPC基礎(chǔ)上擴展的技術(shù)，具有通訊一致性、通訊方式多元化、網(wǎng)絡(luò)安全和跨平臺等優(yōu)點。SINUMERIK 840D數(shù)控機床上運行的OPC UA服務(wù)器由數(shù)控系統(tǒng)本身提供，負(fù)責(zé)收集數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息，并接受來自O(shè)PC UA客戶端的指令數(shù)據(jù)，然后通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口傳送給客戶端應(yīng)用程序。OPC UA通信原理如圖5所示。

圖5 OPC UA通信原理

2.1.4 基于A2驅(qū)動的MITSUBISHI數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)

MITSUBISHI M70數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)過程是數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與三菱數(shù)控機床進(jìn)行以太網(wǎng)連接，調(diào)用三菱系統(tǒng)開發(fā)包A2的庫文件實現(xiàn)機床數(shù)據(jù)(加工程序、刀具數(shù)據(jù)、參數(shù)、操作履歷、PLC程序、系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)等)的上傳。A2通信原理如圖6所示。

圖6 A2通信原理

2.1.5 基于LSV-2的HEIDENHAIN數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)

HEIDENHAIN iTNC530數(shù)控機床取得DNC授權(quán)后，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器向機床發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息請求，數(shù)控機床依據(jù)海德漢系統(tǒng)開放協(xié)議框架下的相應(yīng)函數(shù)返回設(shè)備狀態(tài)給數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。機床的實時數(shù)據(jù)采集模塊是在海德漢提供的軟件開發(fā)包的基礎(chǔ)上，通過LSV-2協(xié)議開發(fā)的。LSV-2通信原理如圖7所示。

圖7 LSV-2通信原理

2.2 功能面板設(shè)計

采集的數(shù)據(jù)來自現(xiàn)場設(shè)備，主要包括數(shù)控機床的狀態(tài)信息、工藝信息、觸摸屏的生產(chǎn)信息、智能電表的電力信息與溫濕度傳感器的環(huán)境信息等。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行效率、利用率、生產(chǎn)品質(zhì)與生產(chǎn)進(jìn)度等方面的統(tǒng)計分析，了解機床、毛坯和刀具的利用率，結(jié)合生產(chǎn)實際找出提高資源利用率的有效措施；分析生產(chǎn)進(jìn)度信息，合理地制定生產(chǎn)計劃，以使工人與設(shè)備等關(guān)鍵資源負(fù)載均衡；工件品質(zhì)分析，關(guān)聯(lián)機床信息定位影響加工質(zhì)量的原因；分析工人品質(zhì)數(shù)據(jù)，確定工人的工藝水平。功能結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 功能結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)實驗

3.1 實驗環(huán)境

本文研究的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在某個制造車間中完成了生產(chǎn)實踐的檢驗，該車間分布多臺具有以太網(wǎng)口的FANUC 0i-MD數(shù)控機床，每臺數(shù)控機床附近配有一個觸摸屏，車間分布的溫濕度傳感器獲取生產(chǎn)環(huán)境信息、智能電表監(jiān)控電力品質(zhì)和統(tǒng)計生產(chǎn)能耗。實驗環(huán)境如圖9所示。

圖9 實驗環(huán)境

數(shù)據(jù)采集軟件運行在Windows 10專業(yè)版系統(tǒng)的筆記本電腦上，通過以太網(wǎng)口和數(shù)控機床相連。系統(tǒng)可以實現(xiàn)PC端和手機端的監(jiān)控，如果在跨互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)控，需在瀏覽器中輸入內(nèi)網(wǎng)穿透地址，如在局域網(wǎng)中測試，在瀏覽器中輸入筆記本電腦的IP即可實現(xiàn)連接。

3.2 構(gòu)建基于以太網(wǎng)的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化管理

全面實現(xiàn)制造車間數(shù)控機床、觸摸屏、電表等設(shè)備的集中管理與控制，設(shè)備由以前的信息孤島轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€工廠的信息節(jié)點，實現(xiàn)了制造車間的數(shù)字化。制造車間設(shè)備的工況顯示如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3.3 統(tǒng)計分析

機床的利用率查詢界面如圖10所示。通過輸入查詢的起始時間可以獲得過去某一天或者過去某一段時間機床各種狀態(tài)的分布情況，進(jìn)行設(shè)備的停機原因和停機頻率的統(tǒng)計，采取措施提高設(shè)備利用率。

圖10 機床利用率查詢界面

4 結(jié)論

本文提出了一種制造車間設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，首先對數(shù)據(jù)采集類型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)框架進(jìn)行了介紹，接著對系統(tǒng)實現(xiàn)過程的關(guān)鍵技術(shù)和開發(fā)的功能面板給出了詳細(xì)論述，并通過對某制造車間應(yīng)用實例，驗證了該系統(tǒng)的可行性與有效性。與現(xiàn)有的制造車間監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有以下特點。

(1)實現(xiàn)了發(fā)那科、西門子、三菱和海德漢四大主流數(shù)控系統(tǒng)的機床聯(lián)網(wǎng)和集中管理。

(2)考慮到制造車間的生產(chǎn)信息、能耗信息和環(huán)境信息，將制造車間的觸摸屏、智能電表和溫濕度傳感器納入監(jiān)測對象，采集的信息更為豐富。

(3)實現(xiàn)了制造車間的多端遠(yuǎn)程監(jiān)控，企業(yè)管理人員可以在遠(yuǎn)程PC、手機和平板的瀏覽器上監(jiān)控制造車間的實時運行狀況。

(4)引入了一套工具集軟件，可以應(yīng)對多種類、多協(xié)議、多接口的設(shè)備數(shù)據(jù)采集需求，開發(fā)時間短，實施簡便。