協(xié)同服務(wù)中的普通數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集研究*

金致富 張為民② 許 瑋

（①同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804；②同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092）

在協(xié)同服務(wù)中，普通數(shù)控設(shè)備和復(fù)雜數(shù)控設(shè)備是協(xié)同服務(wù)的設(shè)備終端，對這些數(shù)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測是協(xié)同服務(wù)一項基本內(nèi)容［1］。然而與復(fù)雜數(shù)控設(shè)備相比較，普通數(shù)控設(shè)備一般沒有專門的嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備，也沒有相應(yīng)的接口用來實時采集系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)［2］。這使得普通數(shù)控設(shè)備在遠(yuǎn)程監(jiān)測和協(xié)同服務(wù)中成為被監(jiān)測的空白區(qū)。為了滿足這類數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集的需要，一些文獻(xiàn)［3－4］闡述了使用機(jī)床RS232接口或數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集端。但對于一些數(shù)控設(shè)備來說，實時采集數(shù)據(jù)仍較為困難，其原因在于這些數(shù)控設(shè)備沒有提供數(shù)據(jù)實時傳輸接口。另外，為了實現(xiàn)同時對普通數(shù)控設(shè)備和復(fù)雜數(shù)控

協(xié)同服務(wù)中的普通數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集研究*

金致富①張為民①②許 瑋①

（①同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804；②同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092）

針對協(xié)同服務(wù)中的普通數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集需求，研究了一種直接從普通數(shù)控設(shè)備上采集數(shù)據(jù)以及利用Web服務(wù)將數(shù)據(jù)發(fā)布到數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程訪問平臺的方法。將該方法應(yīng)用在一臺數(shù)控加工中心上，結(jié)果表明它能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對加工中心運(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)測，為普通數(shù)控設(shè)備支持協(xié)同服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

協(xié)同服務(wù) Web服務(wù) 數(shù)據(jù)采集

在協(xié)同服務(wù)中，普通數(shù)控設(shè)備和復(fù)雜數(shù)控設(shè)備是協(xié)同服務(wù)的設(shè)備終端，對這些數(shù)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測是協(xié)同服務(wù)一項基本內(nèi)容［1］。然而與復(fù)雜數(shù)控設(shè)備相比較，普通數(shù)控設(shè)備一般沒有專門的嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備，也沒有相應(yīng)的接口用來實時采集系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)［2］。這使得普通數(shù)控設(shè)備在遠(yuǎn)程監(jiān)測和協(xié)同服務(wù)中成為被監(jiān)測的空白區(qū)。為了滿足這類數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集的需要，一些文獻(xiàn)［3－4］闡述了使用機(jī)床RS232接口或數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集端。但對于一些數(shù)控設(shè)備來說，實時采集數(shù)據(jù)仍較為困難，其原因在于這些數(shù)控設(shè)備沒有提供數(shù)據(jù)實時傳輸接口。另外，為了實現(xiàn)同時對普通數(shù)控設(shè)備和復(fù)雜數(shù)控

設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的，需要采集普通數(shù)控設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并封裝成與復(fù)雜數(shù)控設(shè)備一致的數(shù)據(jù)格式，最后以web服務(wù)的形式發(fā)布到數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程訪問平臺。

本文嘗試了使用單片機(jī)連接普通數(shù)控設(shè)備PLC端口，直接獲取數(shù)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡胀〝?shù)控設(shè)備的Web服務(wù)器，并采用B/S模式，將數(shù)據(jù)發(fā)布到數(shù)據(jù)查詢服務(wù)器，供客戶端調(diào)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)分四個層次，分別為數(shù)據(jù)采集層、Web服務(wù)層、數(shù)據(jù)查詢層以及用戶層，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線發(fā)送到Web服務(wù)層，Web服務(wù)層通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）將數(shù)據(jù)發(fā)布到企業(yè)內(nèi)部查詢服務(wù)器，或通過以太網(wǎng)（Ethernet）將數(shù)據(jù)發(fā)布到遠(yuǎn)程查詢服務(wù)器，這樣客戶端就可以通過瀏覽器查詢到普通數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。由于Web服務(wù)的跨平臺性［5］，不同平臺客戶端瀏覽器都可以監(jiān)測數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 底層數(shù)據(jù)采集

數(shù)控系統(tǒng)通過PLC控制機(jī)床的動作［6］。因此，通過采集PLC端口數(shù)據(jù)，就能夠監(jiān)測機(jī)床的一些運(yùn)行狀態(tài)。這些狀態(tài)數(shù)據(jù)與機(jī)床的PLC程序直接相關(guān)。了解PLC端口的使用情況，就能識別PLC端口上每個數(shù)據(jù)的含義。采集數(shù)據(jù)使用單片機(jī)，成本低于一般數(shù)據(jù)采集卡。由于單片機(jī)采用弱電傳輸，不能與數(shù)控機(jī)床的PLC端口直接相連。PLC端口必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后才能接入單片機(jī)，具體的電平轉(zhuǎn)換方式可以采用光電管轉(zhuǎn)換或者繼電器轉(zhuǎn)換。一臺普通數(shù)控設(shè)備配用一個單片機(jī)，單片機(jī)通過現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到Web服務(wù)器上。Web服務(wù)器部署在現(xiàn)場計算機(jī)中，通過計算機(jī)上的串口程序與單片機(jī)進(jìn)行異步通訊。

由于系統(tǒng)采用弱電傳輸，可能會受到現(xiàn)場電磁干擾，現(xiàn)場中的單片機(jī)與數(shù)控設(shè)備的連接線以及與Web服務(wù)器之間的連接線都要進(jìn)行屏蔽保護(hù)。

1.3 Web服務(wù)器

在復(fù)雜數(shù)控設(shè)備中，嵌入的OPC服務(wù)器使得數(shù)控設(shè)備具備Web服務(wù)功能。不過很多OCP服務(wù)是基于Windows的COM/DCOM組件的，因此需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，使OPC服務(wù)成為與平臺無關(guān)的OPC－XML Web服務(wù)［6］。在普通數(shù)控設(shè)備中由于沒有提供數(shù)據(jù)采集接口和服務(wù)，因此，需要將采集來的數(shù)據(jù)封裝成XML形式的Web服務(wù)，以便被數(shù)據(jù)查詢服務(wù)器調(diào)用。

普通數(shù)控設(shè)備Web服務(wù)器有兩個功能，注冊數(shù)控機(jī)床信息和提供數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)信息。首先，必須將新連入的數(shù)控設(shè)備注冊到Web服務(wù)器上。這樣，Web服務(wù)就可通過調(diào)用串口通信程序搜尋到總線中已注冊的數(shù)控設(shè)備。其次，一旦數(shù)控設(shè)備開始運(yùn)行，Web服務(wù)便開始通過串口程序采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)暫存在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，等待被調(diào)用。此處的Web服務(wù)是一個數(shù)據(jù)采集與封裝的過程，具有平臺無關(guān)性，因此可采用.NET或JAVA開發(fā)。同時，與復(fù)雜設(shè)備的Web服務(wù)器一同組成Web服務(wù)群，被上層查詢服務(wù)器調(diào)用。

1.4 查詢服務(wù)器

查詢服務(wù)器是建立在復(fù)雜數(shù)控設(shè)備和普通數(shù)控設(shè)備甚至是普通機(jī)床的一個集成數(shù)據(jù)查詢平臺。統(tǒng)一查詢服務(wù)器可以部署在工作現(xiàn)場中的計算機(jī)上也可以部署在遠(yuǎn)程計算機(jī)上，分別通過局域網(wǎng)和以太網(wǎng)與各類數(shù)控設(shè)備的Web服務(wù)器相連。查詢服務(wù)器的功能是接收來自客戶端的查詢?nèi)蝿?wù)，調(diào)用普通數(shù)控設(shè)備的Web服務(wù)，暫存查詢過的數(shù)據(jù)。當(dāng)查詢服務(wù)器接收到來自客戶端瀏覽器的查詢?nèi)蝿?wù)，查詢服務(wù)器先根據(jù)查詢設(shè)備檢索數(shù)據(jù)庫中是否有需要查詢的信息；如果沒有，則調(diào)用相應(yīng)普通數(shù)控設(shè)備的Web服務(wù)，查詢Web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)；如果要查詢當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，查詢服務(wù)器則直接調(diào)用Web服務(wù)讀取普通數(shù)控設(shè)備PLC上的狀態(tài)數(shù)據(jù)。查詢服務(wù)器的客戶端是來自不同平臺的瀏覽器。查詢服務(wù)器的工作過程如圖2。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)是在以西門子802D數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的機(jī)床上進(jìn)行的。802D數(shù)控系統(tǒng)是一款精簡版系統(tǒng)，內(nèi)部沒有提供實時數(shù)據(jù)采集的接口，只提供了一個用于與數(shù)控系統(tǒng)交換數(shù)控程序等文件的RS232接口［2］。由于系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)不對外開放，因此直接通過系統(tǒng)的PLC端口來采集數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)，通過一個繼電器電平轉(zhuǎn)換器直接與PLC端口相連接，如圖3所示。

為了不影響PLC工作，采集設(shè)備采用高阻抗輸入信號，低阻抗輸出信號。連接電纜全部采用雙絞線屏蔽。當(dāng)單片機(jī)和Web服務(wù)器端的串口通訊程序工作時，Web服務(wù)器就可以采集機(jī)床運(yùn)行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

Web服務(wù)器采用.NET開發(fā)，在VS2005平臺下編寫Web服務(wù)程序。Web服務(wù)程序首先調(diào)用串口通信程序，檢查總線上運(yùn)行的設(shè)備，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)Web服務(wù)被調(diào)用時，Web服務(wù)采用SOAP消息將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成XML格式發(fā)送給數(shù)據(jù)查詢服務(wù)器。查詢服務(wù)器在VS2005平臺下編寫，用于測試普通數(shù)控設(shè)備Web服務(wù)器?？蛻舳瞬樵冘浖闉g覽器。只要登陸查詢服務(wù)器，輸入查詢項就可以看到相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試對象是VMC0850B立式加工中心，該加工中心的控制器為西門子802D系統(tǒng)。為了方便測試，將單片機(jī)8個數(shù)據(jù)采集端口與PP72/48端口并接（PP72/48端口為數(shù)控系統(tǒng)PLC控制機(jī)床動作的外部接口），端口及其含義如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集端口及其含義

啟動加工中心和Web服務(wù)器，Web服務(wù)器調(diào)用串口程序開始采集數(shù)據(jù)，此時輸入加工中心的型號便可以查詢到加工中心的歷史運(yùn)行狀態(tài)和當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，如圖4所示。

3 結(jié)語

針對協(xié)同服務(wù)中的普通數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集需求，本文研究了從數(shù)控設(shè)備PLC端口直接讀取數(shù)控設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)以及利用Web服務(wù)將數(shù)據(jù)發(fā)布到數(shù)控設(shè)備遠(yuǎn)程訪問平臺的方法，并將該方法應(yīng)用在一臺立式加工中心數(shù)據(jù)采集上，結(jié)果表明它能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對加工中心運(yùn)行狀態(tài)實時監(jiān)測，為普通數(shù)控設(shè)備支持協(xié)同服務(wù)奠定基礎(chǔ)，使得普通數(shù)控設(shè)備與復(fù)雜設(shè)備一同成為協(xié)同服務(wù)中的終端設(shè)備。

［1］張為民，虞敏，Horst· Meier，等.復(fù)雜設(shè)備運(yùn)行的協(xié)同服務(wù)支持［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，36（ 8）：1143 －1147.

［2］SINUMERIK 802D簡明調(diào)試手冊［M］.SIEMENS公司，2006.

［3］尹穎禹，徐小平，余劍生，等.面向數(shù)控設(shè)備的WEB服務(wù)網(wǎng)關(guān)［J］.微計算機(jī)信息，2008，13（24）：181 －182，199.

［4］高榮，王治森，章建科.基于Web服務(wù)的移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)研究［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007，9（13）：1750 －1755，1761.

［5］顧寧，劉家茂，柴曉路，等.Web Services原理與研發(fā)實踐［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］陳炳森，胡華麗.西門子802D數(shù)控系統(tǒng)PLC編程與應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù)，2008（9）：148 －151.

［7］劉鑫，陳燦，張為民.基于OPC和Web的復(fù)雜數(shù)據(jù)采集研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009（9）：144 －146.

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Research on Data Acquisition of General NC Device in Cooperative Services

JIN Zhifu①，ZHANG Weimin①②，XU Wei①
（ College of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，CHN；②Sino－German College，Tongji University，Shanghai 200092，CHN）

For the need of data acquisition of general NC device in cooperative services，this paper researches a method of collecting data from general NC device directly and transmitting these data to a remote data access platform of NC device.When this method is applied to a machining center，the result shows that it could achieve real－ time monitoring of machining center through network.

Cooperative Services；Web Services；Data Acquisition

金致富，男，1985年生，碩士研究生，研究方向：機(jī)械制造及其自動化。

（編輯 李 靜） （

2010－01－ 06）

10712