基于OPC技術的數(shù)控機床遠程監(jiān)控技術研究*

楊家榮 徐志明 王昌富

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070）

基于OPC技術的數(shù)控機床遠程監(jiān)控技術研究*

楊家榮 徐志明 王昌富

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070）

介紹了目前比較熱門的OPC技術，研究探討了OPC技術的工作機理，設計了一種基于OPC技術的數(shù)控機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了與西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的通訊，能實時讀取和控制來自機床數(shù)控系統(tǒng)的各種信息，還實現(xiàn)了對多臺數(shù)控機床的集中管理和實時監(jiān)控，解決了傳統(tǒng)控制無法實現(xiàn)集中監(jiān)控的問題。

OPC 遠程監(jiān)控 數(shù)控

隨著我國工業(yè)化進程的加速，數(shù)控機床正以其精度高、效率高、操作方便等優(yōu)點在現(xiàn)代企業(yè)中得到了廣泛應用。與此同時，數(shù)控機床價格昂貴，其本身的復雜性增加了維修的技術難度和維修費用。目前，對于數(shù)控機床的管理還停留在一個較低的水平，多是采用發(fā)現(xiàn)故障后上報等形式通過人工控制。在這種模式下，出現(xiàn)故障不能及時發(fā)現(xiàn)，存在隱患不能及時排除，將導致機床運行效率低下。雖然隨著技術的發(fā)展，部分企業(yè)開始嘗試利用遠程監(jiān)控技術來統(tǒng)一集中管理所有的數(shù)控機床，但這些監(jiān)控裝置多需要添加額外的數(shù)據(jù)采集裝置，在增加了額外費用的同時，還無法與現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)整合。且一般企業(yè)都有來自不同廠家品牌的機床，所使用的數(shù)控系統(tǒng)也各不相同，這也對監(jiān)控裝置的開發(fā)帶來了一定的難度。

針對這一現(xiàn)狀，本文利用目前比較熱門的OPC技術，探討設計了一種基于OPC技術的數(shù)控機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了與多臺西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的通訊，能實時讀取和控制來自數(shù)控系統(tǒng)的坐標位置信息、參數(shù)、PLC狀態(tài)變量，報警內(nèi)容等信息，解決了傳統(tǒng)控制無法實現(xiàn)集中管理和實時監(jiān)控的問題，且無需增加額外的數(shù)據(jù)采集裝置，將運行維護人員從大量繁瑣的工作中解放出來，增強監(jiān)控管理的靈活性和可控性，大大減少了因故障帶來的各種不良影響。

1 SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)平臺簡介

SINUMERIK 840D是西門子公司20世紀90年代推出的高性能數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)基于PC平臺，擁有各類豐富的接口，以及比一般數(shù)控系統(tǒng)更好的人機交互能力和上層應用系統(tǒng)集成能力，便于用戶對系統(tǒng)功能進行定制和參數(shù)調(diào)節(jié)，其硬件框架如圖1所示［1］。

目前為止，對采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的機床所進行的遠程監(jiān)控，主要是采用安裝SINCOM軟件或者ReachOut遠程診斷軟件，再通過以太網(wǎng)進行通訊［2－3］。這些軟件都需要額外向西門子購買，且安裝不便，安裝完成后需要進行大量配置，如SINCOM軟件還需要修改PLC，編制相應的PLC程序來配合實現(xiàn)監(jiān)控，監(jiān)控功能也有限，最重要的是，不能實現(xiàn)按照客戶的需求進行監(jiān)控，且無法與其它機床的監(jiān)控程序整合，形成集中監(jiān)控。

實際上，西門子另外可提供專門用于二次開發(fā)的OEM軟件，其中包含了用于OPC技術的自動化接口，使用戶通過OPC接口進行存取NCK中的各個變量和數(shù)據(jù)。既可在OEM－MMC系統(tǒng)中集成自己的操作界面實現(xiàn)機床的管理和監(jiān)控，也可以利用OPC接口通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡，讓自己的程序和NC/PLC之間進行通訊，實現(xiàn)機床的遠程管理和監(jiān)控。這種通訊方式具有統(tǒng)一的接口規(guī)范，可將車間內(nèi)其它采用相同OPC接口規(guī)范的設備全部納入監(jiān)控的范疇。

2 OPC技術簡介

OPC全稱是OLE for Process Control，它是由一些世界著名的自動化系統(tǒng)、硬件、軟件公司和Microsoft（微軟）緊密合作而建立的。以前，為了存取現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)信息，每個應用軟件開發(fā)商都需要編寫專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場設備的種類繁多，給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負擔。系統(tǒng)開發(fā)商急需一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設備驅(qū)動程序。OPC技術的出現(xiàn)有效地解決了這一問題，它將底層硬件驅(qū)動程序和上層應用程序的開發(fā)有效地分隔開，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)了不同設備協(xié)議間的數(shù)據(jù)互訪［4］。借助Microsoft的DCOM（分散式組件對象模型）技術，OPC可支持在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)甚至INTERNET上不同計算機上的對象之間的通訊，實現(xiàn)了高性能的遠程數(shù)據(jù)訪問能力。圖2所示為OPC技術基礎構成圖，圖3為本地監(jiān)控計算機和遠程數(shù)控系統(tǒng)之間的客戶端和服務器基于COM的連接。

OPC技術自問世以來，在工業(yè)過程控制方面得到了廣泛的應用。目前，OPC標準已經(jīng)成為了實際的工業(yè)標準，其應用場合如與PLC的監(jiān)控，組態(tài)軟件的通訊，在DCS和SCADA系統(tǒng)中的應用，各類監(jiān)控系統(tǒng)如水電站監(jiān)控、智能樓宇監(jiān)控等，但在數(shù)控機床遠程監(jiān)控方面的應用，目前為止還不多見。

3 基于OPC技術的數(shù)控機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)功能及結構

本監(jiān)控系統(tǒng)主要由OPC服務器和OPC客戶端應用程序兩部分構成，西門子SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)上運行的OPC服務器由數(shù)控系統(tǒng)本身提供，完成的工作就是收集數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，并接收來自客戶端程序的指令數(shù)據(jù)，然后通過標準的OPC接口傳送給OPC客戶端應用程序，即本文所開發(fā)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：

（1）數(shù)控系統(tǒng)NCU中各種變量的訪問，如刀具信息、刀偏、零偏、軸坐標位置值等。

（2）R參數(shù)的訪問。

（3）PLC中各種變量的訪問，如I/O接口，標志區(qū)M、數(shù)據(jù)塊DB等，通過訪問這些變量，控制人員可遠程判斷機床故障點，有利于故障的快速排除和集中管理。

（4）利用VB設計應用界面，如顯示數(shù)據(jù)、圖形、輸入數(shù)據(jù)等。

（5）當機床出現(xiàn)報警時，可遠程實時顯示報警內(nèi)容，便于維修人員迅速掌握報警內(nèi)容，實現(xiàn)集中控制和管理。

3.2 OPC服務器

OPC服務器規(guī)范主要包括3種［5］：

（1）數(shù)據(jù)訪問（DA，Data Access）規(guī)范，也叫實時數(shù)據(jù)存取規(guī)范。

（2）報警與事件（AE，Alarms and Events）規(guī)范。

（3）歷史數(shù)據(jù)存?。℉DA，Historical Data Access）規(guī)范。

另外，還有批量過程規(guī)范、安全性規(guī)范、復雜數(shù)據(jù)和公共I/O規(guī)范等。

以數(shù)據(jù)訪問規(guī)范為例，它主要定義的是OPC DA Server（數(shù)據(jù)存取服務器）。OPC DA Server主要包含服務器對象、組對象和項對象。服務器對象負責維護著服務器的信息，同時也是組對象的包容器，如可以完成添加刪除組等功能。組對象維護著組的信息并提供包容項的機制，同時管理項對象。項對象代表了與服務器里數(shù)據(jù)源的連接，在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中即為定義的可以讓OPC客戶程序訪問的ITEM，如：″/bag/state/opmode″的不同的返回值分別表示數(shù)控系統(tǒng)的當前操作模式是處于手動，MDI，還是自動。服務器、組、項三者之間的關系如圖5所示［6］。

OPC報警與事件規(guī)范定義了OPC服務器發(fā)生異常時或OPC服務器設定事件到來時向OPC客戶程序發(fā)送通知的一種機制。OPC歷史數(shù)據(jù)存取規(guī)范的實現(xiàn)，可以使OPC客戶端能夠存取OPC服務器中歷史數(shù)據(jù)等。

3.3 OPC客戶端應用程序

OPC客戶端通過標準的OPC接口接收數(shù)據(jù)信息。如開發(fā)工具使用Visual Basic6.0，首先需要安裝OPC自動化接口服務。自動化接口封裝了COM底層的許多實現(xiàn)，使用戶能比較輕松地進行數(shù)據(jù)訪問。西門子提供了用于二次開發(fā)的OEM軟件包，安裝后，會在計算機目錄下產(chǎn)生 SOPCDAAuto.dll以及 SOPCAEAUTO.dll兩個文件，分別對應于數(shù)據(jù)訪問規(guī)范和報警與事件規(guī)范自動化接口，供用戶調(diào)用。以數(shù)據(jù)訪問規(guī)范自動化接口的使用為例，OPC服務器端與客戶端數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程實際上是一個交互過程，其過程如圖6所示。程序部分示例如下：

（1）啟動VB，新建一工程OPCClient，在VB主菜單的“工程”項中選擇“引用”，在彈出窗口可用的引用選項中選擇“SIEMENS OPC DAAutomation 2.0”，就可以使用數(shù)據(jù)訪問規(guī)范自動化接口。（報警與事件引用的是“SIEMENS OPC ALARMEVENT AUTOMATION 1.0”，方法類似。）

（2）聲明使用的對象及變量

（3）連接OPC服務器、建立OPC組和添加OPC項

其中，SET ITEM語句中可根據(jù)需要填入監(jiān)控的內(nèi)容，按實際需求創(chuàng)建。如″/Channel/GeometricAxis/actToolBasePos［u1，1］″可得到第一個通道的第一根軸的坐標值，通常為X軸坐標值，而″/PLC/Input/Byte［32］″則可得到PLC輸入第32字節(jié)的狀態(tài)。詳細內(nèi)容可參閱西門子相關技術手冊。

（4）實現(xiàn)同步讀寫

（5）斷開OPC服務器，釋放對象

所設計的測試程序界面及測試現(xiàn)場如圖7、圖8所示。在監(jiān)控程序運行時，客戶端能順利實現(xiàn)按照指定的采集頻率對數(shù)據(jù)進行采集，并實時在界面上顯示相關信息的內(nèi)容，或者對數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送相應的指令或數(shù)據(jù)，控制機床運動或修改相關參數(shù)。

3.4 數(shù)控系統(tǒng)以及客戶端計算機的配置

OPC服務器和客戶端之間的通信基于COM/DCOM技術。COM是一種通用的與語言無關的二進制標準，它提供組件之間通信的標準接口，是一種跨平臺的開放結構，用于開發(fā)基于面向?qū)ο蠹夹g的客戶端/服務器應用程序。作為COM技術擴展的DCOM技術，更可以使COM組件分布在不同的計算機上，通過網(wǎng)絡互連并互相交換數(shù)據(jù)。所以在實際監(jiān)控系統(tǒng)運行前，還需要分別對服務器和客戶端計算機進行相應DCOM配置。

4 結語

基于OPC技術的數(shù)控機床遠程監(jiān)控技術以OLE/DCOM為技術基礎，可充分利用以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢，具有數(shù)據(jù)傳輸實時性強、可靠性高的特點，非常適合于在組成了車間級網(wǎng)絡的大型企業(yè)中使用。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場今后的數(shù)控機床采用的是西門子、FANUC或其他品牌的數(shù)控系統(tǒng)，只要它支持OPC技術，并提供相應的服務器接口，客戶端都可以用統(tǒng)一的方式去訪問，并將它納入本監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍內(nèi)，無需增加額外的數(shù)據(jù)采集設備，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性。本系統(tǒng)開發(fā)后經(jīng)測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達到了預期的效果和設計要求，可實現(xiàn)數(shù)控機床的監(jiān)控和集中管理，大大提高數(shù)控機床的管理效率，具有良好的應用前景。

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［2］樊留群，張為民，等.840D數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)應用［J］.機械與電子，2002（5）：6 －8.

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The Research on Machine Tool Remote Control and Supervisory Technology Based on OPC Technology

YANG Jiarong，XU Zhiming，WANG Changfu
（Shanghai Electric Group Co.，Ltd.，Shanghai 200070，CHN）

This paper introduced the OPC technology，discussed it’s working principle and developed a machine tool remote control and supervisory system based on OPC technology.It can exchange data between Siemens Sinumerik 840D CNC controller and the remote computer.By reading data and sending commands to the CNC controller，it realized to manage and supervise multi machine tools in real time and centralization.

OPC；Remote Control and Supervisory；CNC

* 國家科技重大專項《高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備》（編號：2009ZX04014－103）

楊家榮，男，1981年生，工程師，主要研究方向：開放式數(shù)控技術，數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)等。

（編輯 譚弘穎） （

2010－02－25）

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