基于OPC的可重構(gòu)制造單元控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李紹成，朱典想， 陳富林

（1.南京林業(yè)大學(xué) 工業(yè)學(xué)院，南京 210037；2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

為了滿足多變的市場(chǎng)需求，可重構(gòu)制造系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)是一種新型的制造系統(tǒng)，主要通過制造單元重構(gòu)和設(shè)備重構(gòu)來滿足變品種的工件加工要求[1～4]。制造單元重構(gòu)的關(guān)鍵是要有可重構(gòu)的控制系統(tǒng)，因此，對(duì)可重構(gòu)制造單元控制技術(shù)進(jìn)行研究具有較好的應(yīng)用前景。

1 可重構(gòu)制造單元控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 OPC技術(shù)在制造單元控制中的作用分析

OPC（OLE for Process Control）是用于過程控制的OLE技術(shù)[5,6]。OPC技術(shù)出現(xiàn)之前，控制系統(tǒng)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換是通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的。OPC技術(shù)的出現(xiàn)將設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序從控制系統(tǒng)中獨(dú)立出來，封裝成OPC服務(wù)器?？刂葡到y(tǒng)只要具有OPC客戶端接口，就可以訪問任何提供了OPC服務(wù)器的設(shè)備，如圖1所示。OPC技術(shù)為制造單元控制帶來了以下好處：

1）OPC技術(shù)使控制系統(tǒng)與設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)化，降低了控制系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高了控制系統(tǒng)的可維護(hù)性。

2）OPC客戶端和服務(wù)器可以分布在局域網(wǎng)的不同計(jì)算機(jī)上，使得控制系統(tǒng)的分布與系統(tǒng)硬件的分布無關(guān)，便于系統(tǒng)硬件配置。

3）OPC技術(shù)使控制系統(tǒng)的開放性提高。

1.2 基于OPC的可重構(gòu)制造單元控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)可重構(gòu)制造單元的控制結(jié)構(gòu)要求，借鑒遞階式控制結(jié)構(gòu)的思想，建立了圖2所示的基于OPC的可重構(gòu)制造單元控制結(jié)構(gòu)。

這種控制結(jié)構(gòu)從功能上看表現(xiàn)為三層：?jiǎn)卧獙?、工作站層和設(shè)備接口層。這種體系結(jié)構(gòu)是由遞階式控制結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來的，保持了遞階式控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又具有一些新的特點(diǎn)：

1）與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，增加了一個(gè)連接層：設(shè)備接口層。這樣上層控制軟件由與設(shè)備的直接通信轉(zhuǎn)化為與設(shè)備接口控制實(shí)體的通信，降低了上層控制軟件的復(fù)雜性，并提高了控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和擴(kuò)充性。

2）單元層所需的設(shè)備狀態(tài)信息是從設(shè)備接口控制實(shí)體中直接獲得的，從而提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3）設(shè)備接口控制實(shí)體含有按照OPC規(guī)范設(shè)計(jì)的客戶端接口，極大地提高了控制系統(tǒng)的可維護(hù)性。

1.3 可重構(gòu)制造單元控制系統(tǒng)開發(fā)方法

由圖2可以看出，按照本文提出的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可重構(gòu)制造單元控制系統(tǒng)應(yīng)該是多個(gè)功能模塊的有機(jī)組合體，能夠方便地添加或修改某些功能模塊，以滿足控制系統(tǒng)的功能變更、擴(kuò)展和升級(jí)需求，而對(duì)其它功能模塊不產(chǎn)生影響。為此，本文采用了基于COM/DCOM規(guī)范開發(fā)的組件來構(gòu)造可重構(gòu)制造單元控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)與開發(fā)

由上述的可重構(gòu)制造單元控制結(jié)構(gòu)和軟件開發(fā)方法可知，在可重構(gòu)制造單元控制系統(tǒng)開發(fā)過程中主要運(yùn)用OPC技術(shù)和組件技術(shù)。

2.1 OPC服務(wù)器開發(fā)

本文開發(fā)的OPC服務(wù)器是采用拓林開發(fā)工具包實(shí)現(xiàn)的。該OPC服務(wù)器是一個(gè)進(jìn)程外組件，符合標(biāo)準(zhǔn)的OPC服務(wù)器規(guī)范，具有如下功能：注冊(cè)和注銷；工具包動(dòng)態(tài)庫的初始化和清除；服務(wù)器信息設(shè)置；OPC項(xiàng)的創(chuàng)建與刪除；OPC項(xiàng)數(shù)據(jù)的更新；OPC服務(wù)器與客戶程序的數(shù)據(jù)交換等。

2.2 功能組件詳細(xì)設(shè)計(jì)

功能組件包括工作站組件和設(shè)備接口組件，本文是利用ActiveX 技術(shù)來開發(fā)工作站組件和設(shè)備接口組件的[7,8]。

由于篇幅限制，這里僅介紹設(shè)備接口組件的詳細(xì)設(shè)計(jì)思路。設(shè)備接口組件主要完成兩方面任務(wù)：一方面，接收上層控制軟件發(fā)送的設(shè)備動(dòng)作指令，通過OPC客戶端接口寫入相應(yīng)設(shè)備的OPC服務(wù)器；另一方面通過OPC客戶端接口采集設(shè)備的輸出值，并將輸出值與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)反饋給上層控制軟件。圖3為設(shè)備接口組件的運(yùn)行控制流程圖。

2.3 單元控制器詳細(xì)設(shè)計(jì)

單元控制器是控制系統(tǒng)的核心，主要由布局配置、加工計(jì)劃制定、加工路徑設(shè)置和運(yùn)行控制四個(gè)模塊組成。

布局配置模塊為用戶提供一個(gè)圖形建模的交互界面，用戶可以方便地構(gòu)造出與制造單元物理系統(tǒng)一致的圖形布局。

加工計(jì)劃制定模塊主要負(fù)責(zé)加工任務(wù)的輸入和加工計(jì)劃的自動(dòng)生成。

加工路徑配置模塊主要用于配置工件的加工路徑。

運(yùn)行控制模塊主要是根據(jù)加工計(jì)劃、加工路徑和系統(tǒng)的狀態(tài)信息依次向工作站組件或設(shè)備接口組件發(fā)送任務(wù)信息或控制命令，并通過設(shè)備接口組件獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，利用設(shè)備資源控件顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

3 原型系統(tǒng)應(yīng)用與結(jié)果分析

在研究過程中開發(fā)了常用的設(shè)備顯示控件、設(shè)備接口組件、工作站組件和單元控制器。對(duì)這些控件、組件進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲煤?，就可以?gòu)建出一個(gè)制造單元控制系統(tǒng)。

3.1 在FMS上的應(yīng)用

Denford公司的FMS系統(tǒng)是一套小型的柔性制造系統(tǒng)，由一臺(tái)ORAC數(shù)控車床、一臺(tái)TRIAC數(shù)控銑床、兩臺(tái)日本三菱公司的RM-501型機(jī)械手和一條環(huán)形傳送帶組成。

對(duì)本文研究中所開發(fā)的OPC服務(wù)器、設(shè)備控件、功能組件和單元控制器進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇和配置，可以快速地構(gòu)建出圖4所示結(jié)構(gòu)的FMS控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行的主界面如圖5所示。

3.2 結(jié)果分析

目前該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，已用于碩士研究生和本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本文設(shè)計(jì)開發(fā)的控制系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：能適應(yīng)系統(tǒng)的伸縮性要求；能適應(yīng)系統(tǒng)布局變化要求；能適應(yīng)工件加工工序變化要求；能適應(yīng)硬件設(shè)備升級(jí)要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)的基于OPC的可重構(gòu)制造單元控制系統(tǒng)滿足制造系統(tǒng)快速重構(gòu)控制要求，今后，隨著對(duì)控制系統(tǒng)軟件的進(jìn)一步改進(jìn)和完善，可以將其應(yīng)用于企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)制造單元中。因此，本文的研究成果為可重構(gòu)制造系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

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