基于西門子數(shù)控系統(tǒng)的機床加工過程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

鄧志剛，燕繼明，吳 瑜

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610092)

隨著我國制造業(yè)信息化的快速推進，許多企業(yè)都建立了基于ERP(Enterprise Resource Planning)-MES(Manufacturing Execution System)體系的生產(chǎn)管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)計劃與計劃執(zhí)行的統(tǒng)一，但由于缺少制造執(zhí)行終端(Manufacturing Execution Terminal，MET)的實時加工信息，系統(tǒng)準確性沒有保證，其效率也大打折扣。

一個高效的生產(chǎn)管控系統(tǒng)能否良好運營，關(guān)鍵是使計劃與生產(chǎn)密切配合，生產(chǎn)管理人員可以實時地掌握生產(chǎn)現(xiàn)場，特別是加工設(shè)備的變化，做出準確的判斷和快速的應(yīng)對措施，保證生產(chǎn)計劃得到合理且快速的修正；因此，該系統(tǒng)應(yīng)該是由ERP、MES和MET組成的閉環(huán)系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 由ERP、MES、MET組成的閉環(huán)系統(tǒng)

目前，國內(nèi)運行的多數(shù)生產(chǎn)管控系統(tǒng)都是通過人工方式搜集MET對計劃的執(zhí)行情況，不僅浪費人力，而且缺乏實時性，很多時候反饋到MES的信息都不是現(xiàn)場最新的狀況，導致系統(tǒng)各部分不能很好地協(xié)調(diào)運行，效率降低，生產(chǎn)管控效果也較差。要提高MET的反饋速度，使MET的任何變化都能自動、實時地反饋給MES，切實地保障系統(tǒng)的高效運行，就必須將MET數(shù)字化，實現(xiàn)對數(shù)控機床加工過程的實時監(jiān)控。

西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)，是一款功能強大的中高檔數(shù)控系統(tǒng)，主要應(yīng)用在四坐標以上的中高檔數(shù)控機床上，特別在航空零件加工的設(shè)備上更是主流配置。本文即以配置西門子840D sl系統(tǒng)的數(shù)控機床加工過程監(jiān)控為例，介紹如何構(gòu)建數(shù)控機床加工過程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 西門子840D sl系統(tǒng)簡介

西門子840D sl系統(tǒng)是一款結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大的數(shù)控系統(tǒng)[1]，主要由數(shù)控單元NCU(Numerical Control Unit)、人機交互系統(tǒng)HMI(Human Machine Interface)、PLC模塊和驅(qū)動系統(tǒng)組成。其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2 基于OPC UA技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)原理

對配置西門子840D sl系統(tǒng)的數(shù)控機床加工過程實施監(jiān)控，需使用西門子提供的OPC UA功能包。

開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu)(OPC Unified Architecture，OPC UA)是由OPC基金會推出并維護的一個新的工業(yè)軟件接口規(guī)范。其特點如下：1)該規(guī)范基于TCP/IP通信，利用Web Service技術(shù)、XML技術(shù)以及.NET架構(gòu)，實現(xiàn)了多平臺的互操作性；2)該規(guī)范集成的OPC UA數(shù)據(jù)加密功能符合國際安全標準，為Internet及各企業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的遠程訪問和數(shù)據(jù)共享、客戶端和服務(wù)器之間的安全通信提供了保障。

西門子840D sl系統(tǒng)通過OPC UA通信協(xié)議與數(shù)控系統(tǒng)底層進行通信，實現(xiàn)監(jiān)控變量數(shù)據(jù)的可配置與靈活調(diào)整，包括對加工執(zhí)行系統(tǒng)、軸通道數(shù)據(jù)和刀具等輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)的配置。OPC UA與數(shù)控系統(tǒng)通信架構(gòu)如圖3所示。

圖3 OPC UA監(jiān)控架構(gòu)

西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)通過OPC UA通信方式，實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)NCU中各種系統(tǒng)變量的讀取，包括機床數(shù)據(jù)(各軸坐標位置、刀具信息等)和加工數(shù)據(jù)等，從而實現(xiàn)對數(shù)控機床加工過程的實時監(jiān)控。

3 基于西門子數(shù)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 實時監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

實時監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。該架構(gòu)由機床運行信息采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層構(gòu)成。機床運行信息采集層實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場各單臺機床數(shù)字化模型中動態(tài)屬性的實時采集，數(shù)據(jù)傳輸層完成對采集到的數(shù)據(jù)進行分類傳輸，數(shù)據(jù)處理層將所有傳輸來的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，完成每臺設(shè)備的數(shù)字化(虛擬化)，應(yīng)用層實現(xiàn)對機床反饋的加工運行信息的應(yīng)用及對MES系統(tǒng)的信息反饋。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 采集層實現(xiàn)

3.2.1 采集層設(shè)計目標

采集層是加工過程監(jiān)控的基礎(chǔ)，只有實時地獲取數(shù)控機床的加工狀態(tài)，監(jiān)控才有意義。

基于西門子840D sl系統(tǒng)的OPC UA，實現(xiàn)對該類數(shù)控設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和加工過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，具體數(shù)據(jù)項包括零件圖號、NC程序名稱、NC程序起/停時間、刀具信息、加工坐標值和報警信息等。這些信息全面描述了設(shè)備加工過程的狀態(tài)，使用后文介紹的技術(shù)，實時采集到這些信息，可以精確地滿足監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

3.2.2 機床端客戶應(yīng)用設(shè)計

基于OPC UA通信的監(jiān)控程序工作流程如圖5所示。

圖5 客戶端工作流程

具體設(shè)計如下。

1)建立Server連接。建立Session：

private bool ConnectOpcServer(string serverUrl, string nameSpaceURI, ref string sErr)

void TcpClientConnect(ref string serr)

例：

Url： opc.tcp://192.168.0.3:4840

2)建立監(jiān)控變量。建立讀取變量函數(shù)：

private Siemens.OpcUA.Subscription m_Subscipition;

private Siemens.OpcUA.Subscription m_SubscipitionBlock;

Variant value = new Variant(Convert.ChangeType(valueToWrite,nodeIdDataType .GetType ()));

3)讀入節(jié)點屬性及值。節(jié)點屬性(Attritube)被用來描述節(jié)點，一個節(jié)點的屬性取決于NodeClass，但每個節(jié)點有一些通用屬性，例如：Nodeld，NodeClass，BrowseName，DisplayName，Description等。

NodeIdCollection nodesToRead = new NodeIdCollection();

DataValueCollection results;

nodesToRead.Add(Variables.Server_NamespaceArray);

// Read the namespace array

m_Server.ReadValues(nodesToRead, out results);

if ((results.Count != 1) || (results[0].Value.GetType() != typeof(string[])))

{sErr = "Reading namespace table returned unexptected result";

return false; }

4)數(shù)據(jù)傳輸和處理。采集到的實時數(shù)據(jù)傳輸處理流程如圖6所示，采用機床采集器→PC中繼器→中控處理器3層傳輸處理模式，在中繼器收到采集器采集的實時數(shù)據(jù)后進行轉(zhuǎn)儲和轉(zhuǎn)發(fā)，最后發(fā)送到中控處理器分析處理后寫入數(shù)據(jù)庫中。

圖6 系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)傳輸處理流程

為了實現(xiàn)分布式開放性的多層服務(wù)架構(gòu)，完成上下游服務(wù)之間的準確通信和數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)需設(shè)計專用的通信協(xié)議，將采集到的數(shù)據(jù)(含動態(tài)屬性)和相應(yīng)設(shè)備的靜態(tài)屬性信息組裝，可用以下格式：

命令號##密碼##數(shù)據(jù)編號##設(shè)備編號##加密實時信息流串

3.3 數(shù)據(jù)展示

實時監(jiān)控系統(tǒng)的表現(xiàn)是建立網(wǎng)站應(yīng)用，利用采集器采集過濾后的機床數(shù)據(jù)，在中控服務(wù)器進行統(tǒng)計分析，實現(xiàn)機床加工狀態(tài)實時信息的可視化、機床使用效率分析、零件加工過程分析及回溯功能等。網(wǎng)站系統(tǒng)采用B/S模式，以VS.NET作為開發(fā)工具，使用ASP.NET開發(fā)展示界面，C#作為后臺開發(fā)語言，另外還使用了第三方圖表控件。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)使用ORACLE 9i。整體效果如圖7所示。

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)整體效果

設(shè)備實時監(jiān)控模塊(見圖8)實現(xiàn)對設(shè)備實時狀態(tài)和設(shè)備實時加工信息監(jiān)控。設(shè)備效能分析模塊(見圖9)通過實時采集數(shù)控機床的運行狀態(tài)、加工時間和停機時間等，應(yīng)用《數(shù)控設(shè)備綜合應(yīng)用效率與測評》(OAEE)標準，自動準確計算出機床的關(guān)鍵績效指標(KPI)，實現(xiàn)了數(shù)控機床的自動綜合測評。

圖8 實時采集數(shù)據(jù)項

圖9 效能分析頁面

4 系統(tǒng)使用說明

4.1 實時監(jiān)控部署

實時監(jiān)控部署如下。

1)查驗監(jiān)控項變量地址。使用OPC UA功能包中[2]UAClient 的客戶端，可以瀏覽系統(tǒng)支持的變量(見圖10)。高版本的系統(tǒng)軟件支持更多的系統(tǒng)變量。通過客戶端可以瀏覽的變量支持監(jiān)控功能(subscription 功能)。

圖10 變量地址查驗

2)配置預期指標項變量(見表1)。Server 瀏覽的變量只是變量陣列中的第1個變量，若想讀取該類型其他索引號變量，需要增加響應(yīng)的信息。如變量“/Channel/MachineAxis/actToolBasePos”只對應(yīng)于通道1 的X軸坐標位置，相當于“/Channel/MachineAxis/actToolBasePos [u1,1]”。同樣，變量“/Channel/MachineAxis/actToolBasePos [u1, 3]”讀取通道1的Z軸坐標位置。

表1 指標項變量表

3)注冊、啟動監(jiān)控服務(wù)。注冊方法：“開始”→“運行CMD”，將框架服務(wù)注冊程序、采集客戶端服務(wù)程序同時執(zhí)行即可。

啟動客戶端部署上位機“服務(wù)”管理，確認客戶端服務(wù)注冊，啟動服務(wù)即可。

OPC UA服務(wù)端、客戶端通信日志確認，如圖11所示。

圖11 監(jiān)控服務(wù)啟動日志

4.2 常見問題及處理方法

常見問題及處理方法如下。

1)運行環(huán)境異常。監(jiān)控服務(wù)啟動或運行Siemens.OpcUA.Client 報錯，報錯提示為“ConnectFailed：Could not add self-signed certificate to certificate store.” 原因是缺.NET環(huán)境或環(huán)境版本較低，安裝對應(yīng)版本.NET環(huán)境即可。

2)數(shù)控系統(tǒng)版本不符合要求。西門子840D sl系統(tǒng)OPC UA功能要求數(shù)控系統(tǒng)版本為V4.05及以上版本，在實際應(yīng)用驗證過程中，部分設(shè)備實時監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)運行6 h左右，出現(xiàn)各軸坐標、主軸負載等變量值讀取失敗(見圖12)，與運行“Siemens.OpcUA.SimpleClient”輸入對應(yīng)變量地址進行值讀取表現(xiàn)一致。原因是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)控系統(tǒng)為V4.05的設(shè)備，系統(tǒng)補丁存在不同版本(SP1～SP6)，當補丁版本低于SP5的設(shè)備時存在上述異常，將升級系統(tǒng)補丁至SP5及以上版本后，異常消除。

圖12 變量地址取值失敗

5 結(jié)語

本文基于西門子840D sl數(shù)控系統(tǒng)，介紹了數(shù)控機床加工過程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)，基于其他數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法類似。該類監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠作為監(jiān)控數(shù)控機床加工過程的系統(tǒng)獨立運行，而且可以很方便地與ERP-MES集成，成為一套閉環(huán)的生產(chǎn)管控系統(tǒng)，為生產(chǎn)管控提供實時的現(xiàn)場第一手生產(chǎn)信息，使企業(yè)的生產(chǎn)管控更加精細、及時，能夠促進企業(yè)生產(chǎn)效率的提高。