機床大數(shù)據(jù)采集與存儲技術(shù)研究

摘要：為實現(xiàn)不同廠商、不同品牌數(shù)控系統(tǒng)及不同通信接口的機床數(shù)據(jù)采集，研究探討一種車間數(shù)控機床規(guī)?；瘮?shù)據(jù)采集的方法，通過直接與NCDDE服務(wù)器進行DDE會話建立通信的方式來獲取所需的機床系統(tǒng)數(shù)據(jù)。設(shè)計大數(shù)據(jù)采集工具MDA，嵌入機床，采用DDE技術(shù)與NCDDE服務(wù)器實時交互，獲取NC/PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)，采集坐標(biāo)位置、移動速度、進給倍率，負(fù)載、電壓、電流、扭矩，刀具壽命、尺寸、磨損等數(shù)據(jù)。數(shù)采工具MDA和數(shù)據(jù)處理單元Gateway通信，Gateway將接收并處理采集的數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)緩存文件上傳至數(shù)據(jù)庫中進行存儲。數(shù)據(jù)處理和緩存的系統(tǒng)性能損耗全部轉(zhuǎn)移至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集;MDA;DDE;Gateway

0? ? 引言

近年來，隨著生產(chǎn)車間自動化水平的不斷提升，企業(yè)對生產(chǎn)效率的要求也越來越高。尤其是國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的蓬勃發(fā)展，迫切要求制造車間能夠提升信息化管理水平，為車間透明化生產(chǎn)提供助益。對于機加行業(yè)的生產(chǎn)管理者來說，刀具管理一直是一項非常重要的工作內(nèi)容。刀具的使用與保養(yǎng)、刀具如何快速更換、如何減少斷刀故障、刀具成本核算等一直是企業(yè)管理者關(guān)心的重要課題，特別是對于生產(chǎn)昂貴產(chǎn)品（諸如汽車發(fā)動機、變速箱等）的制造企業(yè)，其往往高價購買進口機床，機床生產(chǎn)相對穩(wěn)定，故障率低，使用高可靠性刀具以及減少換刀時間可帶來明顯的經(jīng)濟效益。這些相關(guān)課題的深入研究都需要以從機床系統(tǒng)采集大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

在機加生產(chǎn)企業(yè)的車間現(xiàn)場，一般都會有來自不同廠商品牌的機床，使用的數(shù)控系統(tǒng)也不盡相同，同品牌的數(shù)控系統(tǒng)也存在因產(chǎn)品的更新迭代造成的系統(tǒng)通信接口差異很大……種種因素為車間信息化之路帶來了不少阻力。

針對這一現(xiàn)狀，本文研究探討一種車間數(shù)控機床規(guī)?；瘮?shù)據(jù)采集的方法。結(jié)合課題實際情況，借助于局域網(wǎng)，實現(xiàn)計算機與車間50臺西門子840D/840D SL數(shù)據(jù)系統(tǒng)的通信，遠程采集數(shù)控系統(tǒng)的相關(guān)坐標(biāo)位置、軸負(fù)載參數(shù)、刀具等信息，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時穩(wěn)定存儲，為后續(xù)借助互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1? ? 西門子840D/840D SL數(shù)控系統(tǒng)采集方式簡介

西門子840D系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代推出的高性能數(shù)控系統(tǒng)，采用Windows XP作為操作系統(tǒng)，擁有比同時期一般數(shù)控系統(tǒng)更好的人機交互和上層應(yīng)用能力。接口相對豐富，但不支持OPC UA等現(xiàn)在應(yīng)用較廣的數(shù)據(jù)采集方式。840D SL系統(tǒng)則是近年來西門子主流的高性能數(shù)控系統(tǒng)，接口豐富，支持OPC UA等近來使用較廣泛的數(shù)據(jù)通信方式。基于本文研究實際情況，為統(tǒng)一數(shù)采方式，OPC UA的采集方式不做討論。目前常見的幾種采集840D/840D SL系統(tǒng)數(shù)據(jù)的方式如圖1所示。

（1）通過PLC方式采集。將所需的NC變量通過西門子軟件NC-Var-Selector提取，生成PLC程序可識別的*.awl的源文件，然后再通過PLC編程塊FB2編程，讀寫NC變量。

這種方式存在的問題是，如果存在大量數(shù)據(jù)在NC/PLC之間交換，容易出現(xiàn)通信數(shù)據(jù)堵塞的情況，對機床的運行性能產(chǎn)生影響。

（2）通過NCDDE方式采集。840D和840D SL控制器中包含一個叫做NCDDE的數(shù)據(jù)通信接口程序，可通過編寫動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）通信程序，實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。這是一種早期的Windows操作系統(tǒng)用戶程序間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)。用戶可通過自定義的運行程序與NC系統(tǒng)運行的程序?qū)崿F(xiàn)通信，交換所需的數(shù)據(jù)。

在常見的監(jiān)控方式中也普遍采用的是數(shù)據(jù)采集工具直接與NCDDE服務(wù)器進行通信或通過Visual Basic控制組件DCTL控制器開發(fā)用戶程序與NCDDE服務(wù)器進行通信，來獲得數(shù)控系統(tǒng)NC/PLC數(shù)據(jù)。

本文即通過直接與NCDDE服務(wù)器進行DDE會話建立通信的方式來獲取所需的機床系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

2? ? 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容與要求

2.1? ? 數(shù)據(jù)的實時性、準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性

對于實時采集的數(shù)據(jù)，以1 s的采集周期采集所需數(shù)據(jù)。對于更新速率較低的數(shù)據(jù)，如刀具相關(guān)值，可采用2 min的采集周期。

采集數(shù)據(jù)應(yīng)與實際值正確關(guān)聯(lián)對應(yīng)，避免不同軸的數(shù)據(jù)錯位情形;采集的穩(wěn)定性方面，要求日數(shù)據(jù)丟失率不高于0.1%。

2.2? ? 數(shù)據(jù)歸檔要求

對于重要的分析數(shù)據(jù)如各伺服軸和主軸功率、負(fù)載、電流，主軸溫度，刀具等，需要做歸檔處理;對于實時監(jiān)控用的數(shù)據(jù)如軸的速度、坐標(biāo)等值，可僅做實時呈現(xiàn)，不做存儲。

2.3? ? 采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容

所有伺服軸、主軸的相關(guān)數(shù)據(jù)，刀具的相關(guān)數(shù)據(jù)。具體如下：

（1）軸數(shù)據(jù)：坐標(biāo)位置、移動速度、進給倍率等;

（2）驅(qū)動數(shù)據(jù)：負(fù)載、電壓、電流、扭矩等;

（3）刀具數(shù)據(jù)：刀具壽命、尺寸、磨損值等。

3? ? 數(shù)據(jù)采集架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計大數(shù)據(jù)采集工具MDA，嵌入機床，采用DDE技術(shù)與NCDDE服務(wù)器實時交互，獲取NC/PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)，具體采集架構(gòu)如圖2所示。MDA采集數(shù)據(jù)后，發(fā)送給Gateway網(wǎng)關(guān)。Gateway是數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)處理后存儲至數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫采用Oracle數(shù)據(jù)庫。

3.1? ? DDE技術(shù)簡介

DDE是一種動態(tài)數(shù)據(jù)交換機制，它采用Windows內(nèi)部通信機制，使用共享內(nèi)存在程序之間交換數(shù)據(jù)，一個應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)，可通過DDE服務(wù)器自動更新至另一個應(yīng)用程序。

DDE協(xié)議采用三層識別系統(tǒng)：服務(wù)名（service）、主題名（topic）、項目名（item），兩個程序間DDE通信稱為“DDE會話”（即進行數(shù)據(jù)交換活動），通常提供數(shù)據(jù)源的一方稱之為服務(wù)器應(yīng)用程序（服務(wù)器），獲取數(shù)據(jù)的一方稱之為客戶應(yīng)用程序（客戶）。服務(wù)器應(yīng)用程序應(yīng)首先運行，再由客戶應(yīng)用程序啟動，發(fā)起會話。如表1所示，客戶應(yīng)用程序可通過三種鏈接方式進行數(shù)據(jù)交換：冷鏈接（Cold Link）、溫鏈接（Warm Link）和熱鏈接（Hot Link）。

3.2? ? 數(shù)據(jù)采集框架設(shè)計

數(shù)采工具MDA和數(shù)據(jù)處理單元Gateway的通信與設(shè)計是本課題實現(xiàn)的核心。

如圖3所示，數(shù)據(jù)采集及存儲主要有兩種思路：

（1）思路一：考慮MDA直接與數(shù)據(jù)庫進行通信，存儲數(shù)據(jù)，在機床設(shè)置緩存機制，確保數(shù)據(jù)庫異常的情況下，也不致引起數(shù)據(jù)丟失。但這種方式存在的問題是，數(shù)據(jù)的采集及處理全部放置在機床端，對系統(tǒng)資源占用率較高，會影響到系統(tǒng)性能，給生產(chǎn)帶來安全隱患。

（2）思路二：MDA僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)，設(shè)計數(shù)據(jù)處理網(wǎng)關(guān)Gateway將接收并處理采集的數(shù)據(jù)，最后借助數(shù)據(jù)緩存文件上傳至數(shù)據(jù)庫中進行存儲。數(shù)據(jù)處理和緩存的系統(tǒng)性能損耗全部轉(zhuǎn)移至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端，這可通過選擇高性能的服務(wù)器解決服務(wù)器資源消耗的問題。

MDA和Gateway各自負(fù)責(zé)的內(nèi)容如圖4所示。

其中Socket傳輸?shù)膱笪脑O(shè)計按照【報文頭+數(shù)據(jù)】格式，報文頭設(shè)計有【時間戳+數(shù)據(jù)源地址+報文類型+后續(xù)長度】，這樣在報文數(shù)據(jù)解析時，時間戳來自機床，可確保數(shù)據(jù)采集時間的準(zhǔn)確性，在部署前應(yīng)啟用Windows時間同步的功能。

3.3? ? 數(shù)采工具MDA開發(fā)設(shè)計

MDA通過DDE技術(shù)訪問840D的NCDDE服務(wù)器讀取機床NC數(shù)據(jù)和PLC數(shù)據(jù)，集成Socket通信的相關(guān)組件，生成數(shù)據(jù)傳送的報文發(fā)送給Gateway。MDA采用VB編程開發(fā)，生成可執(zhí)行文件，嵌入至840D系統(tǒng)中，并設(shè)置隨機床啟動，如圖5所示。

在實際開發(fā)時，主要考慮如下幾個因素：

（1）數(shù)據(jù)實時性。如軸的坐標(biāo)、電流、負(fù)載等值，在采集時要求有較高的采集頻率，才能準(zhǔn)確觀察生產(chǎn)過程中的軸數(shù)據(jù)變化規(guī)律。

（2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要確保DDE變量的路徑正確性。不同機臺和不同型號的機床，同一軸可能對應(yīng)不同的變量路徑，錯誤的路徑將導(dǎo)致DDE出現(xiàn)錯誤，影響采集的效率。

（3）數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。MDA定時采集數(shù)據(jù)可通過定時器觸發(fā)，但VB自帶定時器穩(wěn)定性難以保證，易造成比較嚴(yán)重的數(shù)據(jù)丟失，約在20%。因此，通過自行設(shè)計定時器，確保Timer事件能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定觸發(fā)。

（4）報文傳輸效率。通過分開自行設(shè)計傳實數(shù)值的報文和傳刀具的報文（數(shù)據(jù)包含字符串），提高數(shù)據(jù)處理的效率：

1）數(shù)值處理。類似軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)、速度、負(fù)載、電流、扭矩、功率等實數(shù)值，在進行報文傳輸時，可乘以一定的系數(shù)轉(zhuǎn)化為整數(shù)值再進行傳輸。

2）數(shù)據(jù)壓縮。報文傳輸整數(shù)值應(yīng)采用十六進制數(shù)而非轉(zhuǎn)化為字符串，可有效降低報文長度，提高數(shù)據(jù)處理的速度。

3）報文的靈活性。設(shè)置不同類型報文，傳輸不同類型的數(shù)據(jù)。采用固定長度的報文數(shù)據(jù)格式，有利于報文解析和數(shù)據(jù)擴充。

3.4? ? 數(shù)據(jù)處理Gateway網(wǎng)關(guān)設(shè)計開發(fā)

Gateway基于.Net平臺，采用C#開發(fā)可執(zhí)行的exe文件。Gateway執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲采用緩存機制：當(dāng)在數(shù)據(jù)采集服務(wù)器運行的Gateway啟動后，可與MDA建立Socket通信，發(fā)送和接收報文。Gateway解析報文，并整理數(shù)據(jù)生成可執(zhí)行的SQL語句，存入數(shù)據(jù)緩存文件中。然后Gateway定時檢查并執(zhí)行緩存文件中的SQL語句，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫進行存儲。

采用緩存數(shù)據(jù)文件的設(shè)計機制既保證了在進行大數(shù)據(jù)采集時快速的數(shù)據(jù)處理能力，又可防止在數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)異常時（數(shù)據(jù)庫滿或其他阻塞數(shù)據(jù)存儲的情形）造成數(shù)據(jù)的異常丟失。當(dāng)與數(shù)據(jù)庫的通信恢復(fù)后，Gateway將自動繼續(xù)執(zhí)行緩存文件中的數(shù)據(jù)條目，保證數(shù)據(jù)存儲的穩(wěn)定性。

3.5? ? 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫中設(shè)計變量存儲表，并設(shè)計數(shù)據(jù)存儲過程save_num_

in和save_str_in保存值類型數(shù)據(jù)和字符串類型數(shù)據(jù)。

Gateway處理報文后，可將數(shù)據(jù)整合成執(zhí)行存儲過程的SQL語句存儲至緩存文件中，再執(zhí)行緩存文件中的語句將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，如圖6所示。

4? ? 機床刀具數(shù)據(jù)管理與采集

刀具壽命的采集主要是對刀具尺寸和壽命值的采集。西門子系統(tǒng)自帶有刀具管理系統(tǒng)，激活相應(yīng)的管理功能后，在刀具使用時，刀具將按照設(shè)定好的壽命計算方式、磨損值等自動更新刀具數(shù)據(jù)。其中西門子系統(tǒng)刀具壽命的監(jiān)控方式有三種：（1）按照加工時間監(jiān)控;（2）按照使用次數(shù)監(jiān)控;（3）按照磨損量進行監(jiān)控。課題研究中機床按照使用次數(shù)監(jiān)控。

圖7是機床刀具信息的相關(guān)畫面，數(shù)據(jù)采集時，每個刀片對應(yīng)有表2中的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要選擇所要采集的數(shù)據(jù)。具體按照刀具名稱和刀片可獲取指定刀片的數(shù)據(jù)。

因為刀具管理存在增加、刪除刀具的情形，在設(shè)計數(shù)據(jù)庫存儲刀具信息時，充分考慮了這一情形，設(shè)置靈活的數(shù)據(jù)存儲方式，確保數(shù)據(jù)存儲的正確性，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯位存儲的情形。

5? ? 結(jié)語

本文基于某機加制造車間的50臺西門子840D/840D SL數(shù)據(jù)系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了一套大數(shù)據(jù)采集的架構(gòu)，在進行數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上增加了可行的緩存機制，實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)穩(wěn)定存儲的功能，為機床刀具大數(shù)據(jù)分析和機床監(jiān)控以及刀具成本核算平臺提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)，也為車間信息化建設(shè)鋪平了道路。

[參考文獻]

[1] 楊家榮，徐志明，王浩林，等.基于DDE技術(shù)的機床遠程診斷技術(shù)研究[J].裝備機械，2010（2）：26-29.

[2] 高煒，姜萬生，張磊剛，等.NCDDE技術(shù)在機床遠程監(jiān)控中的應(yīng)用[J].機械工程師，2019（3）：73-75.

[3] 趙明生，李愛梅.DDE技術(shù)及其在先進控制技術(shù)中的應(yīng)用[J].計算機工程與設(shè)計，2005，26（9）：2546-2549.

[4] 朱傳敏，秦德斌.異構(gòu)數(shù)控機床群控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（3）：108-110.

[5] 肖士利.數(shù)控機床狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集與監(jiān)視系統(tǒng)的研究開發(fā)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

收稿日期：2020-08-13

作者簡介：于會龍（1979—），男，吉林長春人，工程師，研究方向：機床設(shè)計與制造。