基于OPC UA的828D数控机床远程监控系统设计

ZHANG Chi;WU Mingliang;LU Junqiang;XU Zhengjun;WU Mingyong

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【摘要】针对机械加工企业中底层加工设备与企业管理系统脱节的情况,基于OPC UA技术,设计开发了数控机床远程监控系统,利用OPC UA技术实现了底层设备与监控系统的数据交换,应用C#完成了上位监控界面的开发,通过数据库的事务发布配置实现了各个客户端与服务器的数据同步.同时,上位监控系统还实现了报警、数据统计等功能.运行测试显示,该系统运行稳定可靠.

【期刊名称】《机械制造与自动化》

【年(卷),期】2018(047)006

【总页数】4页(P186-189)

【关键词】828D;OPC UA;C#;数据同步;远程监控

人造卫星的资料【作者】ZHANG Chi;WU Mingliang;LU Junqiang;XU Zhengjun;WU Mingyong

光端机箱

【作者单位】;;;;

【正文语种】中文

【中图分类】TP277.2

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0 引言

“中国制造2025”中指出我国制造业的主攻方向为“智能化、服务化、环境化”，但是我国制造业在实际生产过程中，仍然存在着生产过程与企业的管理系统相脱节的问题。对此，不少科研单位都给出了相关的解决方案，但是在实际的生产过程中，尤其是轨道机车的轮轴加工过程中采用数控机床却没有具体的解决方案。

OPC UA技术是基于OPC基金会提供的新一代技术，安全、可靠，独立于厂商，实现原始数据和预处理的信息从制造层级到生产计划或ERP层级的传输。通过OPC UA，所有需要的信息在任何时间、任何地点对每个授权的应用，每个授权的人员都可用。这种功能独立于制造厂商的原始应用，编程语言和操作系统[1-2]。 OPC UA是目前已经使用的OPC 工业标准的补充，提供重要的一些特性，包括如平台独立性、扩展性、高可靠性和连接互联网

的能力[3-4]。而C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言；相较于VB、Java等其他面向对象语言，尤其是基于微软的操作系统，C#提供了丰富的类库。基于以上两点，文章中提出了一种基于OPC UA的数控机床远程监控系统解决方案，在这个方案中综合利用了C#、数据库技术、数据同步技术和相关的通信等技术，实现了加工过程的实时监控、机床状态的实时诊断以及客户端之间的数据同步。与其他的机床监控解决方案相比[5-7]，本文提出的方案具有以下3个优点：一是采用了基于C#的监控界面设计方法；这种方法具有移植性强和易于实现具体功能的优点；二是采用了基于OPC UA的数据通信协议，在这种通信框架下，数据的通信速度不仅得到了提升，并可同时监控的变量数量得到了大大的提升；三是采用了基于数据库技术的数据同步技术，这样可以在配置一个服务器的情况下，不同的客户端之间的数据同步得到可靠保证。因此，系统的开发和研究均具有很强的探索价值和实际意义。

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1 监控系统总体设计

1.1 监控系统总体方案分析

研究对象为5台双西门子SINUMERIK 828D系统的数控机床，因此总的监视容量为10套SIN

UMERIK 828D系统。同时机床监控系统要求系统的实时性强，因此选择了如下方案：整个系统采用C/S架构，采用面向对象的C#软件作为上位界面的开发软件，采用OPC UA通信协议作为系统数据采集以及数控系统与上位机之间的通信协议，选择SQL Server 2008作为服务器上的数据库软件，其他的客户端通过实时访问服务器的数据库实现客户端与服务器之间的数据同步。其主要的功能模块可分为数据采集单元配置、数据采集、数据同步通信、故障报警以及数据分析等，具体如图1所示。

图1 系统主要功能模块组成

1.2 系统网络构架的搭建

图2为系统网络构架图，整个监控系统可以分为三级：现场设备级、服务器级和远程客户端级[8-9]。现场设备级主要包括SINUMERIK 828D数控系统以及自身伴随

图2 系统网络构架

的一个西门子S7-200系列CPU；服务器级主要指的是通过OPC UA协议将采集到的机床信息存入到服务器的数据库中。在此过程中，数控系统作为OPC UA协议的服务器，而上位

机作为客户机，通过配置数控系统的MiniWeb server，设定管理员账号、密码和IP地址，打开4840端口，激活OPC UA服务器，即可完成数控系统OPC UA服务器的配置；远程客户端级的主要用户有机床的生产厂家以及机床拥有企业的监控管理员，可以通过使用“IP+端口”的方式实时地访问指定的数据库表，获得机床的实时信息。

2 各分系统的功能实现

2.1 基于C#的OPC UA数据访问及数据访问配置

OPC UA读取数据的方式有3种，分别为：同步、异步和订阅。其中，同步通讯适用于客户程序比较小，并且数据量也小的操作；异步通讯相比于同步通讯的效率更高；而订阅的方式当Group组内的数据有改变的时候，会对相应的OPC客户端定期更新数据。因此本系统采用了订阅的方式以实现OPC UA数据访问[10-12]。

OPC UA的接口主要有两种：一种是自定义接口，即CUSTOM标准接口，是服务商必须提供的，主要用于C++编写的客户程序；而另一种是OLE自动化标准接口，主要用于C#、VB等语言所开发的应用程序。而SINUMERIK 828D数控系统提供了OLE自动化标准接口，同时采用C#在HMI设计中较MFC更具有优势，因此本项目采用了OLE自动化标准接口。

系统针对SINUMERIK 828D数控系统OPC UA数据访问过程中，需要添加如下的命名空间：using Opc.Ua和using Siemens.OpcUA；其他的主要程序如下：

m_Server = new Server();//定义OPC UA服务器

m_Server.CertificateEvent += new certificateValidation(m_Server_CertificateEvent);//定义服务证书

m_Server.Connect("p://192.168.1.20:4840","APC","123456");//连接OPC UA服务器

m_Server.Disconnect();//断开OPC UA服务器的连接

m_Subscipition = m_Server.AddSubscription(100);//采用订阅的方式进行数据读取，最大的数据监控数量为100个

m_Subscipition.AddDataMonitoredItem(new NodeId("/Channel/MachineAxis/actToolBasePos[u1,1] ", 2), Mnt_Lb1, ClientApi_ValueChanged, 100, out monitoredItemServerHandle);//读取刀具位置的X坐标

NodeIdCollection nodesToWrite = new NodeIdCollection();

DataValueCollection values = new DataValueCollection();

StatusCodeCollection results;

Variant value = new Variant();

value.Value = textBoxR1.Text;

nodesToWrite.Add(new NodeId("/Channel/Parameter/rpa[u1,1] ", 2));

values.Add(new DataValue(value));

m_Server.WriteValues(nodesToWrite, values, out results);//写R1到数控系统

以上程序完成了对SINUMERIK 828D数控系统OPC UA数据访问，在这个过程中由于SINUMERIK 828D数控系统版本的问题，需要注意如下的不同，一是SW4.7版本支持的最大监控变量个数为100个，而SW4.5版本支持的最大监控变量个数为20个；二是SW4.7版本中的连接字符串中新增加了账户名和密码，这些需要在数控系统中进行设置。

螺旋板冷凝器2.2 机床数据分析

机床监控系统的另一个主要作用就是在获取的机床工作数据的基础上，对机床的工作效率进行分析，能够给车间及工厂的效率管理提供可靠而简洁的数据。因此在这个功能模块的设计中，首先从服务器的数据库中获取机床的工作信息，例如已加工零件个数、故障时间、故障频率以及机床工作时间等，而后对这些数据进行分析，评估机床的状态，对于机床的检修等具有现实的指导意义。

如上所述，第一步是获取服务器端通过OPC UA读取的SINUMERIK 828D数控系统数据，下面以机床的运行时间为例，通过执行SQL查询的方式，将已定义的各个不同的数控系统的运行时间存入数组中。

第二步是将读取过来的数据以图表的方式直观地呈现给管理员或者用户，需要添加using System.Drawing命名空间，在上位画面上添加用于输入统计时间的文本框。通过执行SQL指令，从数据库中查相应的数据，而后通过画笔完成较为直观的条形图或者饼图等实现机床数据的分析。统计效果如图3所示。

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