基于OPC XML DA 標準的機床監控系統研究

徐 兵，丁健生， 李學光，馮偉東

XU Bing1, DING Jian-sheng2, LI Xue-guang3, FENG Wei-dong3

（1. 長春工業大學 機電工程學院，長春 130022；2. 長春工業大學 軟件職業技術學院，長春 130022；3. 長春理工大學 機電工程學院，長春 130012）

基于OPC XML DA 標準的機床監控系統研究

Research on machine tools monitoring system based on OPC XML DA standard

徐 兵1，丁健生2， 李學光3，馮偉東3

XU Bing1, DING Jian-sheng2, LI Xue-guang3, FENG Wei-dong3

（1. 長春工業大學 機電工程學院，長春 130022；2. 長春工業大學 軟件職業技術學院，長春 130022；3. 長春理工大學 機電工程學院，長春 130012）

本文建立了基于OPC XML DA標準的機床網絡監控系統，數控機床通過IOLogic接入局域網，實現基本的對數控機床的數據采集功能，在此基礎上通過一個Web服務器以Web Service的方式發布采集到的機床數據。本文以統一建模語言（UML)做為工具，以面向對象的思想分析和設計了該系統。通過該系統的實施和應用可以實現對機床的狀態信息數據遠程訪問,從而實現對生產狀況的監控、分析、報表，進而改進生產計劃，提高生產效率。

數據采集；OPC；UML；IOLogic

0 引言

網絡化制造已成為一種新的用戶驅動的制造方法，制造的全球化和網絡化是現代制造業的發展趨勢[1]，這就要求作為重要制造資源的數控機床能夠實現全球共享，通過Internet／Intranet支持本地和異地制造，包括接收遠程查詢、發布自身參數、接收遠程數控程序和指令、提供現場數據。同時為了實現離散加工制造業的管控一體化,在車間設備底層,必須對一些重點設備和生產線進行實時監控,以便進行設備狀態監控和生產工藝參數的采集,從而給管理層提供實時信息供其進行決策管理[2]。

然而由于數控設備的種類繁多，通信規則與通信參數設置往往互不相同，導致對這些互異的數控設備進行聯網信息采集十分困難。

OPC（OLE for process control）是由OPC基金會提出的新一代工控軟件規范，其中OPC DA(Data Access)標準提供在控制系統中應用程序與控制設備之間進行數據交換的規范方法。

但是，OPC DA是基于微軟的COM/DCOM技術的，COM/DCOM技術可以在局域網內方便地快捷地實現數據交換，但卻并不適合通過Internet來訪問。而在DNC系統中，用戶對機床設備監控、維護、管理等方面正朝著基于Web、基于Internet/Intranet的一體化集成的方向發展，為滿足這種對設備異地遠程訪問的需求，本機床監控系統的實現采用了OPC XML DA標準。

系統采用OPC XML DA標準后，具有如下優點：

1）支持Internet/Intranet訪問。由于OPC XML DA采用SOAP/HTTP協議傳輸數據，克服了傳統的基于COM/DCOM技術的OPC DA標準不能在Internet上遠程訪問的缺點，因而使得本系統可以方便的在局域網或廣域網內訪問到機床的狀態數據。

2）跨平臺。由于OPC XML DA在本質上是一個Web服務，可以在任何支持Internet的操作系統上進行訪問，包括Windows、Linux、Unix等主流操作系統，解決了以往僅能在Windows操作系統上訪問OPC數據信息的限制。

1 系統硬件架構

DNC系統部署在企業局域網內，每臺數控設備通過一個IOLogic接入局域網。IOLogic一端通過機床引線與數控設備連接，另一端通過以太網口接入局域網。IOLogic支持TCP/IP協議，為IOLogic指定一個IP地址即可實現數控設備信息聯網采集，同時IOLogic也為上位機提供編程接口,可通過調用IOLogic提供的API接口實現上位機對數控設備的信號采集。對于上位機，需要以下配置：OPC服務器一臺，運行信號采集程序，即OPC XML DA 服務器端；數據庫服務器一臺，存儲設備配置參數；普通PC機若干臺，運行信號顯示程序，即OPC XML DA客戶端。系統的硬件架構如圖1所示。

圖1 機床監控系統硬件架構圖

2 系統軟件架構

系統的軟件架構及開發環境如下：開發工具：Microsoft Visual Studio 2005；開發語言：C#；業務數據庫：Microsoft SQL Server 2000； OPC XML DA服務器：Microsoft Internet Information Service 6.0；操作系統：OPC 服務器及數據庫服務器采用Windows Server 2003操作系統；上位機采用Windows XP Professional操作系統；網絡環境：10M/100M局域網。

信息采集程序由配置數據庫、信息采集程序客戶端、OPC XML DA Server構成。其中配置數據庫部署在數據庫服務器上，用于存儲設備參數。信息采集程序客戶端部署在上位機上，負責以圖形界面顯示設備的狀態信息。OPC XML DA Server部署在OPC服務器上，負責從IOLogic中實時讀取設備狀態信息，并通過Web Service對外發布八個接口（OPC XML DA1.0標準中規定），信息采集程序客戶端通過這八個接口間接獲取IOLogic提供的機床狀態信息。程序的軟件架構如圖2所示。

圖2 機床監控系統軟件架構圖

3 功能設計

本系統的使用人員按權限劃分包括普通的車間監控人員和系統管理員兩類。監控人員登錄系統后便可通過信息采集程序客戶端以圖形界面實時監控車間內各聯網數控設備的運行狀態。監控系統會自動根據采集到的機床狀態信息，判斷設備的運行情況，對于運行時出現異常（故障）的設備，將根據管理員設定的閾值報警并記錄在歷史記錄中，供監控人員在故障診斷時使用。

系統管理員除擁有常規的機床監控功能外，還可對設備、日志及系統參數進行設置。通過對監控日志的分析，管理員可以得到機床利用率、設備負載情況等統計信息，從而科學合理地安排生產計劃，進而提高生產效率。根據對以上用例分析，本文采用統一建模語言（UML）中的用例圖來構建系統的功能分析模型，如圖3所示。

圖3 機床監控系統功能分析模型

4 系統設計

4.1 OPC XML DA客戶端設計

客戶端主要由權限認證模塊及設備數據讀取/呈現模塊組成。其中權限模塊保證只有經過授權的合法用戶才能訪問服務器。數據讀取/呈現模塊通過引用OPC XMLDA服務器所提供的八個接口，從OPC XML DA服務器獲取數控設備的狀態信息數據，并以圖形化界面實時顯示給用戶。統計分析模塊通過讀取監控日志中的內容，得出機床工作時間、等待時間、使用率，設備負載等情況的統計報表。

由于OPC XML DA標準對客戶端的編程語言及實現形式并沒不做要求，無論采用何種編程語言，也不論采用C/S還是B/S架構，只要按照OPC XML規范進行數據讀取，均可以實現客戶端?？紤]對圖形界面編程的有力支持，本系統采用了C/S架構。

4.2 OPC XML DA服務器設計

OPC XML DA服務器是整個機床監控系統的核心，需要完成兩個主要功能，一是對機床數據的實時采集，二是對外發布Web服務接口，供客戶端調用。OPC XML DA服務器由管理模塊、實時數據采集模塊、數據緩沖區以及OPC XML DA接口四個部分組成。OPC XML DA服務器的結構如圖4所示。

圖4 OPC XML DA服務器結構圖

管理模塊負責維護機床的參數信息，如IOLogic節點的IP地址、端口號、連接超時時間、信道描述等。

實時數據采集模塊通過調用IOLogic提供的API完成實際的數據采集功能。當服務器加載時，首先通過管理模塊在配置數據庫中讀取所有數控機床配置參數，然后根據讀取到的參數初始化數據采集模塊，嘗試建立與IOLogic的連接，如果建立連接成功，則數據采集模塊便進入采集狀態，實時采集設備的狀態信息。當程序退出時，數據采集模塊自動關閉之前與IOLogic建立的連接。

由于數據采集較為耗時，尤其當需要采集的數控設備較多時，會嚴重影響服務器的響應速度。為解決上述問題，本系統利用了Windows多線程多任務機制，對數據采集工作實施多線程分配，為每一個設備創建一個獨立線程，緩解高速的CPU與低速的數控設備之間的矛盾。

數據采集模塊取出的數據是實時的，在通過OPC XML DA接口發布之前，數據采集模塊會將采集到的數據寫入一個內存緩沖區內。該緩沖區模塊負責設備數據的臨時存儲，數據在緩沖區中按照服務器對象組對象項對象的格式存儲。緩沖區在數據采集程序與Web服務程序之間以共享內存的形式實現數據交換。

OPC XML DA接口模塊是架設在微軟的IIS服務器上的一個Web服務，通過Web Service的形式對外提供八個調用接口。該模塊負責接收來自OPC XML DA客戶端的請求并根據請求將數據緩沖區中的數據封裝成SOAP消息回饋給客戶端，從而對客戶端的請求做出應答，為客戶端提供數據來源。

5 運行效果

機床監控系統提供了強大的數據采集功能和實時的分析能力，并可以根據管理者的選擇顯示多種統計報表，如機床利用率、機床實時工作狀態等。這此統計數據可以做為管理者制定生產計劃、安排生產任務的基礎。通過分析統計數據，管理者可以更容易發現生產過程中的瓶頸因素，及時糾正生產過程中潛在的錯誤，從而優化生產計劃，提高生產效率。

圖5 機床實時工作狀態截圖

6 結論

本文建立了基于OPC XML DA標準的機床網絡監控系統，建立了系統的體系結構模型及軟硬件架構模型，通過測試，該系統達到了較好的使用效果，通過本系統的實施與應用，能夠大大提高企業的生產效率，具體實現的功能如下：

1）實現數控設備聯網。通過IOLogicE2210將原本分散獨立的數控設備以網絡結點的形式連接于企業局域網內；

2) 建立了具有實時數采功能的OPC XML DA服務器。通過局域網，實現上位機對多臺（255臺以內）聯網數控設備的信號采集。

3）開發了OPC XML DA客戶端，以圖形界面實時顯示數采服務器中的設備數據。

[1] 李治,王敏杰,閆偉國.一種基于Web的DNC數控機床信息采集系統[J].組合機床與自動化加工技術,2005,9.

[2] 黃志輝,張利,龍賽瓊.基于RS - 485 現場總線的機床監測系統設計[J].組合機床與自動化加工技術,2005,10.

[3] 康靈燕.基于OPC.XML的生產過程信息集成方法及應用研究.北京:北京化工大學,2008,3.

TP277

B

1009-0134(2010)11(上)-0035-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).12

2010-06-20

吉林省科技廳發展規劃資助項目

徐兵（1965 -），男，副教授，研究方向為制造業信息化、柔性制造、敏捷制造。