DNC在MES設(shè)備管理系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，天心天思助力企業(yè)信息化，智慧化，可視化，數(shù)字化

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，設(shè)備管理系統(tǒng)作為制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)中一個(gè)重要的子系統(tǒng)，是現(xiàn)代企業(yè)物質(zhì)技術(shù)的基礎(chǔ)，是生產(chǎn)經(jīng)營順利進(jìn)行的前提以及提高經(jīng)濟(jì)效益的保證。目前，我國大部分企業(yè)的數(shù)控設(shè)備信息化程度不高，導(dǎo)致在企業(yè)執(zhí)行層的MES設(shè)備管理系統(tǒng)不能及時(shí)、準(zhǔn)確的獲取設(shè)備控制層的相關(guān)信息，造成管理鴻溝。其次，現(xiàn)有的MES設(shè)備管理系統(tǒng)雖然方便了數(shù)控設(shè)備臺(tái)帳管理、基本信息記錄等一些靜態(tài)信息管理，但不能針對數(shù)控設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

網(wǎng)絡(luò)化分布式數(shù)字控制(Distributed Numerical Control，DNC)可以把數(shù)控設(shè)備作為一個(gè)信息節(jié)點(diǎn)連接到企業(yè)的信息管網(wǎng)中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、自動(dòng)的為整個(gè)信息系統(tǒng)提供及時(shí)、有效的數(shù)據(jù)，為網(wǎng)絡(luò)化制造提供技術(shù)支撐。本文將網(wǎng)絡(luò)化DNC融入到MES設(shè)備管理系統(tǒng)的目的在于可以使企業(yè)執(zhí)行層與控制層無縫連接，消除底層設(shè)備的信息孤島，同時(shí)獲取數(shù)控設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，對控制層設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)執(zhí)行層與控制層之間的信息交換和協(xié)同工作。

1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要是針對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)控設(shè)備開發(fā)的，選用的網(wǎng)絡(luò)主要用于承載數(shù)控加工程序、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，為了滿足高實(shí)時(shí)性、可靠性和可擴(kuò)展性的網(wǎng)絡(luò)要求，系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與企業(yè)管理層進(jìn)行連接，采用TCP/IP協(xié)議，很容易集成到管理辦公網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，系統(tǒng)通過串口服務(wù)器與數(shù)控系統(tǒng)的RS-2232串行口進(jìn)行連接通信。串口服務(wù)器將來自TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包解析為串口數(shù)據(jù)流；反之也可以將串口數(shù)據(jù)流打成TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)利用串口服務(wù)器虛擬串口的功能，可將數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息透明的傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。也就是說，將串口服務(wù)器連接到網(wǎng)絡(luò)中，上位機(jī)對數(shù)控系統(tǒng)的串口通信就相當(dāng)于對上位機(jī)本身的串口通信一樣。

系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器的通訊方式，上位機(jī)為融入網(wǎng)絡(luò)化DNC的MES設(shè)備管理系統(tǒng)的客戶端，系統(tǒng)的服務(wù)器端安裝在數(shù)控系統(tǒng)上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 

 

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可以看出，系統(tǒng)由通訊管理模塊、機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控模塊、設(shè)備數(shù)據(jù)查詢模塊、設(shè)備故障維修管理模塊和系統(tǒng)資料管理模塊這五大模塊組成，數(shù)據(jù)庫為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

通訊管理模塊和機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控模塊屬于網(wǎng)絡(luò)化DNC的控制層模塊。通訊管理模塊主要對控制命令及數(shù)控程序進(jìn)行傳輸和管理。控制命令的傳輸主要是當(dāng)客戶端需要對數(shù)控設(shè)備下達(dá)命令時(shí)，先從客戶端傳送命令到服務(wù)器端，當(dāng)服務(wù)器端接收到該命令后，利用數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部命令控制數(shù)控設(shè)備。數(shù)控程序的傳輸是雙向的，可以從客戶端向服務(wù)器端傳輸，也可以將服務(wù)器端的數(shù)控程序傳輸?shù)娇蛻舳恕?/p>

機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控模塊主要是客戶端對數(shù)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、控制。此功能模塊的實(shí)現(xiàn)可以及時(shí)快速地使執(zhí)行層和管理層全面了解設(shè)備狀態(tài)信息和加工操作信息，并合理的做出決策控制。另外機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控模塊也為企業(yè)生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)分析工作提供了重要的數(shù)據(jù)來源。

機(jī)床數(shù)據(jù)查詢模塊從數(shù)據(jù)庫中獲取機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控模塊采集來的數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成報(bào)表，并完成打印和管理功能。

設(shè)備故障維修管理模塊對設(shè)備維修計(jì)劃進(jìn)行管理、對設(shè)備維修情況進(jìn)行錄入，并保存在數(shù)據(jù)庫之中。

系統(tǒng)資料管理模塊主要是對數(shù)控設(shè)備資料、參數(shù)資料、部門資料和人員資料進(jìn)行錄入及日常管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

由于控制命令傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)較短，可以一次性的將控制命令傳送給系統(tǒng)的服務(wù)器端，因此控制命令的傳輸相對簡單。只需把控制命令信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)后，在其前后加上特定的標(biāo)識(shí)信息，然后發(fā)送給服務(wù)器端。服務(wù)器端辨識(shí)到首尾標(biāo)識(shí)后按照約定提取二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息，再轉(zhuǎn)換為控制命令控制數(shù)控設(shè)備。

數(shù)控文件的傳輸相對比較復(fù)雜。數(shù)控文件的長度較長，超出了通信鏈路的限制，因此要將數(shù)控文件拆分成若干個(gè)數(shù)據(jù)包。在傳輸?shù)臅r(shí)候，首先將文件名、文件長度等與文件有關(guān)的相關(guān)信息打成一個(gè)包，發(fā)送給服務(wù)器端。服務(wù)器端接收到該信息包后，將收到的信息保存起來并根據(jù)文件名創(chuàng)建對應(yīng)的文件。接下來客戶端將要傳輸?shù)奈募D(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，按數(shù)據(jù)包的限定長度將文件分為若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，再將數(shù)據(jù)塊按一定的格式打成數(shù)據(jù)包，一包一包地發(fā)送給服務(wù)器端。服務(wù)器端將接收來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包，提取數(shù)據(jù)塊信息，保存到對應(yīng)的文件中，直到文件傳輸完成。服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)的方法類似，不再詳述。整個(gè)傳輸過程是按照事先規(guī)定好的通信協(xié)議執(zhí)行的，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的流程圖如圖2、圖3所示。

 

 

圖2 通訊管理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

 

 

圖3 通訊管理模塊接收數(shù)據(jù)流程圖

考慮到客戶端和服務(wù)器端同時(shí)互傳數(shù)據(jù)的情況，為了避免單線程不能及時(shí)處理連接請求，系統(tǒng)采用多線程技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)置主線程為監(jiān)視線程，負(fù)責(zé)響應(yīng)連接請求。當(dāng)有請求連接時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)新的線程負(fù)責(zé)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，這樣便可使兩端同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高傳輸效率。

對數(shù)控程序的管理是MES設(shè)備管理系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)化DNC的核心功能之一，有效的數(shù)控程序管理，可以保證程序的準(zhǔn)確性，避免事故損壞機(jī)床，提高生產(chǎn)效率，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。本系統(tǒng)對在生命周期內(nèi)的數(shù)控程序進(jìn)行內(nèi)部信息管理。數(shù)控程序管理流程圖如圖4所示。

 

 

圖4 數(shù)控程序管理流程圖

從程序的生成到程序的消亡，系統(tǒng)對數(shù)控程序有一套嚴(yán)格的管理方法。編程人員首先編輯數(shù)控程序，然后將程序相關(guān)信息填入數(shù)據(jù)庫中作為備份，此狀態(tài)下的數(shù)控程序是不能上傳到數(shù)控系統(tǒng)的。管理人員有權(quán)查看數(shù)控程序，若程序有錯(cuò)誤，則重新編輯；若程序正確，則可以進(jìn)行試切。如果試切失敗需返回重新編輯，如果試切成功，管理人員將程序定型，程序一旦定型便無法修改，需要在數(shù)據(jù)庫中更新程序相關(guān)信息，此時(shí)的程序可以上傳到數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控程序的相關(guān)信息主要通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，包括程序號(hào)、程序名稱、所加工的零件號(hào)、零件圖號(hào)、加工工序號(hào)、機(jī)床信息、程序狀態(tài)等信息。

機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控功能是網(wǎng)絡(luò)化DNC中不可缺少的一部分，是MES設(shè)備管理的核心內(nèi)容之一。本系統(tǒng)的機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控主要是通過用于過程控制的OLE技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。用于過程控制的OLE(OLE for Process Control，OPC)是工控行業(yè)的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，它試圖按照標(biāo)準(zhǔn)的方法完成不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換。OPC規(guī)范提供了兩套接口方案，即定制化接口和自動(dòng)化接口。由于OPC的定制化接口效率高，可以使OPC服務(wù)器發(fā)揮其最佳性能，因此系統(tǒng)采用定制化接口。

OPC數(shù)據(jù)訪問可以提供一種通過OPC客戶端讀取和寫入數(shù)控系統(tǒng)特定數(shù)據(jù)的手段。利用OPC技術(shù)，機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控模塊的開發(fā)流程如圖5所示。

 

 

圖5 機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控模塊OPC類模型的開發(fā)流程

在開發(fā)過程中，首先要在工程中包含四個(gè)OPC基金會(huì)提供的OPC標(biāo)準(zhǔn)庫文件，對開發(fā)環(huán)境進(jìn)行相關(guān)配置；OPC是基于COM技術(shù)制定的，接著初始化COM庫用以使用其接口類；通過OPC服務(wù)器的ProgID得到其唯一的CLSID；只有當(dāng)用戶連接到OPC服務(wù)器后才能對組對象和項(xiàng)對象進(jìn)行操作，因此連接OPC服務(wù)器是獲取機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)的必要過程；應(yīng)用QueryInterface()方法請求IOPCSever接口指針，創(chuàng)建OPC組對象；通過AddItem()添加想要訪問的特定數(shù)據(jù)項(xiàng)；添加數(shù)據(jù)項(xiàng)后，便可獲取機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)或?qū)C(jī)床狀態(tài)進(jìn)行控制；最后，需要?jiǎng)h除對象、釋放內(nèi)存，值得一提的是，刪除對象要先刪除項(xiàng)對象，最后刪除OPC服務(wù)器對象。

3 實(shí)例驗(yàn)證

本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境選用VC++610及SQL Server 2000，采用裝有Windows95操作系統(tǒng)的西門子840D數(shù)控系統(tǒng)對融入網(wǎng)絡(luò)化DNC的MES設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

設(shè)置串口參數(shù)如下：波特率9600Bps、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、無校驗(yàn)碼。分別選取控制命令及三個(gè)不同長度的數(shù)控程序，在系統(tǒng)客戶端和服務(wù)器之間傳輸數(shù)據(jù)，每個(gè)程序發(fā)送或接收20次并取其平均值，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，系統(tǒng)客戶端能向服務(wù)器快速發(fā)送控制命令使數(shù)控系統(tǒng)做出較快的反應(yīng)，同時(shí)對于一個(gè)給定的數(shù)控程序，平均每行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間幾乎相同，說明數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，達(dá)到了執(zhí)行層與控制層信息交互的目的。

表1 數(shù)控程序傳輸性能

 

 

圖6 數(shù)控程序管理的實(shí)現(xiàn)界面

 

圖7 機(jī)床監(jiān)控模塊的實(shí)現(xiàn)界面

圖6為數(shù)控程序管理界面。系統(tǒng)根據(jù)用戶權(quán)限，可對數(shù)控程序進(jìn)行管理。通過低權(quán)限用戶身份登陸系統(tǒng)，無權(quán)修改程序狀態(tài)，保證了程序的安全，滿足設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)可以對數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)變化快速做出反應(yīng)，準(zhǔn)確捕獲數(shù)控設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，使執(zhí)行層與控制層協(xié)同工作。如圖7所示，系統(tǒng)客戶端檢測到數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)前主軸工作模式值為2(自動(dòng))，正在發(fā)送控制命令setopMode0改變其工作模式值為0(手動(dòng))，服務(wù)器端接收到該命令后正確執(zhí)行。

以上實(shí)例表明，在MES設(shè)備管理系統(tǒng)中可以簡單、方便地使用網(wǎng)絡(luò)化DNC的功能，證明了網(wǎng)絡(luò)化DNC在MES設(shè)備管理系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)具有可行性，其實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用性。

4 結(jié)束語

本文分析了MES設(shè)備管理系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)化DNC的需求，提出了融入網(wǎng)絡(luò)化DNC的MES設(shè)備管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了MES設(shè)備管理系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)化DNC系統(tǒng)，并詳細(xì)論述了其關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。通過在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)上的實(shí)例驗(yàn)證進(jìn)一步表明了系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，運(yùn)行安全可靠，有效地保障和促進(jìn)了企業(yè)執(zhí)行層與控制層之間的信息交換和協(xié)同工作，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。