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基于Web的智能工廠機床遠程監(jiān)控技術(shù)研究
2018-3-29  來源：中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,南京康賽飛爾電  作者：馬曉光 徐力 盧虓宇 高孫權(quán)

       摘要:提出了一種基于Web的智能工廠機床遠程監(jiān)控解決方案，設(shè)計了三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并描述了各層的作用，分析了所采用的關(guān)鍵技術(shù)，包括OEM二次開發(fā)技術(shù)、Socket技術(shù)及ActiveX技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用VB開發(fā)了開放型CNC中央控制軟件及CNC機床OEM應(yīng)用軟件，并采用htm15與Java技術(shù)設(shè)計了基于B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用程序系統(tǒng)，運行結(jié)果表明:系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能滿足應(yīng)用需求。

       關(guān)鍵詞:Web 智能工廠 機床 遠程監(jiān)控

       在18世紀(jì)60年代，人類爆發(fā)了第一次工業(yè)革命，即工業(yè)1.0一用蒸汽機、機械裝置進行生產(chǎn)。第二次與第三次工業(yè)革命分別開辟了流水線電氣自動化和信息化的領(lǐng)域。每一次工業(yè)革命的爆發(fā)都是起因于當(dāng)時日益增長的社會發(fā)展需求與落后的社會生產(chǎn)力之間的矛盾。當(dāng)今，自動化技術(shù)與信息化技術(shù)的高速發(fā)展，預(yù)示著人類將迎來第四次工業(yè)革命一一工業(yè)4.0 。

       工業(yè)4.0是由德國政府在2013年漢諾威工業(yè)博覽會上首次提出的，主要包括智能工廠和智能生產(chǎn)兩人主題其中，智能生產(chǎn)屬于企業(yè)的運營、研發(fā)和管理等宏觀層面，智能工廠則是由生產(chǎn)過程管控與數(shù)字化設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化分布式實現(xiàn)，范圍在車間，是具體的生產(chǎn)執(zhí)行層。

       智能工廠是未來工廠的發(fā)展方向，以控制技術(shù)為載體將自動化技術(shù)與信息化技術(shù)進行融合，而基于計算機的控制技術(shù)為未來的工業(yè)自動化解決方案提供了最佳的控制架構(gòu)。德國西門子SINUME系列數(shù)控系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用廣泛，尤其是基于計算機的840D數(shù)控系統(tǒng)以其優(yōu)越的開放性、擴展性、接口性能及穩(wěn)定性，成為高端數(shù)控設(shè)備的首選系統(tǒng)。

       筆者以某鐵路客車生產(chǎn)企業(yè)輪軸生產(chǎn)線為背景，以840D數(shù)控系統(tǒng)為研究對象，開展基于Web的軟硬件結(jié)合遠程監(jiān)控技術(shù)研究，為實現(xiàn)智能化工廠奠定基礎(chǔ)。

       1、SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)原理

       1.1 系統(tǒng)軟件框架

       系統(tǒng)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以NC數(shù)據(jù)塊變量的形式存儲于NCK中.因此人機交互裝置MMC可以通過BTISS接口來存取NCK中的各個變量，從而實現(xiàn)對機床系統(tǒng)變量的交互，這一功能主要依靠西門子公司的一套安裝在MMC中的HMI軟件實現(xiàn)HMI軟件架構(gòu)。如圖1所示，主要由硬件層、操作系統(tǒng)及驅(qū)動層、應(yīng)用層三個部分組成，從應(yīng)用層中可以看出，安裝在MMC中的HMI軟件是通過獲取NCDDE服務(wù)器中的NC/PLC數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對機床的監(jiān)視與控制的。根據(jù)此原理，筆者以NCDDE服務(wù)器為橋梁，利用西門子提供的OEM軟件開發(fā)用戶程序?qū)崿F(xiàn)與NC/PLC之間的通信。
 
 
圖1  HMI軟件框架  
 
       1 .2 系統(tǒng)通信原理

       由于HMI軟件中包含的NCDDE服務(wù)器并沒有提供外露的通信接口.因此必須找到它的接口才能使開發(fā)的OEM用戶程序能夠通過NCDDE服務(wù)器來建立與NC/PLC的通信連接。840D數(shù)控系統(tǒng)中的NCDDE服務(wù)器提供了多種通信服務(wù)，使HMI軟件能夠與NCK/PLC建立連接.通信原理如圖2所示。
 
   
 
圖2  HMI軟件通信原理 
 
       1.3 系統(tǒng)開發(fā)原理

       從圖2可以看出，NCDDE服務(wù)器提供的通信服務(wù)類型主要包括域服務(wù)、變量服務(wù)和PI服務(wù)其中域服務(wù)主要通過IMC文件、IDAS和文件瀏覽控件實現(xiàn)從HMI復(fù)制文件到NCK,或NCK從數(shù)據(jù)管理器復(fù)制文件到HMI變量服務(wù)通過DCTL控件與OPC數(shù)據(jù)存取獲取機床NC ,PLC與驅(qū)動的數(shù)據(jù)。PI服務(wù)通過IMC命令執(zhí)行機床的NC程序與PLC程序木項目選擇變量服務(wù)與PI服務(wù)來分別實現(xiàn)數(shù)控機床的運行狀態(tài)監(jiān)視及自動控制。 變量服務(wù)中提供了兩種HMI軟件訪問NC/PLC的通信方式:OPC與DCTL控件通信方式。OPC方式具有良好的開放性及強大的功能，但是其編程工作量大，對編程人員有很高的要求。DCTL控件是專為840D數(shù)控系統(tǒng)人機界面設(shè)計提供的一種控件，很容易實現(xiàn)用戶程序與數(shù)控系統(tǒng)之間的通信。筆者使用DCTL控件進行HMI軟件的二次開發(fā)。開發(fā)原理如圖3所示。
 
 
圖3  HMI軟件二次開發(fā)原理 

       2、遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
 
       基于Web的智能工廠機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，如圖4所示。第一層為車間設(shè)備層，包括機床、工業(yè)以太網(wǎng)與交換機等。第二層為監(jiān)控層，包括中央控制計算機、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及文件服務(wù)器等。第三層為客戶端層，用戶只需要在客戶終端計算機上安裝IE6.0及以上版木的瀏覽器，就能夠訪問Web服務(wù)器，從而能夠?qū)C床進行遠程監(jiān)控。
 
 
 
圖4  遠程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)
 
 
 
圖5  遠程監(jiān)控系統(tǒng)工作原理
 
       如圖5所示，用戶通過瀏覽器輸入正確的IP地址及通過身份驗證后進入車間或企業(yè)的Web服務(wù)器，這時Web服務(wù)器將含有相應(yīng)功能的AetiveX控件頁面下載到瀏覽器中，AetiveX立即運行，與中央控制計算機及CNC三者之間自動建立基于客戶/服務(wù)器模式的套接字(Socket)通信，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒎€(wěn)定性和實時性。

       3、采用的關(guān)鍵技術(shù)

       3.1   OEM二次開發(fā)技術(shù)
 
       840D系統(tǒng)中用于任務(wù)管理的高級程序Regie主要包括基木服務(wù)程序、區(qū)域應(yīng)用程序、動態(tài)鏈接庫，負責(zé)在初始化文件中讀取所需的參數(shù)，對系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)通電、加載MMC和動態(tài)鏈接庫、啟動應(yīng)用程序、系統(tǒng)配置、區(qū)域切換等任務(wù)進行管理。筆者主要從Regie中的區(qū)域應(yīng)用程序入手，進行840D數(shù)控系統(tǒng)用戶程序的二次開發(fā)，主要包括以下三種程序：
       (1)VB創(chuàng)建的嵌入在順序控制框架下的OEM應(yīng)用程序。
       (2)VB/VC創(chuàng)建的運行于Windows的用戶程序。
       (3) Windows下的其它標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序，如EXCEL或記事本程序等。

       根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計需求，選擇第一種開發(fā)方案。
 
       840D為用戶提供的二次開發(fā)文件系統(tǒng)(OEM)結(jié)構(gòu)如圖6所示，共包含7個文件，用戶通過對這些文件進行合理編輯、處理，嵌入HMI軟件系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)二次開發(fā)功能，滿足個性化需求。
 
 
 
 
圖6  OEM文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 

       3.2   Socket技術(shù)

       Socket是TCP/IP協(xié)議傳輸層所提供的API接口，是網(wǎng)絡(luò)間通信的基石。Socket接口定義了許多函數(shù)或例程，TC P/IP上層的一些應(yīng)用軟件都是通過Socket來完成的，可用于各種主流操作系統(tǒng)(Windows、 DOS、UNIX ,SUN OS等)，通信模型如圖7所示。Socket提供一套原語供用戶編程調(diào)用和訪問系統(tǒng)資源，并用于開發(fā)與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)、實時性要求高的應(yīng)用軟件。
 
 
 
 
 圖7  Socket通信模型
 
       Socket包含三種類型的套接口，提供不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方式。流式套接字(SOCK_ STREAM)提供牢靠的、以連接為基礎(chǔ)的通信方式，能夠保證邏輯分組的有序性和傳輸過程的正確性。用戶數(shù)據(jù)套接字(SOCK-DGRAM)沒有連接機制，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)即時發(fā)送，數(shù)據(jù)之間是獨立的，也不提供有序的數(shù)據(jù)分組。原始套接字(SOCK-RAW)直接操作位于底層的通信協(xié)議，常在協(xié)議中開發(fā)使用。

      中央控制計算機與各個機床之間需要事先建立網(wǎng)絡(luò)連接，才能執(zhí)行中央控制計算機端的控制任務(wù)。中央控制計算機采用服務(wù)器模式，機床采用客戶端模式，同時為了保證在互聯(lián)網(wǎng)上控制命令與數(shù)控程序數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕O(shè)計中采用流式套接字的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方式。

       3.3  ActiveX技術(shù)

       AetiveX建立在Microsoft公司提出的COM/DCOM(組件/分布式組件對象模型)和OLE(對象的鏈接與嵌入)兩項技術(shù)的基礎(chǔ)上，進而在Web上發(fā)展起來。AetiveX是一個能夠使軟件部件在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行交互的技術(shù)集，與具體的編程語言無關(guān)。針對互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，AetiveX被廣泛應(yīng)用于Web服務(wù)器及客戶端的各個方面。

       AetiveX控件是一個提供特定功能的二進制對象，如同一個計算機程序一樣，可以被加入到客戶/服務(wù)器應(yīng)用程序、Web應(yīng)用程序及使JavaScript和Vbscript的Web頁中，當(dāng)通過瀏覽器(如IE )請求包含AetiveX控件的Web臾時，IE會自動檢測此控件是否已經(jīng)注冊在系統(tǒng)的注冊表中，如果已注冊將立即啟動此控件，否則會將此控件下載并注冊到系統(tǒng)中。利用腳木描述語言(Script )可以在控件之間及客戶端與服務(wù)器之間設(shè)置屬性(Property )、調(diào)用方法(Method)和激活事件(Event)進行通信。


       4、系統(tǒng)軟件開發(fā)及其應(yīng)用

       遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)主要包括兩部分:前臺開發(fā)與后臺開發(fā)。前臺開發(fā)是在Drearnweaver開發(fā)環(huán)境下利用htrnl5文木標(biāo)記語言進行系統(tǒng)用戶界面的開發(fā)，同時調(diào)用ActiveX控件；后臺開發(fā)是在MyEclipse  10開發(fā)環(huán)境下利用Java語言實現(xiàn)連接mysql數(shù)據(jù)庫并處理業(yè)務(wù)邏輯。

       為了驗證機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果，筆者以輪軸柔性生產(chǎn)線上的2臺成型磨床(數(shù)控系統(tǒng)為西門子840D)為對象進行了聯(lián)網(wǎng)測試，圖8為監(jiān)測軟件測試現(xiàn)場。
 
 
 
圖8  監(jiān)測軟件測試現(xiàn)場

       5、結(jié)束語

       基于計算機的開放式數(shù)控機床應(yīng)用日益廣泛，研究該類機床在遠程網(wǎng)絡(luò)下的監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。筆者以西門子840D數(shù)控系統(tǒng)為研究對象，提出了一種基于Web的智能工廠機床遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，著重論述了系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)框架與相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，使用戶能夠遠程對數(shù)控系統(tǒng)進行監(jiān)控，對智能工廠的具體實施進行了探索和嘗試本系統(tǒng)應(yīng)用到某鐵路客車生產(chǎn)企業(yè)的輪軸生產(chǎn)線上，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達到了預(yù)期的效果和設(shè)計目的.

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