面向智能制造的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究
2019-4-24 來源：廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南昌航空大學(xué) 作者：余運昌 楊詞慧
摘 要: 針對當(dāng)前制造企業(yè)數(shù)控設(shè)備與企業(yè)信息系統(tǒng)直連薄弱、數(shù)控系統(tǒng)種類較多且互不兼容、遠(yuǎn)程預(yù)警式故障診斷缺乏等問題，本研究在分析數(shù)控系統(tǒng)主要通信接口的基礎(chǔ)上，提出一種面向智能制造的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案，解決設(shè)備層級、車間層級與企業(yè)層級的聯(lián)網(wǎng)問題。設(shè)計的基于ESP8266的物聯(lián)網(wǎng)低成本數(shù)控機(jī)床通信網(wǎng)關(guān)為實現(xiàn)遠(yuǎn)程DNC加工和遠(yuǎn)程、預(yù)警式故障診斷提供了硬件平臺。該技術(shù)方案適合FANUC、三菱、西門子的系列化數(shù)控系統(tǒng)，是面向智能制造的一種低成本組網(wǎng)方案。
關(guān)鍵詞: 數(shù)控系統(tǒng)接口;智能制造;集成數(shù)據(jù)服務(wù)器;通信網(wǎng)關(guān)
引言
數(shù)控技術(shù)是衡量一個國家綜合國力和工業(yè)現(xiàn)代水平的重要指標(biāo)。在“兩化融合”和“中國制造2025”背景下，物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)得到空前發(fā)展，制造技術(shù)正經(jīng)歷著由自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化方向發(fā)展的過程，數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一。
目前，大部分?jǐn)?shù)控加工制造車間的生產(chǎn)現(xiàn)狀是: (1) 底層數(shù)控加工設(shè)備與企業(yè)信息系統(tǒng)直連環(huán)節(jié)比較薄弱，工廠數(shù)字化程度不高，不利于設(shè)備統(tǒng)一管理、增強(qiáng)加工柔性和提高效率; (2)數(shù)控系統(tǒng)種類較多，其接口及通信差異較大且互不兼容; (3) 遠(yuǎn)程、預(yù)警式故障機(jī)制缺乏，對于數(shù)控設(shè)備的維護(hù)通常停留在定期檢修層面，無法精確進(jìn)行故障排查，且設(shè)備故障維修周期較長。鑒于以上現(xiàn)狀，本文將詳細(xì)分析數(shù)控系統(tǒng)通信接口，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的面向智能制造的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)解決方案。設(shè)計的基于ESP8266的無線通信網(wǎng)關(guān)，兼容FANUC、三菱、西門子等品牌系列化數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)利用數(shù)控系統(tǒng)窗口功能和特定寄存器功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過機(jī)床網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)智能制造環(huán)境下數(shù)控機(jī)床與企業(yè)信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通。
1、數(shù)控系統(tǒng)通信接口分析
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心部件，可通過ＲS－232C接口、以太網(wǎng)接口、PLC的I/O接口、現(xiàn)場總線接口等方式與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
1．1 ＲS－232C接口串行通信接口
ＲS－232C是中低端數(shù)控系統(tǒng)與計算機(jī)通信的主要通道。通常數(shù)控加工企業(yè)采用WINPCIN軟件實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床與計算機(jī)之間加工程序、宏程序、PLC程序及各種參數(shù)的傳輸和DNC加工。該接口傳輸距離短，因此每臺數(shù)控機(jī)床必須需配置一臺計算機(jī)。數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化通信實現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程DNC加工和遠(yuǎn)程設(shè)備管理，一臺計算機(jī)可以管理若干臺數(shù)控機(jī)床，但是需要一個ＲS－232接口與TCP/IP、OPC、DDE或其他網(wǎng)絡(luò)通信接口進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)。
1．2 以太網(wǎng)接口
高端數(shù)控系統(tǒng)具備以太網(wǎng)接口，通過該接口數(shù)控機(jī)床可與計算機(jī)快速組網(wǎng)。數(shù)控系統(tǒng)公司提供的以太網(wǎng)專用軟件可實現(xiàn)NC數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程DNC加工等，但是專用軟件收費昂貴且不與其它數(shù)控系統(tǒng)兼容，使用受到一定限制。Serv-U是一款基于FTP傳輸協(xié)議的服務(wù)器專用軟件，數(shù)控加工企業(yè)通常將其用于遠(yuǎn)程計算機(jī)與多臺數(shù)控機(jī)床之間進(jìn)行NC數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程DNC加工。Serv-U軟件具有高安全特性且支持多種數(shù)控系統(tǒng)，廣泛使用于遠(yuǎn)程DNC加工。此外，通過對以太網(wǎng)接口進(jìn)行軟件二次開發(fā)還可實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程控制、診斷、無人化操作和維修服務(wù)。
1．3 I/O接口
PLC是數(shù)控系統(tǒng)的輔助控制器，通過I/O接口對機(jī)械側(cè)進(jìn)行輔助控制與信號檢測。采用編碼式通信不僅可以節(jié)約I/O資源，還可實現(xiàn)PLC與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PLC與CNC之間可以通過特定寄存器訪問和窗口功能實現(xiàn)控制信號、狀態(tài)信號、報警信息、刀具信息、參數(shù)信息及位置信息等數(shù)據(jù)的交換。
1．4 現(xiàn)場總線接口
高端數(shù)控系統(tǒng)具有現(xiàn)場總線接口，用于與其他自動化設(shè)備組成現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。常用的總線標(biāo)準(zhǔn)主要有Profi Net、Profi Bus、CC-link、Can Bus等，不同品牌的數(shù)控系統(tǒng)使用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不同。現(xiàn)場總線具有數(shù)據(jù)交換的實時性、穩(wěn)定性和可靠性，在自動化設(shè)備中廣泛使用。總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以將不同總線標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控系統(tǒng)連接到同一個設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。
2、面向智能制造的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)設(shè)計
2．1 智能制造的內(nèi)涵
智能制造是把傳統(tǒng)的制造技術(shù)和智能技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相互融合，應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)過程，在制造過程中進(jìn)行感知、分析、推理、決策、控制，實現(xiàn)產(chǎn)品需求的動態(tài)響應(yīng)、產(chǎn)品的快速開發(fā)與優(yōu)化的制造活動。工業(yè)化與信息化及互聯(lián)網(wǎng)的融合是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，而智能制造作為一個現(xiàn)代化制造系統(tǒng)，是多個系統(tǒng)的融合，包括智能設(shè)計、智能生產(chǎn)、智能管理、智能制造服務(wù)等內(nèi)容。因此，實現(xiàn)制造工業(yè)領(lǐng)域全系統(tǒng)、全設(shè)備、全產(chǎn)業(yè)鏈的信息互通和實現(xiàn)制造業(yè)數(shù)據(jù)的無縫集成是推動智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)。
2．2 數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案設(shè)計
目前主要有兩種機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案，一種是基于DNC的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案，該方案采用ＲS－232C串行接口經(jīng)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換器將串口轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)接口，或直接采用以太網(wǎng)接口將本機(jī)接入工廠局域網(wǎng)，主要解決車間信息集成問題，對車間的生產(chǎn)技術(shù)、技術(shù)準(zhǔn)備、加工代碼及加工操作等基本作業(yè)進(jìn)行集中管理。這種機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方式雖然實現(xiàn)了遠(yuǎn)程DNC加工與管理，但是對機(jī)床本身的運行狀態(tài)、刀具信息、故障狀態(tài)等無法知曉，不利于智能制造技術(shù)的推廣與發(fā)展。另一種是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)控機(jī)床故障診斷，該方案具有遠(yuǎn)程、預(yù)警式故障機(jī)制，但是各種故障判定均基于相應(yīng)的Zigbee傳感器檢測模塊，忽略了數(shù)控系統(tǒng)本身豐富的故障診斷功能和PLC故障診斷方法，在遠(yuǎn)程DNC加工與管理方面缺乏。
鑒于現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案的不足，為適應(yīng)智能制造發(fā)展趨勢，本文提出一種面向智能制造的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案，將數(shù)控加工生產(chǎn)企業(yè)中的網(wǎng)絡(luò)根據(jù)職能不同分為3個網(wǎng)絡(luò)層級，分別為基于互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)資源管理網(wǎng)絡(luò)(企業(yè)層)、基于局域網(wǎng)的制造執(zhí)行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(車間層)和基于工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(設(shè)備層)，如圖1所示。
圖1 面向智能制造的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、物流小車、自動化生產(chǎn)線、智能倉儲等生產(chǎn)設(shè)備直接參與生產(chǎn)，各設(shè)備通常采用PLC實現(xiàn)邏輯控制。現(xiàn)場總線是一種開放式、全分布控制系統(tǒng)的基層網(wǎng)絡(luò)，具有協(xié)議簡單、容錯能力強(qiáng)、安全性好、成本低廉、實時性高及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于上述自動化現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備中。現(xiàn)行典型的工業(yè)現(xiàn)場總線有FF(基金會總線)、Profibus、Profi Net、World FIP、CC-Link、CAN、Lon Works等。有兩種方法實現(xiàn)不同總線協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，一種是在設(shè)備之間增加嵌入式一對一協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，如西門子的PN-DP耦合器實現(xiàn)Profibus與Profi Net總線的連接;另一種是基于協(xié)議棧的現(xiàn)場總線協(xié)議轉(zhuǎn)換通用化設(shè)計網(wǎng)關(guān)。
各種數(shù)控機(jī)床、對刀工作站、刀庫管理站、操作站等作為客戶端與企業(yè)集成數(shù)據(jù)服務(wù)器共同組建成制造執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)，其中數(shù)控機(jī)床是制造執(zhí)行層與現(xiàn)場控制層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁。工業(yè)以太網(wǎng)具有技術(shù)先進(jìn)性、成熟性和協(xié)議經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用，但是因其抗干擾能力弱、業(yè)務(wù)支撐能力不足、維護(hù)困難及僅支持點到點直連組網(wǎng)的缺點，其應(yīng)用受到一定的限制。本方案采用工業(yè)無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(PON)將制造執(zhí)行層內(nèi)的各種設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，因為PON通過無源器件組網(wǎng)，采用點到多點的樹形拓?fù)鋫鬏敿軜?gòu)，具有抗干擾能力強(qiáng)、業(yè)務(wù)承載范圍廣、成本低、維護(hù)簡單、容易擴(kuò)展、易于升級及安全性高等特點，是車間通信組網(wǎng)技術(shù)的一種全新方案。
數(shù)據(jù)服務(wù)器作為企業(yè)內(nèi)部的云平臺，主要集成了數(shù)控加工程序管理模塊、刀具信息管理模塊、生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集與管理模塊、數(shù)據(jù)訪問模塊、設(shè)備訪問模塊等，提供基于ＲPC的靈活通信接口與主控計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，是車間局域網(wǎng)與企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間的信息樞紐中心。產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)(PLM)可以直接訪問數(shù)控加工程序管理模塊、刀具信息管理模塊，進(jìn)一步優(yōu)化車間生產(chǎn)過程的管理;遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷與預(yù)警中心通過訪問數(shù)據(jù)采集與管理模塊和設(shè)備訪問模塊，獲取現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)等，在進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析后生成特定的故障排除方法和設(shè)備維護(hù)建議，通知用戶及時進(jìn)行故障排除或及進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，減少停機(jī)時間，提高設(shè)備利用率。
產(chǎn)品生命周期管理(PLM)、企業(yè)資源計劃(EＲP)、供應(yīng)鏈管理(SCM)、客戶關(guān)系管理(CＲM)、電子商務(wù)(EC)等技術(shù)是制造企業(yè)管理不可缺少的組成部分，運行在企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)層，負(fù)責(zé)車間與企業(yè)其他部門、外部相關(guān)企業(yè)的聯(lián)系，以便傳遞任務(wù)、發(fā)布信息和查詢數(shù)據(jù)等。智能制造要求網(wǎng)絡(luò)體系更加開放，因此必須通過綜合性的安全防護(hù)措施保證網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的安全。智能設(shè)備與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間、企業(yè)外部與企業(yè)內(nèi)部云平臺之間應(yīng)設(shè)置防火墻進(jìn)行有效安全的隔離與控制，同時DDo S防御功能、網(wǎng)絡(luò)入侵防護(hù)系統(tǒng)也應(yīng)納入網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)。對所有接入企業(yè)內(nèi)部云平臺、信息系統(tǒng)、服務(wù)器及控制系統(tǒng)的設(shè)備必須進(jìn)行接入認(rèn)證和訪問授權(quán)。對企業(yè)外部網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，采用VPN隧道傳輸機(jī)制或VPN專網(wǎng)技術(shù)，防止數(shù)據(jù)泄露或被篡改。
3、數(shù)控機(jī)床網(wǎng)關(guān)設(shè)計
以上面向智能制造的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，機(jī)床網(wǎng)關(guān)是數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的核心部件。本文設(shè)計的機(jī)床網(wǎng)關(guān)兼容FANUC、三菱、西門子等主要品牌的系列化數(shù)控系統(tǒng)，充分利用數(shù)控系統(tǒng)自身的串行通信功能和自診斷功能實現(xiàn)遠(yuǎn)程DNC加工和遠(yuǎn)程、預(yù)警式故障診斷。
3．1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖2是適合多種數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)。在遠(yuǎn)程DNC加工方面，具備以太網(wǎng)功能的數(shù)控機(jī)床經(jīng)ＲJ45接口直接接入工業(yè)級路由器，而僅支持ＲS－232通信的數(shù)控機(jī)床經(jīng)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊接入工業(yè)級無線路由器，如圖2a所示。在遠(yuǎn)程、預(yù)警式故障診斷方面，數(shù)控系統(tǒng)本身具有豐富的信息，通過系統(tǒng)PLC單元的窗口功能和特定寄存器功能對系統(tǒng)信息、狀態(tài)信息、刀具信息、坐標(biāo)信息、診斷數(shù)據(jù)、當(dāng)前運行程序段及各電機(jī)的負(fù)載數(shù)據(jù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集數(shù)據(jù)通過編碼式通信［7］發(fā)送到本網(wǎng)關(guān)，采集數(shù)據(jù)經(jīng)處理器解析、存儲與轉(zhuǎn)換后由WIFI模塊發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，如圖2b所示。微處理器IAP15W4K61S4具有4 K的SＲAM和4個串口，是本網(wǎng)關(guān)的核心模塊，負(fù)責(zé)實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換、管理、安全等各方面的數(shù)據(jù)處理和存儲。ESP8266模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多路TCP Client連接和無線802．11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，具有高集成度、低功耗和
圖2 數(shù)控機(jī)床網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)
易用性的特點，負(fù)責(zé)實現(xiàn)處理器串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)I/O模塊的24V電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換。
3．2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計
軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計思想并用C語言編寫各模塊程序。圖3是數(shù)控機(jī)床網(wǎng)關(guān)軟件程序流程圖，系統(tǒng)上電后對硬件驅(qū)動進(jìn)行初始化，采用Smart Config一鍵配置功能對ESP8266進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，建立網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)服務(wù)器的連接并進(jìn)入數(shù)據(jù)透傳模式。網(wǎng)關(guān)與PLC之間的通信采用編碼方式，與服務(wù)器及其他傳感器模塊之間的數(shù)據(jù)通信采用TLV(Type、Length、Value)數(shù)據(jù)格式模型。數(shù)據(jù)幀由幀頭、幀類型、幀長度、數(shù)據(jù)包及幀尾組成。幀頭采用0x55，0x AA，0x7E 3個固定字節(jié)，幀類型和幀長分別由一個字節(jié)組成，數(shù)據(jù)校驗采用異或校驗、CＲC16校驗雙重校驗以保證通信的可靠傳輸，幀尾采用0XD0結(jié)束一幀數(shù)據(jù)的傳輸。
圖3 網(wǎng)關(guān)程序流程圖
4、結(jié)論
本研究針對目前數(shù)控加工企業(yè)的實際現(xiàn)狀及面向智能制造的需求，在分析了數(shù)控系統(tǒng)的通信接口基礎(chǔ)上，提出了面向智能制造的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)方案。設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)關(guān)能適應(yīng)多種數(shù)控系統(tǒng)共存，如FANUC、三菱、西門子的系列化數(shù)控系統(tǒng)，利用數(shù)控系統(tǒng)的窗口功能和特定寄存器功能對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行信息數(shù)據(jù)采集，為智能制造環(huán)境下數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)提供了一種低成本組網(wǎng)方案
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