基于OPC XML DA 标准的机床监控系统研究

徐 兵，丁健生， 李学光，冯伟东

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

（1. 长春工业大学 机电工程学院，长春 130022；2. 长春工业大学 软件职业技术学院，长春 130022；3. 长春理工大学 机电工程学院，长春 130012）

基于OPC XML DA 标准的机床监控系统研究

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

徐 兵1，丁健生2， 李学光3，冯伟东3

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

（1. 长春工业大学 机电工程学院，长春 130022；2. 长春工业大学 软件职业技术学院，长春 130022；3. 长春理工大学 机电工程学院，长春 130012）

本文建立了基于OPC XML DA标准的机床网络监控系统，数控机床通过IOLogic接入局域网，实现基本的对数控机床的数据采集功能，在此基础上通过一个Web服务器以Web Service的方式发布采集到的机床数据。本文以统一建模语言（UML)做为工具，以面向对象的思想分析和设计了该系统。通过该系统的实施和应用可以实现对机床的状态信息数据远程访问,从而实现对生产状况的监控、分析、报表，进而改进生产计划，提高生产效率。

数据采集；OPC；UML；IOLogic

0 引言

网络化制造已成为一种新的用户驱动的制造方法，制造的全球化和网络化是现代制造业的发展趋势[1]，这就要求作为重要制造资源的数控机床能够实现全球共享，通过Internet／Intranet支持本地和异地制造，包括接收远程查询、发布自身参数、接收远程数控程序和指令、提供现场数据。同时为了实现离散加工制造业的管控一体化,在车间设备底层,必须对一些重点设备和生产线进行实时监控,以便进行设备状态监控和生产工艺参数的采集,从而给管理层提供实时信息供其进行决策管理[2]。

然而由于数控设备的种类繁多，通信规则与通信参数设置往往互不相同，导致对这些互异的数控设备进行联网信息采集十分困难。

OPC（OLE for process control）是由OPC基金会提出的新一代工控软件规范，其中OPC DA(Data Access)标准提供在控制系统中应用程序与控制设备之间进行数据交换的规范方法。

但是，OPC DA是基于微软的COM/DCOM技术的，COM/DCOM技术可以在局域网内方便地快捷地实现数据交换，但却并不适合通过Internet来访问。而在DNC系统中，用户对机床设备监控、维护、管理等方面正朝着基于Web、基于Internet/Intranet的一体化集成的方向发展，为满足这种对设备异地远程访问的需求，本机床监控系统的实现采用了OPC XML DA标准。

系统采用OPC XML DA标准后，具有如下优点：

1）支持Internet/Intranet访问。由于OPC XML DA采用SOAP/HTTP协议传输数据，克服了传统的基于COM/DCOM技术的OPC DA标准不能在Internet上远程访问的缺点，因而使得本系统可以方便的在局域网或广域网内访问到机床的状态数据。

2）跨平台。由于OPC XML DA在本质上是一个Web服务，可以在任何支持Internet的操作系统上进行访问，包括Windows、Linux、Unix等主流操作系统，解决了以往仅能在Windows操作系统上访问OPC数据信息的限制。

1 系统硬件架构

DNC系统部署在企业局域网内，每台数控设备通过一个IOLogic接入局域网。IOLogic一端通过机床引线与数控设备连接，另一端通过以太网口接入局域网。IOLogic支持TCP/IP协议，为IOLogic指定一个IP地址即可实现数控设备信息联网采集，同时IOLogic也为上位机提供编程接口,可通过调用IOLogic提供的API接口实现上位机对数控设备的信号采集。对于上位机，需要以下配置：OPC服务器一台，运行信号采集程序，即OPC XML DA 服务器端；数据库服务器一台，存储设备配置参数；普通PC机若干台，运行信号显示程序，即OPC XML DA客户端。系统的硬件架构如图1所示。

图1 机床监控系统硬件架构图

2 系统软件架构

系统的软件架构及开发环境如下：开发工具：Microsoft Visual Studio 2005；开发语言：C#；业务数据库：Microsoft SQL Server 2000； OPC XML DA服务器：Microsoft Internet Information Service 6.0；操作系统：OPC 服务器及数据库服务器采用Windows Server 2003操作系统；上位机采用Windows XP Professional操作系统；网络环境：10M/100M局域网。

信息采集程序由配置数据库、信息采集程序客户端、OPC XML DA Server构成。其中配置数据库部署在数据库服务器上，用于存储设备参数。信息采集程序客户端部署在上位机上，负责以图形界面显示设备的状态信息。OPC XML DA Server部署在OPC服务器上，负责从IOLogic中实时读取设备状态信息，并通过Web Service对外发布八个接口（OPC XML DA1.0标准中规定），信息采集程序客户端通过这八个接口间接获取IOLogic提供的机床状态信息。程序的软件架构如图2所示。

图2 机床监控系统软件架构图

3 功能设计

本系统的使用人员按权限划分包括普通的车间监控人员和系统管理员两类。监控人员登录系统后便可通过信息采集程序客户端以图形界面实时监控车间内各联网数控设备的运行状态。监控系统会自动根据采集到的机床状态信息，判断设备的运行情况，对于运行时出现异常（故障）的设备，将根据管理员设定的阈值报警并记录在历史记录中，供监控人员在故障诊断时使用。

系统管理员除拥有常规的机床监控功能外，还可对设备、日志及系统参数进行设置。通过对监控日志的分析，管理员可以得到机床利用率、设备负载情况等统计信息，从而科学合理地安排生产计划，进而提高生产效率。根据对以上用例分析，本文采用统一建模语言（UML）中的用例图来构建系统的功能分析模型，如图3所示。

图3 机床监控系统功能分析模型

4 系统设计

4.1 OPC XML DA客户端设计

客户端主要由权限认证模块及设备数据读取/呈现模块组成。其中权限模块保证只有经过授权的合法用户才能访问服务器。数据读取/呈现模块通过引用OPC XMLDA服务器所提供的八个接口，从OPC XML DA服务器获取数控设备的状态信息数据，并以图形化界面实时显示给用户。统计分析模块通过读取监控日志中的内容，得出机床工作时间、等待时间、使用率，设备负载等情况的统计报表。

由于OPC XML DA标准对客户端的编程语言及实现形式并没不做要求，无论采用何种编程语言，也不论采用C/S还是B/S架构，只要按照OPC XML规范进行数据读取，均可以实现客户端。考虑对图形界面编程的有力支持，本系统采用了C/S架构。

4.2 OPC XML DA服务器设计

OPC XML DA服务器是整个机床监控系统的核心，需要完成两个主要功能，一是对机床数据的实时采集，二是对外发布Web服务接口，供客户端调用。OPC XML DA服务器由管理模块、实时数据采集模块、数据缓冲区以及OPC XML DA接口四个部分组成。OPC XML DA服务器的结构如图4所示。

图4 OPC XML DA服务器结构图

管理模块负责维护机床的参数信息，如IOLogic节点的IP地址、端口号、连接超时时间、信道描述等。

实时数据采集模块通过调用IOLogic提供的API完成实际的数据采集功能。当服务器加载时，首先通过管理模块在配置数据库中读取所有数控机床配置参数，然后根据读取到的参数初始化数据采集模块，尝试建立与IOLogic的连接，如果建立连接成功，则数据采集模块便进入采集状态，实时采集设备的状态信息。当程序退出时，数据采集模块自动关闭之前与IOLogic建立的连接。

由于数据采集较为耗时，尤其当需要采集的数控设备较多时，会严重影响服务器的响应速度。为解决上述问题，本系统利用了Windows多线程多任务机制，对数据采集工作实施多线程分配，为每一个设备创建一个独立线程，缓解高速的CPU与低速的数控设备之间的矛盾。

数据采集模块取出的数据是实时的，在通过OPC XML DA接口发布之前，数据采集模块会将采集到的数据写入一个内存缓冲区内。该缓冲区模块负责设备数据的临时存储，数据在缓冲区中按照服务器对象组对象项对象的格式存储。缓冲区在数据采集程序与Web服务程序之间以共享内存的形式实现数据交换。

OPC XML DA接口模块是架设在微软的IIS服务器上的一个Web服务，通过Web Service的形式对外提供八个调用接口。该模块负责接收来自OPC XML DA客户端的请求并根据请求将数据缓冲区中的数据封装成SOAP消息回馈给客户端，从而对客户端的请求做出应答，为客户端提供数据来源。

5 运行效果

机床监控系统提供了强大的数据采集功能和实时的分析能力，并可以根据管理者的选择显示多种统计报表，如机床利用率、机床实时工作状态等。这此统计数据可以做为管理者制定生产计划、安排生产任务的基础。通过分析统计数据，管理者可以更容易发现生产过程中的瓶颈因素，及时纠正生产过程中潜在的错误，从而优化生产计划，提高生产效率。

图5 机床实时工作状态截图

6 结论

本文建立了基于OPC XML DA标准的机床网络监控系统，建立了系统的体系结构模型及软硬件架构模型，通过测试，该系统达到了较好的使用效果，通过本系统的实施与应用，能够大大提高企业的生产效率，具体实现的功能如下：

1）实现数控设备联网。通过IOLogicE2210将原本分散独立的数控设备以网络结点的形式连接于企业局域网内；

2) 建立了具有实时数采功能的OPC XML DA服务器。通过局域网，实现上位机对多台（255台以内）联网数控设备的信号采集。

3）开发了OPC XML DA客户端，以图形界面实时显示数采服务器中的设备数据。

[1] 李治,王敏杰,闫伟国.一种基于Web的DNC数控机床信息采集系统[J].组合机床与自动化加工技术,2005,9.

[2] 黄志辉,张利,龙赛琼.基于RS - 485 现场总线的机床监测系统设计[J].组合机床与自动化加工技术,2005,10.

[3] 康灵燕.基于OPC.XML的生产过程信息集成方法及应用研究.北京:北京化工大学,2008,3.

TP277

B

1009-0134(2010)11(上)-0035-03

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

2010-06-20

吉林省科技厅发展规划资助项目

徐兵（1965 -），男，副教授，研究方向为制造业信息化、柔性制造、敏捷制造。