基于OPC的可重构制造单元控制系统设计

李绍成，朱典想， 陈富林

（1.南京林业大学 工业学院，南京 210037；2.南京航空航天大学 机电学院，南京 210016）

0 引言

为了满足多变的市场需求，可重构制造系统应运而生。可重构制造系统是一种新型的制造系统，主要通过制造单元重构和设备重构来满足变品种的工件加工要求[1～4]。制造单元重构的关键是要有可重构的控制系统，因此，对可重构制造单元控制技术进行研究具有较好的应用前景。

1 可重构制造单元控制结构设计

1.1 OPC技术在制造单元控制中的作用分析

OPC（OLE for Process Control）是用于过程控制的OLE技术[5,6]。OPC技术出现之前，控制系统与设备之间的数据交换是通过驱动程序实现的。OPC技术的出现将设备的驱动程序从控制系统中独立出来，封装成OPC服务器。控制系统只要具有OPC客户端接口，就可以访问任何提供了OPC服务器的设备，如图1所示。OPC技术为制造单元控制带来了以下好处：

1）OPC技术使控制系统与设备的接口标准化，降低了控制系统的开发难度，提高了控制系统的可维护性。

2）OPC客户端和服务器可以分布在局域网的不同计算机上，使得控制系统的分布与系统硬件的分布无关，便于系统硬件配置。

3）OPC技术使控制系统的开放性提高。

1.2 基于OPC的可重构制造单元控制结构设计

根据可重构制造单元的控制结构要求，借鉴递阶式控制结构的思想，建立了图2所示的基于OPC的可重构制造单元控制结构。

这种控制结构从功能上看表现为三层：单元层、工作站层和设备接口层。这种体系结构是由递阶式控制结构改进而来的，保持了递阶式控制结构的优点，又具有一些新的特点：

1）与传统的控制系统相比，增加了一个连接层：设备接口层。这样上层控制软件由与设备的直接通信转化为与设备接口控制实体的通信，降低了上层控制软件的复杂性，并提高了控制系统的适应性和扩充性。

2）单元层所需的设备状态信息是从设备接口控制实体中直接获得的，从而提高了控制系统的实时性。

3）设备接口控制实体含有按照OPC规范设计的客户端接口，极大地提高了控制系统的可维护性。

1.3 可重构制造单元控制系统开发方法

由图2可以看出，按照本文提出的控制结构设计的可重构制造单元控制系统应该是多个功能模块的有机组合体，能够方便地添加或修改某些功能模块，以满足控制系统的功能变更、扩展和升级需求，而对其它功能模块不产生影响。为此，本文采用了基于COM/DCOM规范开发的组件来构造可重构制造单元控制系统。

2 控制系统软件详细设计与开发

由上述的可重构制造单元控制结构和软件开发方法可知，在可重构制造单元控制系统开发过程中主要运用OPC技术和组件技术。

2.1 OPC服务器开发

本文开发的OPC服务器是采用拓林开发工具包实现的。该OPC服务器是一个进程外组件，符合标准的OPC服务器规范，具有如下功能：注册和注销；工具包动态库的初始化和清除；服务器信息设置；OPC项的创建与删除；OPC项数据的更新；OPC服务器与客户程序的数据交换等。

2.2 功能组件详细设计

功能组件包括工作站组件和设备接口组件，本文是利用ActiveX 技术来开发工作站组件和设备接口组件的[7,8]。

由于篇幅限制，这里仅介绍设备接口组件的详细设计思路。设备接口组件主要完成两方面任务：一方面，接收上层控制软件发送的设备动作指令，通过OPC客户端接口写入相应设备的OPC服务器；另一方面通过OPC客户端接口采集设备的输出值，并将输出值与设备运行状态反馈给上层控制软件。图3为设备接口组件的运行控制流程图。

2.3 单元控制器详细设计

单元控制器是控制系统的核心，主要由布局配置、加工计划制定、加工路径设置和运行控制四个模块组成。

布局配置模块为用户提供一个图形建模的交互界面，用户可以方便地构造出与制造单元物理系统一致的图形布局。

加工计划制定模块主要负责加工任务的输入和加工计划的自动生成。

加工路径配置模块主要用于配置工件的加工路径。

运行控制模块主要是根据加工计划、加工路径和系统的状态信息依次向工作站组件或设备接口组件发送任务信息或控制命令，并通过设备接口组件获取设备的状态信息，利用设备资源控件显示设备的运行状态。

3 原型系统应用与结果分析

在研究过程中开发了常用的设备显示控件、设备接口组件、工作站组件和单元控制器。对这些控件、组件进行适当的配置后，就可以构建出一个制造单元控制系统。

3.1 在FMS上的应用

Denford公司的FMS系统是一套小型的柔性制造系统，由一台ORAC数控车床、一台TRIAC数控铣床、两台日本三菱公司的RM-501型机械手和一条环形传送带组成。

对本文研究中所开发的OPC服务器、设备控件、功能组件和单元控制器进行适当的选择和配置，可以快速地构建出图4所示结构的FMS控制系统，系统运行的主界面如图5所示。

3.2 结果分析

目前该控制系统运行良好，已用于硕士研究生和本科生的实验教学。本文设计开发的控制系统与原系统相比具有以下优点：能适应系统的伸缩性要求；能适应系统布局变化要求；能适应工件加工工序变化要求；能适应硬件设备升级要求。

4 结束语

本文设计开发的基于OPC的可重构制造单元控制系统满足制造系统快速重构控制要求，今后，随着对控制系统软件的进一步改进和完善，可以将其应用于企业的实际生产制造单元中。因此，本文的研究成果为可重构制造系统的推广应用提供了一定的技术基础。

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