基于OPC UA的数控机床联网适配器设计与研发

黄李炳，江先志

（浙江理工大学，杭州 310018）

基于OPC UA的数控机床联网适配器设计与研发

黄李炳，江先志

（浙江理工大学，杭州 310018）

针对金属加工行业提出了车间设备的网络拓扑架构。基于OPC统一架构（OPC UA）通讯协议，设计研发了数控机床的联网适配器。提出了数控机床的OPC UA信息模型，编写了不同品牌数控系统API通讯程序及OPC UA服务器程序，统一了不同品牌数控机床间的通讯接口，简化上层管理系统的数据采集。

OPC UA；数控机床联网适配器；信息模型

0　引言

随着中国制造业转型和升级，以及智能制造的推广，设备间的通讯与联网成为其中重要的一环。现今，制造业尤其是金属加工业所使用的设备多以数控机床为主，数控机床在制造业有着重要的地位。数控机床的联网影响着设备的维护、生产过程的监视与控制、生产管理，是SCADA，MES，ERP系统的基础，对实现工厂的自动化和智能化生产有着重要的意义。

现阶段，数控机床的控制系统主要有西门子、发那科、三菱和华中等，这些数控系统都以提供API的方式，通过以太网或串口与PC通讯。由于各家厂商各自提供各自的API，通讯接口不统一，加之通讯没有认证机制，安全性不足。本文设计一种数控机床联网适配器，使用OPC UA协议与上层管理系统（SCADA， MES， ERP）通讯。由于OPC UA具有平台无关性，可运行在嵌入式、Linux和Windows等平台上，对底层设备扩展性强，可方便拓展接入各类PLC、机器人、传感器［6］。

1　适配器架构设计

一般金属切削加工工厂的设备有加工设备，检测设备，和自动化辅助设备。设备联网与数据采集是车间现场管理数字化的基础。本文以金属切削加工行业为基础，提出车间现场管理中设备联网的网络拓扑。

图1　设备网络拓扑图

车间设备与上层管理系统分处不同的网络，用中间件服务器连接。中间件服务器为OPC网关，采用双网卡设计。一端根据计算机性能以及车间布置情况与100～200台数控机床联网适配器和其他设备相连，通过OPC Client实时采集和存储车间设备信息，实现车间现场设备间的数据交互，车间设备的维护和管理，使设备隔离互联网环境，提高设备安全性。一端处于上层管理系统网段，为SCADA、MES、ERP系统提供OPC Server服务，完成与车间管理和操作人员的数据交互，细化车间现场管理，满足车间现场数据的及时性和准确性要求。

适配器通过数控系统提供的API与数控机床通讯，采集数控机床信息，再通过OPC Server的DA服务，AC服务和HA服务为中间件服务器的OPC Client提供数据［1］。每台适配器连接一台数控机床，实现实时采集机床数据、机床内NC程序的上传下载、机床刀库内刀具的寿命，尺寸和磨损管理、机床I/O和伺服的基本控制、机床状态参数的远程修改维护等功能。

图2　数控机床联网适配器通讯模型

2　软件设计与实现

由于数控系统提供的API大多基于Windows平台，本文的数控机床联网适配器使用Windows Server 2008操作系统，C#编程语言。基于OPC基金会提供的.NET Stack和SDK开发。

2.1数控机床OPC对象模型

OPC服务器可以通过OPC建模规则，由地址空间的节点和节点间引用建立复杂的信息模型［5］。OPC客户端通过服务器的DA服务浏览模型节点和节点数据传输数据。CommServer公司提供有UA Model Designer软件，用于将OPC信息模型转化为SDK的编程文件。

如图2所示，本文将数控机床分为3个部分，分别是NC控制器，PLC控制器和用户数据［7］。NC控制器主要负责NC程序的解析和运算，伺服电机和主轴的控制；PLC控制器主要作用为用户输入输出信号控制，各类寄存器、计数器和定时器控制；用户数据主要包含了NC程序、刀具信息和用户参数。该模型总结了西门子，发那科，三菱和华中的数控系统结构，努力将模型适用于各类数控机床。

图3　数控机床OPC信息模型

2.2应用程序设计

目前数控系统供应商大多提供各自系统的API接口，采集方式，加密手段，通讯协议各不相同。本文主要针对市面上常见的数控系统做了联网适配，有西门子，发那科，三菱，华中。各家的API都有兼容不同型号和版本的数控系统的能力，针对同一品牌的不同型号和版本的系统只需要做少量的程序适配修改。如图4所示，程序定义了抽象类CNC，所有的CNC属性和共用方法都放在CNC类中，各个品牌的系统都继承了CNC类，在各自的类中实现数据交互方法。使用简单工厂模式实例化不同品牌数控系统类，并定义了CNCColleter类包含CNC类，在CNCCollecter类中完成与数控系统和OPC服务器的数据交互。

程序关键代码如下：

// 添加节点管理类

m_serverInternal.SetNodeManager（masterNodeManag er）；

图4　程序设计

3　结束语

本文设计研发的数控机床联网适配器致力于解决由于数控系统品牌不同、车间数控机床数量较多造成的数控系统与上层系统数据交互困难的问题。统一了数控机床的数据交互接口，确保安全性，数据交换实时性，并初步建立了数控系统的OPC对象模型，适配了的西门子、发那科、三菱、华中四个品牌的数控系统。方便上层SCADA、MES、ERP管理系统与底层设备组网。结合设备数据采集和分析，对工厂产能的提高、产品良率的提升、生产成本的降低有指导意义。

除此之外，对设备而言，使设备追加功能变的容易。例如：监控主轴和伺服电机负载，从而得知工件加工异常和刀具损耗的信息；增加主轴、丝杆温度传感器，监控主轴、丝杆温度，进行温度补偿。这些都只需在适配器上完成即可。针对一些没有API接口的老设备，也可使用适配器对其进行联网升级改造。

对制造业而言，设备的联网和监控是今后的趋势。未来希望数控系统供应商可以共同协商设备联网的行业标准，推动制造业向前发展。

［1］ Mahnke W， Leitner S H，Damm M. OPC unifi ed architecture［M］. Springer Science & Business Media，2009.

［2］ OPC Foundation.OPC unified architecture specification， part 8： data access RC 1.31［S /OL］.［2009-10-10］.http：//www. opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN= KEY&CI=283.

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［3］ OPC Foundation. OPC unified architecture specification， part 9：alarms and conditions RC 1.00.18 ［S/OL］. ［2009-10-10］. http：// www.opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN =KEY& CI=283.

［4］ OPC Foundation. OPC unified architecture specification， part 11： historical access 1.00 ［S/OL］.［2009-10-10］. http：//www. opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN=KEY &CI=283.

［5］ OPC Foundation. OPC unified architecture specification， part 3：address space model RC 1.01.13［S/OL］.［2009-10-10］. http：//www. opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN =KEY&CI=283.

［6］ 陆会明，阎志峰.OPC UA 服务器地址空间关键技术研究与开发［J］.电力自动化设备，2010（7）：109-113.

［7］ FANUC O C.维修说明书［J］.北京：北京发那科机电有限公司.

［8］ SINUMERIK 840D_840Di_810D Shop Mill操作编程手册［J］. 西门子（中国）有限公司自动化与驱动部，2002.

［9］ 高振清，孙厚芳，宫琳.车间现场信息采集技术研究与系统开发［J］.机械工程学报，2006，42（增刊）：188-191.

［10］ 蔡旺，杜道山，李从心.数控机床状态数据采集系统的实现［J］.机床与液压，2005（3）：59-61.

［11］ 杨家荣，徐志明，王昌富.基于OPC技术的数控机床远程监控技术研究［J］.制造技术与机床，2010，7：52-55.

OPC UA based CNC machine network adapter design and development

HUANG Li-bing， JIANG Xian-zhi

TH6

A

1009-0134（2016）10-0064-03

2016-08-05

黄李炳（1991 -），男，浙江绍兴人，硕士研究生，主要从事自动化、设备通讯相关工作。