基于Web的开放式CNC机床远程监控系统研究.pdf

2 0 1 3年 8月 第 4 1卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE TO0L＆ HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 5 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 5 ． 0 3 3 基于 We b的开放式 C N C机床远程监控系统研究 高孙权 ，田威，朱彬，卢碗宇 南京航空航天大学机电学院，江苏南京 2 1 0 0 1 6 摘要根据制造业数控加工设备网络监控与故障诊断服务需求以及西门子 8 4 0 D数控系统的特点，提出了基于 We b的 开放式 C N C机床远程监控系统设计总体方案，并分析了远程监控系统的监控流程。同时，通过研究西门子 8 4 0 D数控系统 的H M I 与 N C K ／ P L C的通讯机制 ， 提出了基于 O E M软件二次开发的数控机床运行信息交互系统，能够实时读取与控制来 自 数控系统的各种信息。在此基础上利用 F l e x与 J a v a 技术，设计了基于 B ／ S 模式的远程监控系统，并应用到铁路货车轮轴生 产线上。运行结果表明系统稳定可靠 ， 能满足应用需求。 关键词 We b ；开放式 C N C ；远程监控；西门子8 4 0 D数控系统 中图分类号 T P 2 7 4 T P 3 1 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 51 2 4 5 Re s e a r c h o n W e b- b a s e d Re mo t e M o n i t o r i ng a nd Co n t r o l S y s t e m f o r Op e n CNC M a c hi ne To o l s GA0 S u n q u a n， T I AN W e i ， ZHU Bi n， LU Xi a o y u C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 1 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t s o f t h e n e t wo r k mo n i t o r a n d c o n t r o l a n d t h e f a u l t d i a g n o s e s e r v i c e o f t h e NC ma c h i n i n g e q u i p me n t i n ma n u f a c t u ri n g i n d u s t r y a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c o f S I NUMER I K 8 4 0 D，t h e t o t a l d e s i g n f o r we b b a s e d r e mo t e mo n i t o rin g a n d c o n t r o l s y s t e m o f o p e n CNC ma c h i n e t o o l s wa s p u t f o r w a r d，t h e mo n i t o rin g a n d c o n t r o l s y s t e m w a s a l s o a n a l y z e d ． Me a n wh i l e ， t h e s e e o n d d e v e l o p me n t o f C NC i n f o r ma t i o n a l t e r n a n t s y s t e m b a s e d o n OE M w a s p r o p o s e d b y s t u d y i n g t h e p ri n c i p l e o f c o mmu n i c a t i o n b e t w e e n HMI a n d NC K ／P L C，i t c o u l d r e a d d a t a a n d s e n d c o mma n d s t o t h e C NC c o n t r o l l e r ． O n t h a t b a s i s ，t h e r e mo t e mo n i t o ri n g a n d c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n B ／ S mo d e wa s d e s i g n e d b y u s i n g F l e x t e c h n o l o g y a n d J a v a t e c h n o l o g y ．F i n a l l y，t h e s y s t e m w a s a p p l i e d t o t h e a x l e p r o d u c t i o n l i n e o f r a i l w a y f r e i g h t c a r s ．T h e o p e r a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m i s s t a b l e a n d r e l i a b l e ，w h i c h c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s for a p p l i c a t i o n ． Ke y wo r d s W e b； Op e n CNC； Re mo t e mo n i t o rin g a n d c o n t r o l ；S i n u me r i k 8 4 0 D s y s t e m 随着计算机技术、通信与网络技术的普遍运用与 发展 ，智能化、柔性化、网络化成为当代数控机床发 展的主要趋势，同时作为数控机床中重要组成部分的 数控系统也正在发生着深刻的变革，正朝着开放式、 模块化 、集成化 、智能化 、网络化的方 向发展 。而车 间层数控机床 的网络化远程监视 、操作 、故障诊断服 务等对现代网络化制造具有重要的意义。因此 ，研究 数控机床网络化远程监控技术可以实 - 4 ] 1 及 时准确地获取数控设备的运行数据和工件的加工数据 并快速集中进行统计分析处理，为生产管理和决策提 供依据； 2 工作人员无须亲临车间现场 尤其在 恶劣环境下就可以监视与控制数控设备的运行状 态及各种参数，并可以进行故障诊断等，大大提高了 劳动生产效率； 3 加强了企业资源共享及企业合 作，实现了虚拟企业、敏捷制造和全球制造的新型制 造模式。 西门子 S I N U M E R I K系列数控系统在 国内的应用 越来越广泛，尤其是全 P C集成的西 门子 8 4 0 D数控 系统以其优越的开放性能、扩展性能、接口性能、通 信性能以及稳定性能，成为高端数控设备的首选系 统 J 。由于该数控系统提供了一个基于 P C的控制概念 以及其 H M I 软件中提供了强大的二次开发文件系统， 从而为实现数控机床网络化远程监控提供了可能。 作者以某一铁路货车生产企业的轮轴生产线为背 景，以西门子 8 4 0 D数控系统为研究对象 ，进行了数 控机床运行信息交互系统的开发，在此基础上提出基 于 We b的开放式 C N C机床远程监控系统解决方案， 为远程网络制造和企业综合自动化奠定了基础。 1 西门子 8 4 0 D数控系统简介 西门子 8 4 0 D数控系统是一个智能化的开放式数 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 2 3 作者简介高孙权 1 9 8 5 一 ，男，硕士研究生，主要研究方向为机电一体化控制、制造业信息化。E ma i l 1 3 2 1 8 9 7 6 1 8 qq c o m o 第 1 5期 高孙权 等 基于 We b的开放式 C N C机床远程监控系统研究 1 2 5- 控平台，由人机界面 MM C 、可编程逻辑控制器 P L C 、 数 控 及 数 字 驱 动 单 元N C U 与 S i m o d r v i e 6 1 1 D3 部分组成 ，构成了全数字化的开放 式数控系统。该系统的开放性主要取决于 MMC中的 H MI 软件、P L C，尤其是 H M I 软件的开放性为用户提 供了广阔的平台，能够满足不同用户的需求 。 H MI 软件 是西 门子 开发 的一套软件并 安装在 MM C中，它包含 用于任务管理的 R e g i e程序、用于 顺序控制框架、用于数据交换的 D D E ／ O P C服务器以 及用户开发的 O E M程序。西门子标准的 H MI 应用程 序与底层硬件 N C K ／ P L C之 间的通讯 是 以 M P I 驱动 与 Wi n d o w s N T操 作 系 统 为桥 梁 ，可 以 实 现 H M I与 N C K ／ P L C之间 的通 讯 通 讯原 理 见 图 1 。所 以 ， 文中的数控机床运行信息交互系统正是在研究 H MI 与 N C K ／ P L C通讯的基础上并利用西门子提供的 O E M 二次开发工具包来进行开发 的。 图 1 数控系统 H MI 软件通讯原理 2 远程监控系统总体网络架构 基于 We b的开放式 C N C机床远程监控系统采用 3 层架构 见图 2所示 第 1 层为车间设备层 ，包 含机床 、生产线服务器、工业 以太网与交换机；第 2 层为中间层 ，包括 We b服务器、数据库服务器及其 他部I - J H 务器等；第 3层为客户端层 ，用户只需要在 客户终端 P c上安装 I E 6 ． 0版本及 以上的浏览器 ，就 能够访问 We b服务器从而能够对机床进行远程监控。 r 、 l W eb 客 户 『 W eb 客 户 l lW eb 客 户 l W eb 客 户 l 端 溯 览 器 I 端 浏 览 器 l l端 浏 览 器 l 端 浏 览 器 l I I l l l l I I nt e r n e t l l I l nt ra ne t l r I I 一 J 1 w e b 服 务 器 其 他 部 门 服 务 器 o R A C L E 关 系 数 据 l 、 匿 墅 墨 墅 一， 蒲 磨 ⋯ l 交 换 机I l I nd u s t r y Et h e r n e t I 开 放 式 数 控 机 床 l I I开 放 式 数 控 机 床 2 l ⋯ I开 放 式 数 控 机 床 图2 远程监控系统网络总体架构 客 户 层 - } - 由 间 层 根据开放式 C N C机床远程监控系统的实际需求 ， 系统监控流程如图3所示。首先客户通过 We b客户 端浏 览器访 问 We b 服务 器 实 际是访 问 T o m c a t 服务 器中的应用程序并登录到机床可视化监控界面， 然后根据用户需求及授权等级来进行相应的操作。当 客户发送机床监视请求至 We b服务器时，we b服务 器便会请求 O r a c l e 数据库传送实时数据至 T o m c a t 服 务器中的应用程序 ，这时应用程序将数据在网页上显 示并动态刷新页面，从而供用户监视机床的运行状态 及统计分析信息；当客户发送 “ 机床逻辑控制、N C 程序控制或参数设置”执行操作命令请求至 We b服 务器时，We b服务器便传送执行操作命令至 O r a c l e 数据库，然后 O r a c l e 数据库再将执行操作命令传送至 S Q L S e r v e r 控制数据库并要求机床执行相应的动作命 令，最后将执行动作命令返回到 We b 服务器端。 厂 浏览器请求命令类型 Y 王 视信 ／。 We b 月 ＆ 务器请求Or a c le 数据库传送实时数据 二二二]二二 将数 据 传送 给we b 服 筹器端的We b 应 用程序 二二二]二二 应用程序将数据在网页 上显示并动态刷新页面 二二二]二二 动 画效 果动 态 显示 数据 ． 4 _ 函 藉 _机 霆 Y c程 We b 服 务 器传 送 执行 动 作命 令 至Oracl e 数 据 库 O rac le 数据库传送执行动作 命令至s QL s e r v e r 控审 嶝蠕 将执行动作命令返回到 We b服务 器端 结束 图3 远程监控系统监控流程图 3远程监控系统的开发 3 ． 1 远 程监 控 系统软 件框 架设 计 根据远程监控的实际需求 ，基于 We b的开放式 C N C机床远程监控系统主要包括 2大功能模块 见 图4 系统安全管理模块与机床远程监控模块。 广 _ r 百 丽两 远 程 监 控 系 统 框 架 系 统安 全 管 理模 块 机床远程 监控模块 用 户删 除 权 限分 配 机床监测 机床控制 图4 远程监控系统软件框架 1 系统安全管理模块。包括用户添加、用户 删除与权限分配，主要功能是加强系统的防护、信息 一一一一 一一一一一一 ～一 一一～ 一一一一一一 ▲寸 车 问 设 备 层． 。 ． 。 _ _1 1 2 6 机床与液压 第 4 l卷 过滤和客户管理 。 2 机床远程监控模块。包括机床监测与机床 操作，其中机床监测可以对机床进行可视化监视，主 要包括机床状态显示、零件加工显示、机床运行状 态 ，同时还可以对机床进行相关的统计分析 ，如机床 效率分析、机床利用率分析、机床 O E E分析等 ；机 床操作主要包括机床逻辑控制、N C程序控制及参数 设置 。 3 ． 2 机床 运 行信 息交 互 系统 设计 3 ． 2 ． 1 用户程序 的开发 用户程序的开发包括用户程序界面的制作 、用户 程序与 N C K ／ P L C之间的数据通讯、用户程序与生产 线控制数据库之间的数据传输3个部分。 1 用户程序界面的制作 首先在 V B 6 ． 0中创建一个标准应用程序，然后 打开工程下拉菜单中的组件对话框并添加 D C T L ． O C X 控件 注意 只有在开发 P c上安装了 H MI P r o g r a m m i n g P a c k a g e ，才能在 V B中添加 D C T L ． O C X控件 ， 最后根据机床运行状态变量以及控制命令变量的个数 在 F o r m窗 口中添加相应个数的控件。 2 用户程序与 N C K ／ P L C之间的数据通讯 通过在用户程序界面 中添加的 D C T L ． O C X控件 可以实现用户程序与机床 N C K ／ P L C数据交互。在设 计程序时，需要设置 D C T L ． O C X控件的相关属性 ， 主 要 包 括 L i n k T o p i c 、 L i n k I t e m、 D a t a T o C a p t i o n 、 L i n k C m d 。下面给出读取主轴转速程序代码 P r i v a t e S u b Fo r m L o a d ‘ 连接到机床 服务器 D c t l l 0 ．L i n k T o p i c “ n c d d e I N C U 8 4 0 D” ‘ 读取主轴转速 D c t l l 0 ．L i n k h e m “ ／ N c k ／ S p i n d l e ／ a c t S p e e d ” ‘ 由D a t a 属性显示主轴转速 Dc t l l 0 ．D a t a T o C a p t i o n F a l s e D c t l l 0 ．L i n k C md C md Ho t l i n k N o t i f y D a t a En d S u b 其中，L i n k T o p i c 属性是由 “ 服务器名 I 主机名” 组成 ，通过查看机床初始化文件 M MC ．I N I 文件可获 得服务器名与主机名；L i n k I t e m属性为链接变量地址 的路径，可以查看 B T S S变量数据接 口获得；当D a t a ． T o C a p t i o n属性 为 F al s e时 ，D C T L控件 的 D a t a 属性 显 示数据 ，相反 D C T L控件的 C a p t i o n属性显示数据； L i n k C m d属性指 D C T L控件执行的命令 ，C m d H o t l i n k N o t i f y D a t a 命令指有新的数据产生时，建立热连接。 该系统除了要读取机床的运行状态数据，还需要 对机床的逻辑动作 、N C程序运行、参数设置等进行 控制 ，P I 服务提供 了多个指令，可 以输入指 令给 N C K ／ P L C来对机床运行进行控制，主要命令如表 1 所示 。 表 1 P I 服务指令 服务指令 含义 P I S TA R T P I S T AR T BI N ARY PI S T OP PI S T0P BI NARY P I RE S UME P I RE S U ME B I N ARY N C K执行某指令 P L C执行某指令 N C K停止执行某指令 P L C停止执行某指令 N C K恢复停止执行某指令 P L C回复停止执行某指令 下面给出 N C程序自动控制运行代码 P r i v a t e S u b F o r m L o a d D c t l l 0 ．L i n k T o p i c “ n c d d e l N C U 8 4 0 D ” D c t l l 0 ．D a t a “ P I S T A R T ／ N C ，2 0 1 ，／ N MPF DI R／ 一 N BS P MP F， 一 N S E L E C T ” D c t l l 0 ．L i n k C m d C m d N o n e En d S u b 其中 “ ／ N C” 表示 在 N C K 区域 内执 行选 择 ， “ 2 0 1 ”表示将要选择的 N C程序位于通道 1 ，“ ／ N MP F DI R／ 一 N B S P M P F ” 表示 要选 择 的零 件程 序的路径及文件名 ，“ 一N S E L E C T ”表示当前执行 的选择任务 P I ． N a m e 。 3 用户程序与生产线控制数据库的数据传输 为了使用户程序能够将机床的运行状态数据传送 至数据库中，D C T L控件中的 D d e N o t i 事件可以将变 化后的数据写入相应的数据表中，代码如下 P r i v a t e S u b Dc t l l D d e N o t i f y I n d e x A s I n t e g e r ， F l a g A s I n t e g e r F l a gF l a g1 I fFl a g1 0 0 0 Th e n F l a g1 En d i f r s ．A d d n e w ‘ 添加新 的记录 r s ．F i e l d s “ S p i n d l e V e l ” D c t 1 1 0 ．D a t a ‘ 变化后的主轴转 速添加 到 “ S p i n d l e V e l ”字段下 Rs ． U p d a t e En d S u b 对于机床控制命令数据的传输，数据库只需要传 输数值 0 停 止执行与数 值 5 开始 执行 给 D C T L控件中的 L i n k C m d属性即可。 3 ． 2 ． 2 用户程序的嵌入 在个人开发 P c上将编写好的用户程序编译成 O E M WO R K ． E X E文件并嵌入到机床 H MI 的 O E M框 架下 ，这里主要是通过代理程序 O E MF R A M E来实现 的，主 要 用 到 的 文 件 有R E G I E ． I N I 、 O E M FRAME． I NI 、 RE UK． I NI 。