数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发

南京航空航天大学
硕士学位论文
数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发
姓名：肖士利
申请学位级别：硕士
专业：机械电子工程
指导教师：叶文华
20080501
南京航空航天大学硕士学位论文　
摘 要　
生产现场信息的实时采集、传输、处理和分析是现代制造企业进行快速决策与响应的基础。

随着制造自动化和企业信息化的发展，企业对自动采集制造信息的需求越来越强烈，但常常因数控机床的多样性、异构性以及数控系统不开放，使得企业难以实时采集数控机床的现场数据。

因此，研究数控机床状态数据的采集具有重要的现实意义。

论文首先从信息采集的角度分析了数控机床的机床本体、PLC和CNC之间关系，研究了基于数控机床标准通信接口、基于机床PLC、基于机床电气电路三种数据采集方法的实现技术与优缺点。

然后，详细研究了一种基于机床电气电路进行机床数据采集的实现技术——基于外接PLC的采集方法，分析了该方法的实现过程，研究了可从不同OPC服务器读取数据的通用OPC客户端。

在此基础上，设计了具有基于数控机床串口和基于外接PLC两种采集功能的机床数据采集与监视系统（NC-SCADA）总体结构，研究了系统实现的若干关键技术，开发与实现了NC-SCADA系统，并在马钢车轮公司的数控生产线上得到成功应用。

该系统具有通用、可扩展和可重用的特点。

最后，对全文进行总结，并对进一步工作进行了展望。

　
关键词：数控机床，数据实时采集，OPC，电气电路，宏指令，可编程逻辑控制器
数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发　
ABSTRACT
The real-time acquisition, transmission, processing a nd analysis of shopfloor field data are the foundation of rapid decision-making and response in modern manufacturing enterprises. With the development of manufacture automation and enterprise information, the requirement of automatically collecting production information becomes more and more intense for enterprises. However, the variety, heterogeneity and the closed CNC system of NC machine tools make it difficult for enterprises to automatically collect information at manufacturing spots. Therefore, it will be very meaningful to study the data acquisition of NC machine tool.
In this paper, the relations between main body, PLC and CNC of NC machine tool in the perspective of i n formation collecting are analyzed, and the realization technology and the advantages and disadvantages of the three collecting methods are researched, which are basing on standard communication interface、PLC、electrical circuit of NC machine tools. Then one realization technology, the method based on external PLC, which is based on the electrical circuit of NC machine tools is studied in detail, the process realizing data real-time acquisition of processing states of NC machine tools by this technique is analyzed, and general OPC client reading data from different OPC server is researched.
Basing on this research, the general structure of Data Real-Time Acquisition and Supervision System of NC Machine Tool(NC-SCADA) is designed in this paper, which has two collecting function including the methods based on RS232 serial and external PLC. Several key techniques in realizing the s ystem are studied, and the NC-SCADA system is developed, which was applied successfully on the production line in Wheel and Tyre Plant of Maanshan Iron & Steel Co. Ltd. This system has characteristics of universality, expansibility and reusability.
Finally, the whole paper is summed up and further work is looked forwared as well.
Key Words:NC machine tool, Data Real-Time Acquisition, OPC, Electrical Circuit, Macroinstruction, PLC
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图　清　单
图1.1 集中采集集中控制方式 (3)
图1.2 分布采集集中控制方式 (3)
图2.1 数控系统的组成 (9)
图2.2 PLC、CNC和数控机床本体间的信号关系 (12)
图2.3 PLC输入信号图示 (16)
图2.4 PLC输出信号图示 (16)
图2.5 直流输入信号典型电路 (18)
图2.6 直流输出信号接口 (18)
图2.7 负载为指示灯的信号输出电路 (19)
图2.8 负载为继电器线圈的信号输出电路 (19)
图2.9 NC-SCADA系统的总体设计 (22)
图3.1 主轴正转控制梯形图 (28)
图3.2 中间电路 (29)
图3.3 主轴电机 (29)
图3.4 润滑系统电气控制原理图 (30)
图3.5 润滑系统的的PLC控制梯形图 (31)
图3.6 OPC接口访问方式 (33)
图3.7 服务器、组、对象三者之间的关系 (34)
图3.8 OPC连接图 (35)
图3.9 SQL Server 2000和Oracle数据库写入数据性能比较 (37)
图3.10 三种方法的性能特性比较 (39)
图4.1 基于外接PLC的数据采集方法的总体结构图 (45)
图4.2 PLC的现场组态 (46)
图4.3 DI16数字输入模块地址 (46)
图4.4 数控机床继电器接线原理图 (47)
图4.5 OPC服务器内部结构图 (48)
图4.6 OPC服务器Item对象与数据源的关联 (49)
图4.7 本地PC机和远程PC机之间的客户端和服务器基于COM的连接 (51)
图4.8 客户端程序工作流程 (52)
数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发　
图5.1 NC-SCADA系统的软件功能模型图 (56)
图5.2 串口采集流程图 (58)
图5.3 OPC服务器列表 (59)
图5.4 通过连接点连一个接收器过程 (60)
图5.5 订阅式采集流程 (61)
图5.6 数据实时采集与监视系统的线程框架图 (64)
图5.7 机床的日生产运作情况 (65)
图5.8 OEE查询 (65)
图5.9 机床电气柜的继电器线路图 (67)
图5.10 设备引脚配置 (68)
图5.11 系统的运行图 (69)
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表　清　单　
表2.1 三种采集方法的优缺点 (21)
表3.1 三菱系统地址变量 (25)
表3.2 各信号组合对应的设备状态 (41)
表3.3 六大损失的简单说明及其与OEE的关系 (43)
表5.1 机床信号－继电器－PLC DI16地址三者之间的对应关系 (67)
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注　释　表　
１．缩写词　
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition
监视控制和数据采集系统DNC Direct Numerical Control or Distributed Numerical Control
直接数控或分布式数控NC Numerical Control 数字控制CNC Computer Numerical Control 计算机数字控制MES Manufacturing Executing System 制造执行系统OPC OLE for Process Control 过程控制对象链接和嵌入MRP Material Requirement Planning 物料需求计划MRPII Manufacturing Resource Planning 制造资源计划MAP Manufacturing Automation Protocol 制造自动化协议CAN Controller Area Network 控制器局域网LAN Local Area Network 局域网TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol
传输控制协议/互联网协议OSI Open System Interconnect 开放互连系统ISO International Organization for Standardization
国际标准化组织PLC Programmable Logic Controller 可编程逻辑控制器PMC Programmable Machine Controller 可编程机床控制器API Application Programming Interface 应用程序编程接口ODBC Open Database Connectivity 开放数据库互连MDI Manual Data Input 人工数据输入RV Receiver 信号接收器DV Driver 信号驱动器DSP Digital Signal Processing 数字信号处理BCD Binary Coded Decimal 二进码十进数HMI Human Machine Interface 人机接口
承诺书
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

　
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第一章　绪论　
1.1 引言
现代化的制造业自动化程度高，制造过程涉及大量的制造设备、多变的工艺因素，因而它包含了复杂的环境和状态信息。

要实现制造过程的柔性自动化，除了与系统控制、管理等技术相关外，制造过程数控机床的状态采集也显得至关重要。

只有采用有效的信息采集技术，充分、实时、准确地获得制造过程中的各种状态信息，并以此为基础实现对制造过程的有效控制和管理，才能提高整个系统的柔性、强健性和故障处理能力。

因此，数据实时采集和监视技术在信息化制造过程中有非常重要的地位，也是实施制造业信息化的关键技术之一。

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，而且随着数控技术的不断发展，许多企业都形成了相当规模的数控车间。

但因现有数控机床不具有把内部状态数据输出给外部系统的功能，因此，虽然有一些通用的通信接口，外部系统也无法通过这些接口直接提取到机床状态数据。

另外，企业的数控机床又有多种数控系统，同一种数控系统也因购买时间不同存在不同的型号，从而造成了车间数控机床数据采集和集成控制的难度。

随着制造自动化和企业信息化的发展，企业对自动采集制造信息的需求越来越强烈，迫切需要车间设备的制造信息来为生产管理和决策提供依据，因为制造信息不仅可以及时准确地了解企业的设备运行等生产过程情况，减少中间环节，降低人为因素的影响，而且也为科学地编制生产计划提供准确可靠的技术数据和为上层系统提供及时、可靠、准确的生产经营决策参考信息［１］。

因此，研究和开发数控机床数据实时采集与监控系统，对发挥数控机床的潜力、充分利用制造资源，提高企业生产率、竞争力和经济效益均有着重要的现实意义。

　
１．２　数据实时采集与监视技术简介　
在数控车间中，数据实时采集和监视系统是一个完成车间信息采集和监视的计算机应用系统，它是以监测计算机为控制主体，加上检测装置、执行机构和数控机床共同构成的整体［２］。

随着计算机技术和通信技术的飞速发展，数据实时采集和监视系统技术在国内外已取得了很大发展，从四十年代出现以来，它已从最初的集中式向分布式，进而向开放式发展，它的发展过程与数据通信、
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网络的发展过程类似且密切相关，可以大致归纳为［３］：
第一代是基于专用计算机和专用操作系统的监视控制和数据采集(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)系统。

这一阶段是从计算机技术运用到 SCADA 系统开始，一直到上世纪 70 年代为止。

第二代是基于上世纪80年代通用计算机的SCADA系统。

此时计算机广泛采用VAX等通用计算机或工作站，操作系统一般是选用UNIX。

第一代和第二代共同特征是基于集中式的计算机应用系统，并且系统不具有开放性，与其他系统互联困难。

20世纪80年代中期到90年代是第三代分层监视技术，这种监视技术较好地利用了微型计算机、通信和网络技术，生产过程的各个设备配备了相应的微型检测设备，可以独立对设备进行监视，同时通过通信网络与中央监视计算机通信。

20世纪90年代至今，随着网络技术的迅速发展，信息监视技术采用符合TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网络协议）协议的Ethernet、DECnet、广域网、互联网，从而出现了第四代分布式的数据采集和信息监视技术，扩大了信息监视技术与其他应用的集成，它为实现制造商在全球范围内提供高质量的产品和服务提供了一条解决途径；同时也为设备用户获得及时、有效、全面、智能的数据采集服务提供了可能，确保了制造与生产过程的正常进行。

它的基本特点就是：以工作站为基本单元、具有冗余配置、严格遵守工业标准、采用商用数据库、硬件可选用多个厂家的产品、实现网络互联等。

根据制造系统规模和复杂程度，数据采集与监视系统可划分三种具体的数据采集方式。

1) 集中采集集中控制方式
如图 1.1［４］，系统中所有的传感器与数据采集系统相连接，一台主计算机便可完成全部的数据采集及处理功能。

这种方式适合简单规模不大的系统，它突出的优点是结构简单，实现容易，使用和维护方便，成本低廉。

２）　分布采集集中控制方式　
如图 1.2［４］，系统中所有的传感器并不是与某一个主机直接相连接，而是将系统中需要采集的信号进行适当的分组（如按照地域远近分组），由一个数据采集站完成某一特定组的数据采集任务，多个数据采集站共同完成整个的数据采集任务。

在各数据采集站之上设有数据采集服务器，负责对各个数据采集站进
图１．１　集中采集集中控制方式　
行管理，整个数据采集系统构成一个独立的局域网。

这种采集方式的缺点是结构复杂、成本高、使用和维护复杂。

但它能更好的满足实际的需要，且具有网络功能，这种方式是目前大中型制造系统采用的主要数据采集方式。

　
图１．２　分布采集集中控制方式　
３）　混合采集方式　
混合采集方式是前两种方式的组合，对于大规模复杂制造系统的数据采集一般都是采用这种方式，它的特点同分布式方式一致。

　
１．３　数据实时采集与监视技术的研究现状、存在问题和发展趋势　１．３．１　数控机床数据采集的研究现状　
就目前来说，要采集数控机床的数据，可以通过以下两种方式：（1）标准通信接口，如RS-232串口、DNC接口、OPC（OLE for Process Control，OLE 过程控制）接口等；（2）数控机床电气柜中电气控制电路的相关信号点。

第一种方式要求数控系统本身具有标准通信接口，针对目前大多数机床都具有RS-232口，在此基础上发展起来的DNC（Direct Numerical Control or
　３
Distributed Numerical Control，分布式数控）数据采集方法已有较多研究，并出现了许多商品化的软件。

如：美国上升科技公司设计开发的DNC软件——eXtremeDNC。

该软件可以与绝大多数的主流的数控系统进行通讯，实现数控文件的共享、发送和接收，数控机床的监控及远程控制等功能。

在数据采集方面，eXtremeDNC可实现对CNC设备的联网状态信息、加工状态信息、位置信息以及辅助信息全自动的采集，并可通过TCP/IP协议把采集信息实时的发布到网络上［６］。

国外带有数据采集功能的DNC软件还有：DNC Work公司的Net Worked DNC软件、日本FANUC公司的DNC2 系统。

国内对于DNC采集技术研究也很活跃。

如北京华洋宏软件开发有限公司推出的DNC-NET软件，该软件通过RS-232串口，利用机床的宏程序变量输出功能，实现了机床加工信息（包括刀具坐标、进给速度、加工状态、剩余移动量等信息）的实时采集。

南京航空航天大学李波开发的“DNC数据采集软件”也是通过数控机床标准的RS232串口，利用机床的宏程序变量输出功能对FANUC 系统、HASS系统和Siemens系统的机床实现了加工信息的采集［７］。

　
对于一些高档数控系统，如FANUC 16i，Siemens 840D，Heidenhain 430，这些机床具有DNC通讯接口，直接在DNC主机和数控系统中插上相应的DNC 接口卡并运行相应的软件，实现数控系统所带的各种DNC功能。

这种类型的DNC系统不仅可以实现数控程序上传下载，还可以实现机床加工信息的实时采集和远程控制，并可以实时汇总机床使用效率、零件加工工时、刀具使用寿命等信息。

第二种方式实际上是针对不具备数据采集功能的数控机床自行开发外部接口，使其能够自动采集设备运行过程中的各种状态信息。

早期的经济型数控机床，一般只有纸带阅读机输入接口或输出接口。

若要实现DNC数据采集功能，必须外接电路和数据采集卡。

另外，许多数控系统尽管有RS-232、甚至DNC接口，但因系统不对外提供机床状态信号，还是要用这种方式进行设备状态信息的采集。

这种采集方式是在机床系统或机床电气电路的相关部位设置采集点，引出控制电路的电压信号，通过检测电压信号的变化，实现机床状态数据采集的功能。

南京航空航天大学开发完成的江西省重大科技攻关项目“DNC 通讯网络及管理系统”，通过外接数据采集卡的方式实现了对数控机床的运行状态、完工零件等信息的采集［８］。

由于数控机床多用PLC（Programmable Logic Control，可编程逻辑控制器）控制，同时计算机网络是快捷、高效、广普的信息传递媒介，PC-PLC网络因而
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成为数控机床数据采集与监控的一个研究方向［９］。

但是一方面由于数控机床的封闭性，实际应用中很难直接从PLC读取机床的各种信息；另一方面，一些数控系统厂商如Siemens和FANUC等开发有针对自己机床数控系统的数据采集与监测的软件，如西门子公司的WinCC，但是这些软件大多价格昂贵，并且不能适用于全部场合，因此通过外接电路或软件来实现数据实时采集和监视的方法应运而生。

１．３．２　数控机床数据采集面临的问题　
综上所述，基于数控机床标准通信接口的DNC数据采集系统不仅实现了数控程序的上传和下载，数控程序的存储与管理及在线加工、断点续传等功能，而且能够实现数据采集和远程控制等。

由于基于数控机床电气电路的采集方式是采集机床电气柜电气电路相关的电压信号，故一般只能采集开关量信号。

但是，就数据采集而言，目前主要存在以下的几个问题：
（1）不能形成统一的采集方案
现有数控系统由于生产年代和生产厂家不一，存在多种档次和型号，其数控系统的开放性不一致，通信接口和协议也存在差异。

有的厂商的数控机床比较开放，容易实现数据采集，有的厂商的数控机床比较封闭，很难实现数据采集。

同时，通信接口的不同也严重影响采集方案的选择。

因此，对不同的数控系统要设计不同的采集方案，很难用统一的方法实现不同类型和型号的数控系统数据采集。

（2）采集到数据类型比较有限
由上可知，数据采集系统采集到的只有加工状态信息、位置信息（如刀具坐标、进给速度等）及一些辅助信息。

而对于生产管理者来说，他们还需要设备详细的运行状态及故障信息，例如，某个时间段内设备的开机时间、关机时间、运行时间、待料时间、换料时间和故障时间等，只有综合地得到这些信息，才能更好地为生产计划提供准确可靠的技术数据和为上层系统提供及时、可靠、准确的生产经营决策参考信息。

（3）数据采集的实时性不一致
不同的采集方案自然影响了采集数据的实时性，有的采集方法采集的数据实时性比较高，有的采集的数据实时性却比较差，造成不同类型和型号的数控系统的数据采集实时性不一致。

例如，采用RS-232串口，利用机床的宏程序变量输出功能实现数据采集，当机床没有加工时，此时不能采集到机床状态信号。

（4）数据采集软件复用性差
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传统的数据采集软件往往针对某一种或几种数控机床的某些采集对象而设计开发的。

一旦采集对象有变动，需要修改源程序，导致其开发工作量大、周期长，软件本身通用性差、灵活性差、复用性低。

１．３．３　数控机床数据采集系统的发展趋势　
企业信息化时代为数控机床数据采集与监视系统提供了广阔的应用前景。

随着数控技术、微电子技术、计算机技术和信息处理技术的迅速发展，数据采集与监视技术必将不断地发展完善。

目前，它主要有以下几个研究方向：（1）数据采集接口的研究
目前的数控系统大多提供了标准通信接口，但由于机床内部数据很难通过这些接口与外部系统进行共享，这些数控系统要实现机床状态和加工信息的采集都比较困难。

因此，数据采集接口技术的研究是当务之急。

目前，世界各大数控系统设备制造商纷纷投资研究新一代的数控机床通信接口，并提供MAP标准的DNC网络接口及通信软件。

（2）数据实时采集与监视系统与其它系统集成
目前数据实时采集与监视系统软件的功能还不够完善，功能也有限。

数据实时采集与监视系统应该能采集更完备的设备信息，如工件加工时间、任务完成情况等，为车间生产管理提供第一手实时信息。

另外还能对采集的信息进行分析，进行分析，生成各种图表。

除此之外，数据实时采集与监视系统还应该面向CIMS的需要，实现数据实时采集与监视系统与MES系统的无缝结合［１０］。

一个功能完善的数据实时采集与监视系统，应该实现闭环的信息流，机床接收来自工作站的包含数控程序、刀具、夹具信息的制造数据，并反馈生产信息到分析模块，得到提高机床效率的措施。

（3）数据实时采集标准开放性和通用性的研究
现有数控系统生产年代和生产厂家不一，存在多种档次和型号，其通信接口和协议也存在很大的差异。

而且由于制造环境的复杂性和异构的数控系统，目前数据实时采集与监视系统的组成差别很大，往往成为专用系统，系统的可重用性差。

一种开放式的信息集成和应用集成的标准的研究是当前的重点［１１］。

在此标准下，可实现透明的信息交换，同时为不同的操作系统、网络、数控机床设备提供支持。

目前，国内外许多研究机构都在研究开发平台，企图用一个平台来面对各种采用不同通信协议的数控机床，以一个共同的数据结构和人机界面来面对用户。

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1.4论文研究的意义及主要内容
无论制造信息化、制造自动化或MES，都直接或间接地以底层数据采集系统采集的数据为依据，并以此构成一个能反映生产过程真实情况的反馈系统。

而我国现有大多数数控机床虽然提供了各种相关通信接口，但这些接口很难与外部系统共享数据，使得不能自动采集机床的状态信息。

面对世界经济飞速发展和市场全球化，制造企业要想在激烈的市场竞争中获胜，必须具有时间、质量、价格、服务的竞争能力。

具有这四种能力的重要手段之一就是采集与生产相关的实时信息，完善生产过程的监控手段，从而提高现有资源的利用率，提高车间自动化管理水平。

本文将从信息采集的角度，在分析数控机床各种通信接口的基础上，研究了对数控机床的三种数据采集方法，最后详细介绍了基于串口的数据采集方法和基于外接PLC的方法实现对数控机床加工状态的实时采集。

该数据实时采集系统将对南京航空航天大学李波开发的“DNC数据采集软件”进行扩展，使其适应三菱数控系统，另外基于外接PLC的方法较好地解决了数控机床的多样性和异构性，因此这种方法适用于大部分数控机床，具有一定的灵活性。

本文开发的数据实时采集与监视系统集成了基于串口和基于外接PLC两种数据采集方法的优点，使其只需做相应的配置就能实现不同的数据采集功能，有效地改善了系统的通用性、灵活性和可复用性。

用户可以根据数控车间实际情况配置相应的数据采集方法，最终完成数据采集的任务。

另外，本系统还能集成了数控程序的下载／上传、在线加工、远程调用等DNC功能。

数控机床数据采集方法的研究，给数据实时采集和监视系统带来了新的活力，为企业提高设备利用率提供了可靠的技术支持，对我国发展中的企业来说，其实施更具有实际价值。

因此，为了使企业适应现代化生产的需要，推动制造业信息化的发展，研究符合国内实际状况的数据采集系统具有重要的意义。

本文的主要研究内容如下：　
第一章简要介绍了数据实时采集和监视技术，重点叙述了数据实时采集与监视系统研究现状、存在问题及发展趋势，阐明了本课题的研究意义、拟解决的问题、论文的主要研究内容。

　
第二章在介绍了机床的数控技术的基础上研究了对数控机床的三种数据采集方法，即基于数控机床标准通信接口、PLC和电气电路的数据采集方法，最后比较了三种方法的优缺点。

　
　７。