唐文獻(xiàn)，楊 洋

（江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

監(jiān)控軟件作為控制系統(tǒng)的“大腦”，它處于整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最上層。其能否實(shí)現(xiàn)重構(gòu)不僅決定了板件拼裝焊接線系統(tǒng)重構(gòu)的速度與成本，甚至決定了整個(gè)焊接線系統(tǒng)重構(gòu)的成敗[1,2]。

本文通過對(duì)可重構(gòu)板件拼裝焊接線系統(tǒng)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了基于“組冗余與項(xiàng)選擇”的數(shù)據(jù)可配置策略的可重構(gòu)監(jiān)控軟件。該軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接線系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且可實(shí)現(xiàn)軟件的重構(gòu)配置，為控制系統(tǒng)的快速重構(gòu)提供保障。

1 可重構(gòu)監(jiān)控軟件關(guān)鍵需求分析

如圖1所示，板件拼裝焊接線控制系統(tǒng)是以基于PROFIBUS-DP的多主站網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，分別由首尾段控制子系統(tǒng)與各焊接機(jī)器人工作站控制子系統(tǒng)組成。其中，機(jī)器人工作站控制子系統(tǒng)以內(nèi)部各控制模塊通過PROFIBUS-DP構(gòu)建的單主多從子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)通過DP/DP Coupler網(wǎng)關(guān)與S7-300PLC通信實(shí)現(xiàn)互連。子系統(tǒng)1至子系統(tǒng)n依據(jù)焊接工藝分別對(duì)應(yīng)于焊接工位1控制子系統(tǒng)至焊接工位n控制子系統(tǒng)。如圖1所示，機(jī)器人工作站分別對(duì)應(yīng)有無變位雙工位、無變位單工位、翻轉(zhuǎn)雙工位、翻轉(zhuǎn)單工位以及回轉(zhuǎn)雙工位和回轉(zhuǎn)單工位等6種焊接機(jī)器人工作站。當(dāng)焊接線系統(tǒng)重構(gòu)時(shí)，需根據(jù)具體焊接對(duì)象的焊接工藝，首先由焊接工位數(shù)與每個(gè)工位的工藝類型確定需要的機(jī)器人工作站數(shù)目與類型。然后依據(jù)工藝順序，依次選擇相應(yīng)的焊接機(jī)器人工作站實(shí)現(xiàn)焊接線結(jié)構(gòu)重構(gòu)，同時(shí)引入對(duì)應(yīng)機(jī)器人工作站的控制子系統(tǒng)并通過網(wǎng)關(guān)互連，從而實(shí)現(xiàn)焊接線控制系統(tǒng)的底層重構(gòu)。

圖1 板件拼裝焊接線控制系統(tǒng)重構(gòu)示意圖

對(duì)于焊接線控制系統(tǒng)，由于每一次對(duì)控制系統(tǒng)底層進(jìn)行重構(gòu)，都會(huì)對(duì)系統(tǒng)原有控制數(shù)據(jù)造成變化，包括機(jī)器人工作站控制子系統(tǒng)的類型與總數(shù)目的變動(dòng)。這就會(huì)影響到上位機(jī)對(duì)重構(gòu)后的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，這種情況下每一次對(duì)控制系統(tǒng)的重構(gòu)，就需要對(duì)監(jiān)控軟件進(jìn)行重新編譯或設(shè)計(jì)，而這無疑會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的重構(gòu)速度與成本。

所以作為可重構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，首要需求就在于能夠使監(jiān)控軟件滿足當(dāng)焊接線系統(tǒng)發(fā)生重構(gòu)時(shí)，能夠通過監(jiān)控軟件客戶端的簡(jiǎn)單配置操作而無需重新編譯就可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件的快速重構(gòu)，從而對(duì)重構(gòu)后的焊接線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。這也是可重構(gòu)監(jiān)控軟件區(qū)別于一般的監(jiān)控軟件最大的特點(diǎn)。

此外，作為監(jiān)控軟件，其必須具備一般監(jiān)控軟件的主要功能，即與下位機(jī)通信、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及操作便捷性等。

所以以下三點(diǎn)構(gòu)成了可重構(gòu)監(jiān)控軟件的關(guān)鍵需求：1）具有可重構(gòu)配置性與可重用性；2）該監(jiān)控軟件能夠?qū)崿F(xiàn)與底層控制器的數(shù)據(jù)訪問；3）能夠讓用戶操作便捷。

2 可重構(gòu)監(jiān)控軟件通信技術(shù)研究

與下位機(jī)通信是任何工業(yè)監(jiān)控軟件最基本的要求。由于OPC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與開放性特點(diǎn)[3,4]，目前大多數(shù)上位機(jī)監(jiān)控軟件均采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)進(jìn)行通信。

當(dāng)景點(diǎn)、景區(qū)旅游高峰時(shí)，人群涌動(dòng)，旅游者素質(zhì)參差不齊，難免會(huì)產(chǎn)生人為造成的垃圾，給景點(diǎn)、景區(qū)造成一定環(huán)境困擾。旅游類志愿者這時(shí)就有義務(wù)幫助景點(diǎn)、景區(qū)建立良好的旅游環(huán)境，主動(dòng)分擔(dān)景區(qū)壓力，在發(fā)現(xiàn)有游客出現(xiàn)不文明行為時(shí)，主動(dòng)引導(dǎo)游客妥善處理，保持景點(diǎn)、景區(qū)的文件建設(shè)。

監(jiān)控軟件的整個(gè)通信過程如圖2所示，上位機(jī)通過CP5611通訊卡與S7-300PLC連接實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP通訊。然后以O(shè)PC.SimaticNet為OPC服務(wù)器，并采用VC++編寫OPC客戶端。從而實(shí)現(xiàn)VC客戶端通過訪問OPC.SimaticNet對(duì)S7-300PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫[5,6]。而各機(jī)器人工作站子系統(tǒng)數(shù)據(jù)均通過DP/DP Coupler網(wǎng)關(guān)與西門子S7-300PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這樣就間接實(shí)現(xiàn)了VC客戶端監(jiān)控軟件與底層硬件數(shù)據(jù)之間的訪問。

具體通信設(shè)計(jì)過程如圖3所示[6]，由于OPC服務(wù)器中每個(gè)Item項(xiàng)均對(duì)應(yīng)于S7-300PLC的某個(gè)I/O地址區(qū)，所以可以通過該流程采用VC++建立若干OPC通信組，并在每個(gè)OPC通信組中按照需要通信的I/O端口地址添加相應(yīng)的Item項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)VC客戶端對(duì)S7-300PLC相應(yīng)I/O地址區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。

圖2 焊接線監(jiān)控軟件OPC數(shù)據(jù)通信過程示意圖

圖3 客戶端OPC通信程序設(shè)計(jì)流程圖

3 監(jiān)控軟件可配置策略研究

3.1 監(jiān)控軟件可配置關(guān)鍵技術(shù)分析

監(jiān)控軟件的可配置性主要體現(xiàn)在設(shè)備布局可配置、設(shè)備屬性可配置、工件加工路徑可配置、加工計(jì)劃可配置[1]。而不論是對(duì)于設(shè)備布局、屬性還是加工計(jì)劃等，歸根結(jié)底是對(duì)于數(shù)據(jù)的配置[5]，因?yàn)槿魏闻渲貌僮鞫夹枰ㄟ^數(shù)據(jù)寫入到底層控制器以實(shí)現(xiàn)控制，任何現(xiàn)場(chǎng)狀況也都需要通過數(shù)據(jù)讀入到監(jiān)控軟件中以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。所以研究軟件的可配置，必須從數(shù)據(jù)配置性入手，探索數(shù)據(jù)的可配置策略。

監(jiān)控軟件不論是讀取S7-300PLC的數(shù)據(jù)還是向S7-300PLC寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最終是來源于或流向底層控制設(shè)備，由于板件拼裝焊接線系統(tǒng)底層設(shè)備主要就是各機(jī)器人工作站控制子系統(tǒng)。根據(jù)控制系統(tǒng)的重構(gòu)特點(diǎn)，這里對(duì)底層設(shè)備配置的步驟主要有兩個(gè)方面：一個(gè)是重構(gòu)后的各工位的機(jī)器人工作站類型，另一個(gè)是重構(gòu)所需要的機(jī)器人工作站總數(shù)目。所以可以從這兩方面入手，探索監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)配置策略。

3.2 數(shù)據(jù)配置策略研究

由于各機(jī)器人工作站系統(tǒng)與首尾段系統(tǒng)分別作為焊接線的控制子系統(tǒng)，這就為通信數(shù)據(jù)的“組封裝”提供了前提?？梢詫⒏鞴ぷ髡拘枰O(jiān)控的數(shù)據(jù)通過各子系統(tǒng)主站進(jìn)行處理后統(tǒng)一由各DP/DP Coupler網(wǎng)關(guān)與S7-300PLC進(jìn)行交互，然后通過VC++建立若干OPC通信組實(shí)現(xiàn)將S7-300PLC中各網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分組封裝，以各子系統(tǒng)為單元組實(shí)現(xiàn)分組讀寫，為數(shù)據(jù)的進(jìn)一步可配置奠定基礎(chǔ)。

由于每個(gè)OPC組必須與相應(yīng)的I/O地址區(qū)對(duì)應(yīng)[6]，而焊接線共有6種工作站，如果以每個(gè)工作站在S7-300PLC中對(duì)應(yīng)的I/O地址區(qū)為通信組，那么根據(jù)焊接線的重構(gòu)要求，每個(gè)子系統(tǒng)都可能對(duì)應(yīng)6種工作站類型，則每個(gè)子系統(tǒng)就需要對(duì)應(yīng)6個(gè)OPC組。如圖4中OPC處理策略1所示，子系統(tǒng)1需要對(duì)應(yīng)6種OPC組，每個(gè)OPC組通信區(qū)都指向子系統(tǒng)1。那么若有n個(gè)子系統(tǒng)，則需OPC組的數(shù)量為6n個(gè)（考慮到實(shí)際需要的最大工作站數(shù)目以及PROFIBUS-DP最大掛載設(shè)備數(shù)，這里取n≤8），對(duì)應(yīng)于6n個(gè)OPC組，就需要編寫6n個(gè)Read數(shù)據(jù)讀函數(shù)和6n個(gè)Write數(shù)據(jù)寫函數(shù)。

如果以這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的配置設(shè)計(jì)，無疑將會(huì)帶來巨大繁雜性與程序的冗余性，這將給監(jiān)控軟件的開發(fā)帶來很大的困難。所以如何簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)配置方式，將是監(jiān)控軟件可配置開發(fā)的重點(diǎn)。

進(jìn)一步對(duì)各工作站的通信數(shù)據(jù)以及OPC通信組進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)如果將6種工作站的通信地址區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一化，就可以將6種OPC組簡(jiǎn)化為1種OPC組，如圖4中OPC處理策略2所示，采用“組冗余與項(xiàng)選擇”的數(shù)據(jù)配置策略。每個(gè)OPC組都對(duì)應(yīng)一個(gè)子系統(tǒng)通信區(qū)，而每個(gè)子系統(tǒng)通信區(qū)在S7-300PLC中都采用“組冗余”的方式，即每個(gè)OPC組均包含相同數(shù)目的Item項(xiàng)，將通信I/O區(qū)域通用化，這樣就可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)與一個(gè)OPC組實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，那么一共需n個(gè)OPC組，也即只需n個(gè)Read/Write數(shù)據(jù)讀寫函數(shù)。數(shù)據(jù)處理過程中，只需根據(jù)配置情況獲取冗余通信組中需要的Item項(xiàng)數(shù)據(jù)即可。數(shù)據(jù)寫過程與讀取過程類似，將控制數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)的Item項(xiàng)，然后經(jīng)過對(duì)當(dāng)前需寫入的Item項(xiàng)進(jìn)行冗余擴(kuò)展，通過Write函數(shù)寫入到OPC組中。

圖4 OPC處理策略示意圖

以讀取數(shù)據(jù)過程為例，如圖5所示為數(shù)據(jù)讀取過程的軟件程序配置過程。當(dāng)Read函數(shù)將每個(gè)OPC組數(shù)據(jù)讀取之后，根據(jù)配置界面的配置情況，設(shè)置配置函數(shù)的參數(shù)，從而獲取當(dāng)前配置類型的工作站所需要的Item項(xiàng)數(shù)據(jù)，并將其收集到數(shù)據(jù)數(shù)組中，然后調(diào)用數(shù)據(jù)處理類，對(duì)數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過監(jiān)控界面顯示。數(shù)據(jù)寫入過程設(shè)計(jì)思想與讀取過程類似。

4 重構(gòu)配置與監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

如圖6所示為監(jiān)控軟件的重構(gòu)配置流程。當(dāng)啟動(dòng)監(jiān)控軟件后，需要進(jìn)入通信與配置界面，若系統(tǒng)需要重構(gòu)，則可通過在通信與配置界面上按照工位順序依次選擇需要的工作站類型進(jìn)行配置，每配置一次工作站類型都需要對(duì)當(dāng)前工作站進(jìn)行通信測(cè)試。當(dāng)所有工作站配置完畢，則可進(jìn)入主監(jiān)控界面，開啟主監(jiān)控對(duì)整個(gè)焊接線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。若繼續(xù)焊接拼裝加工上一種或相同工藝產(chǎn)品，則無需配置，直接調(diào)用歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)自動(dòng)完成配置。

圖5 監(jiān)控軟件讀取數(shù)據(jù)可配置程序設(shè)計(jì)策略圖

圖6 監(jiān)控軟件重構(gòu)配置操作流程圖

以焊接拼裝XB6140銑床床頭箱為例，根據(jù)XB6140銑床床頭箱焊接工藝與焊接節(jié)拍的要求，需要3個(gè)無變位焊接機(jī)器人工作站單元和首尾段組成。第1焊接工位和第2工位為無變位雙工位機(jī)器人工作站，第3焊接工位與第4焊接工位均為無變位單工位焊接機(jī)器人工作站。

可以通過以下操作實(shí)現(xiàn)對(duì)XB6140銑床床頭箱焊接線監(jiān)控平臺(tái)的配置。如圖7所示為通信與配置界面，當(dāng)前正在進(jìn)行工作站類型的配置工作，在配置操作窗口中根據(jù)工藝順序要求，通過下拉列表按順序選擇相應(yīng)的工作站類型，點(diǎn)擊配置結(jié)束，即可在右窗口與配置畫面窗口中顯示配置信息，通過點(diǎn)擊通信測(cè)試按鈕即可測(cè)試工作站與監(jiān)控軟件的通信狀態(tài)，并將通信狀態(tài)顯示在右窗口。

圖7 焊接線監(jiān)控軟件的配置與通信測(cè)試界面

配置完畢后，通過點(diǎn)擊配置開關(guān)來關(guān)閉整個(gè)配置過程。然后進(jìn)入主監(jiān)控界面，通過點(diǎn)擊預(yù)啟動(dòng)按鈕，可呈現(xiàn)當(dāng)前配置生產(chǎn)線的監(jiān)控準(zhǔn)備畫面，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，通過主監(jiān)控畫面與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)控。如圖8所示為XB6140銑床床頭箱焊接線主監(jiān)控界面。

圖8 焊接線監(jiān)控軟件主監(jiān)控界面

5 結(jié)束語(yǔ)

以板件拼裝焊接線可重構(gòu)監(jiān)控軟件為研究對(duì)象，給出了監(jiān)控平臺(tái)重構(gòu)設(shè)計(jì)的工程應(yīng)用實(shí)例，同時(shí)展現(xiàn)了監(jiān)控軟件的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)過程。

本文通過創(chuàng)建多個(gè)OPC通信組，并采用“組冗余”的思想對(duì)每個(gè)機(jī)器人工作站數(shù)據(jù)進(jìn)行組封裝，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分組讀寫。板件拼裝焊接線監(jiān)控軟件的可重構(gòu)關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)可配置處理，采用的“組冗余與項(xiàng)選擇”的數(shù)據(jù)配置策略可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件的可重構(gòu)。該監(jiān)控軟件不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接線運(yùn)作的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且具有可配置、重構(gòu)便捷性等特點(diǎn)。

[1]王曉勇,臧鐵鋼,陳富林.制造系統(tǒng)可重構(gòu)控制技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2007,29(11):23-27.

[2]梁福軍,寧汝新.可重構(gòu)制造系統(tǒng)理論研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2003,39(6):36-43.

[3]何西坤,王運(yùn)福,張東.基于VC++的OPC客戶端的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2013,39(16):62-65.

[4]蘇磊,李茜,湯偉.OPC數(shù)據(jù)訪問客戶端的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2010,36(11):80-82.

[5]張國(guó)輝.可重構(gòu)的工業(yè)過程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(10):123-125.

[6]劉志,龍志強(qiáng).基于OPC的工業(yè)PC與S7-300通信的VC實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2008,21(5):37-38.