王 飛，於雙月，朱金輝，李柳姮，陳 艷

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

隨著工業(yè)自動(dòng)化和信息化程度的不斷提高，制造過程涉及到越來越多的制造設(shè)備和加工工藝，為了進(jìn)一步提高設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度和監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控就顯得尤為重要。只有及時(shí)、準(zhǔn)確、詳細(xì)地獲取到設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)信息，并在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行分析和管理，才能充分利用制造資源、增強(qiáng)設(shè)備柔性、提高設(shè)備故障處理能力，最終實(shí)現(xiàn)降本增效提供有力支撐。

當(dāng)前傳統(tǒng)制造行業(yè)對(duì)設(shè)備和數(shù)控機(jī)床的管理水平較低，設(shè)備的故障處理還依靠故障發(fā)生后人工上報(bào)、人工控制處理等手段，對(duì)于設(shè)備運(yùn)行過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，故障隱患不能及時(shí)預(yù)警和排除，導(dǎo)致設(shè)備和數(shù)控機(jī)床運(yùn)行效率低下。隨著技術(shù)的發(fā)展和智能制造的興起，開始出現(xiàn)使用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)來統(tǒng)一管理和監(jiān)控所有設(shè)備，但目前市面上的已有解決方案往往需要增加額外的硬件設(shè)備，或者監(jiān)控軟件運(yùn)行環(huán)境單一，無法隨時(shí)隨地進(jìn)行設(shè)備和數(shù)控機(jī)床的信息查看與管理。此外，當(dāng)前的解決方案往往針對(duì)特定設(shè)備或者數(shù)控系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)多種類、多系統(tǒng)的集中整合，增加成本的同時(shí)，也提高了使用的復(fù)雜性。

本文基于非標(biāo)設(shè)備常用的PLC（可編程邏輯控制器）和數(shù)控機(jī)床常用的FANUC數(shù)控系統(tǒng)，提出了一套集成式數(shù)據(jù)采集解決方案。該方案通過OPC和FOCAS規(guī)范分別對(duì)PLC和FANUC數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使用C#對(duì)采集信息進(jìn)行實(shí)時(shí)管理、分析、存儲(chǔ)、顯示等一系列工作，實(shí)現(xiàn)了多種類、多臺(tái)設(shè)備的信息的集中處理。與此同時(shí)，該解決方案通過工業(yè)控制普遍使用的以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，可直接與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程云端實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。本方案解決了傳統(tǒng)方案無法多類設(shè)備數(shù)據(jù)集成和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的問題，且沒有特殊需求的前提下，無需增加額外硬件設(shè)備，通過運(yùn)維人員編寫程序代碼即可實(shí)現(xiàn)采集信息的二次處理和相關(guān)定制化開發(fā)，極大地增強(qiáng)了設(shè)備數(shù)據(jù)采集的靈活性和可控性，將運(yùn)維人員從大量繁瑣的工作中解放了出來，最終達(dá)到降本增效的目的。

1 數(shù)據(jù)采集規(guī)范簡介

制造過程主要涉及到兩類控制系統(tǒng)，分別是基于PLC控制的自動(dòng)化工業(yè)控制設(shè)備和基于數(shù)控系統(tǒng)和PMC協(xié)同控制的數(shù)控機(jī)床。本文針對(duì)以上兩類設(shè)備分別采用OPC和FOCAS規(guī)范作為數(shù)據(jù)采集過程中的通訊協(xié)議，這兩類協(xié)議均可以通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與設(shè)備之間的連接與通信，從而實(shí)現(xiàn)了工廠及制造設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及整合。

1.1 OPC技術(shù)簡介

OPC即用于過程控制領(lǐng)域中的對(duì)象鏈接與嵌入。它是由OPC基金會(huì)制定的一套基于COM/DCOM技術(shù)，以服務(wù)器/客戶端為基礎(chǔ)架構(gòu)的工業(yè)控制領(lǐng)域的開放式標(biāo)準(zhǔn)[1]。OPC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制設(shè)備與應(yīng)用軟件開發(fā)之間解耦，即基于此標(biāo)準(zhǔn)，客戶端開發(fā)人員無需過度關(guān)注工業(yè)控制設(shè)備的控制原理與硬件結(jié)構(gòu)，僅僅通過提供的設(shè)備數(shù)據(jù)地址進(jìn)行OPC服務(wù)器的配置，便可以實(shí)現(xiàn)制造設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

OPC技術(shù)所采用的服務(wù)器/客戶端架構(gòu)如圖1所示。通過單個(gè)OPC服務(wù)器即可對(duì)多種類、多臺(tái)工業(yè)控制設(shè)備的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取與轉(zhuǎn)存。OPC客戶端程序通過OPC標(biāo)準(zhǔn)提供的訪問接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器的連接、注冊(cè)、通信等一系列功能，從而獲取到不同種類、不同數(shù)量的設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

圖1 OPC技術(shù)服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)圖

需要說明的是，OPC技術(shù)也提供針對(duì)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)采集功能，但對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)支持有限，本文通過使用FOCAS對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行采集解決了此問題。

1.2 FOCAS技術(shù)簡介

FOCAS可以通過HSSB高速通道或者以太網(wǎng)（TCP/IP）接口實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)與數(shù)控機(jī)床設(shè)備內(nèi)部的信息交換與共享，除常規(guī)I/O信息讀寫外，其還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CNC主軸信息讀寫、刀具信息管理、診斷等一系列CNC設(shè)備其它數(shù)據(jù)的交互，具體如圖2所示[2]。本文將結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際使用的FANUC 31iA數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

圖2 FOCAS技術(shù)架構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

本文采用C#語言基于MVC框架進(jìn)行集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)，利用該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與持久化存儲(chǔ)。為方便使用，采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的可視化展示。具體架構(gòu)如圖3所示。分別通過OPC與FOCAS對(duì)不同種類的多種數(shù)據(jù)采集并匯總到應(yīng)用服務(wù)器，由應(yīng)用服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。

圖3 集成式數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

對(duì)于采集到的制造設(shè)備數(shù)據(jù)，根據(jù)需求進(jìn)行二次處理，或本地持久化存儲(chǔ)。設(shè)備當(dāng)前開啟狀態(tài)、設(shè)備數(shù)字量I/O信號(hào)等數(shù)據(jù)，將直接實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至服務(wù)器靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，客戶端可實(shí)時(shí)請(qǐng)求查看；設(shè)備循環(huán)節(jié)拍等數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行本地持久化存儲(chǔ)，根據(jù)需要進(jìn)行可視化。以下以設(shè)備循環(huán)節(jié)拍為例，說明集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的搭建過程。

3 集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建

3.1 采集環(huán)境搭建

使用Visual Studio 2017進(jìn)行采集系統(tǒng)的開發(fā)工作，使用SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的本地持久化存儲(chǔ)工作。

本集成式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過OPC、FOCAS通訊途徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備加工過程中的各類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，按需進(jìn)行可視化展示，或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行持久化存儲(chǔ)，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 OPC配置

OPC設(shè)備數(shù)據(jù)采集涉及到OPC服務(wù)器搭建與OPC客戶端實(shí)現(xiàn)。安裝獲取到的OPC服務(wù)器軟件到服務(wù)器并按照OPC服務(wù)器軟件商提供的配置說明進(jìn)行簡單配置即可。需要注意的是，如果OPC服務(wù)器與部署的OPC客戶端不在同一臺(tái)設(shè)備上，則需要使用COM/DCOM分布式技術(shù)實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器與OPC客戶端的通信[3]。

OPC客戶端的實(shí)現(xiàn)過程本質(zhì)上就是聲明、調(diào)用、訪問OPC服務(wù)器接口的過程，OPC客戶端可通過客戶化接口（Custom Interface）和自動(dòng)化接口（Automation Interface）進(jìn)行OPC服務(wù)器的連接訪問，開發(fā)人員可自行選擇適合自己的接口進(jìn)行客戶端開發(fā)，本文采用自動(dòng)化接口進(jìn)行OPC客戶端開發(fā)[4]。

3.1.2 FOCAS配置

為了調(diào)用FOCAS庫函數(shù)，在程序開發(fā)前，需要將軟件商提供的所有DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫文件復(fù)制到項(xiàng)目文件夾bin/debug目錄下，同時(shí)在編程界面導(dǎo)入fwlib32.cs文件。完成以上所述配置后即可正常使用FOCAS函數(shù)庫各項(xiàng)功能[5]。

FOCAS函數(shù)庫的正常使用需要提前對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行配置。在FANUC 31iA數(shù)控機(jī)床面板/內(nèi)藏口頁面，將設(shè)備有效參數(shù)設(shè)置為內(nèi)置板，同時(shí)按下FOCAS2鍵，確認(rèn)TCP設(shè)定為8193即可。

3.2 OPC客戶端開發(fā)

OPC自動(dòng)化接口共定義6類對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖5所示[6]。OPC客戶端與OPC服務(wù)器交互過程主要分為：創(chuàng)建和連接OPC服務(wù)器對(duì)象，添加對(duì)應(yīng)的組對(duì)象、項(xiàng)對(duì)象并設(shè)置屬性，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，釋放資源、斷開連接[7]。

圖5 OPC自動(dòng)化接口對(duì)象

其中，OPC客戶端與OPC服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信方式分為三種：同步通信、異步通信、數(shù)據(jù)訂閱。此處針對(duì)本文采用的數(shù)據(jù)訂閱方式給予說明。數(shù)據(jù)訂閱，即OPC客戶端與服務(wù)器建立連接后，客戶端向服務(wù)器注冊(cè)需要采集的數(shù)據(jù)信息，隨后服務(wù)器檢測(cè)到OPC組內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，通知并發(fā)送數(shù)據(jù)給OPC客戶端。為了使數(shù)據(jù)訂閱正常工作，OPC組和OPC項(xiàng)的“IsActive”屬性需要設(shè)置為True。OPC客戶端核心代碼邏輯如圖6所示。其中，如果通過COM/DCOM方式訪問遠(yuǎn)程服務(wù)器，則需要添加遠(yuǎn)程服務(wù)器信息（IP地址或計(jì)算機(jī)名稱）。

圖6 OPC客戶端邏輯結(jié)構(gòu)

3.3 FOCAS客戶端開發(fā)

FOCAS采集過程主要包含目標(biāo)CNC設(shè)備的連接句柄獲取，根據(jù)返回句柄調(diào)用對(duì)應(yīng)的庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，邏輯流程如圖7所示，利用Timer循環(huán)定時(shí)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行二次處理。

圖7 FOCAS通訊流程

3.4 采集數(shù)據(jù)可視化

3.4.1 靜態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送

目前瀏覽器客戶端與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊主要有Ajax輪詢、長連接、WebSocket等技術(shù)，其中WebSocket技術(shù)類似于OPC通訊數(shù)據(jù)訂閱功能，即服務(wù)端主動(dòng)發(fā)送消息至客戶端。依靠這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器端的長連接，雙向?qū)崟r(shí)通信。本文使用Fleck組件實(shí)現(xiàn)該功能，服務(wù)端程序核心代碼如圖8所示，通過指定通訊監(jiān)聽的IP和端口，實(shí)例化WebSocket服務(wù)器對(duì)象，當(dāng)有客戶端連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，將客戶端對(duì)象添加至集合（allSockets），反之移除該對(duì)象?？蛻舳送ㄟ^編寫JavaScript代碼，實(shí)例化WebSocket對(duì)象并連接至指定服務(wù)器IP地址和端口號(hào)，然后調(diào)用WebSocket.onmessage（）方法對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可。此處不再展示說明[8]。

圖8 C#服務(wù)端WebSocket實(shí)現(xiàn)

3.4.2 數(shù)據(jù)庫信息讀取

對(duì)于設(shè)備循環(huán)節(jié)拍時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)，除了寫入靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，還需要同步寫入到數(shù)據(jù)庫中。此處采用了EntityFramework框架進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的交互操作，該框架通過ORM映射，避免了開發(fā)人員拼接SQL字符串的過程，簡化了數(shù)據(jù)庫交互過程。此處以查詢?yōu)槔M(jìn)行介紹，具體如圖9，圖中分為直接查詢和分頁查詢，通過數(shù)據(jù)庫上下文“Db”和Lambda表達(dá)式即可快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫查詢操作。

圖9 數(shù)據(jù)庫查詢操作

4 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用實(shí)例

以下通過采集10臺(tái)RX3i PLC自動(dòng)化控制設(shè)備和5臺(tái)Fanuc 31i-A數(shù)控機(jī)床節(jié)拍數(shù)據(jù)為例說明OPC和FOCAS采集過程和數(shù)據(jù)可視化頁面展示效果，其中數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)過程不再展開贅述，僅以更新至靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)為例進(jìn)行說明。

以數(shù)據(jù)訂閱方式為例說明OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取過程。核心程序如圖10所示，當(dāng)訂閱事件對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)值發(fā)生變化時(shí)，將觸發(fā)事件內(nèi)代碼。其中，字典對(duì)象（OPCData.Item）用于存儲(chǔ)節(jié)拍歷史值，即靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)。當(dāng)程序內(nèi)部首先獲取節(jié)拍數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)間戳（TimeS-tamp），對(duì)比上次節(jié)拍時(shí)間戳更新值，如不一致，則說明數(shù)據(jù)項(xiàng)值已變化，此時(shí)將采集到的節(jié)拍值（Item-Value）和節(jié)拍數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)間戳賦值到字典對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

圖10 訂閱事件

FOCAS未提供數(shù)據(jù)訂閱功能，此處使用Timer類進(jìn)行定時(shí)循環(huán)讀取，并通過在循環(huán)中判斷中斷標(biāo)志位狀態(tài)值。首先，調(diào)用庫函數(shù)cnc_allclibhndl3連接目標(biāo)CNC。然后調(diào)用庫函數(shù)pmc_rdpmcrng，讀取對(duì)應(yīng)PMC地址值。由于FOCAS采集后回傳數(shù)據(jù)為字節(jié)型數(shù)據(jù)，因此對(duì)于數(shù)據(jù)還需要額外進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，核心程序如圖11所示。設(shè)備當(dāng)前節(jié)拍值存儲(chǔ)在PMC地址“D4000”中，通過結(jié)合頁面實(shí)際值查看PMC地址位值數(shù)據(jù)可知，該值使用了連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)“D4000-D4001”。對(duì)采集返回的數(shù)據(jù)，分別取字節(jié)區(qū)第1區(qū)數(shù)據(jù)（低8位）和第2區(qū)數(shù)據(jù)（高8位），將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)以備數(shù)據(jù)拼接。其中，低8位數(shù)據(jù)需要額外處理，即轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)需要使用字符“0”在左端補(bǔ)足8位。然后將拼接好的字符串轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，并將小數(shù)點(diǎn)左移一位。

圖11 FOCAS數(shù)據(jù)二次處理

基于上述第三方組件和Layui、jQuery技術(shù)以及Echart圖表開發(fā)了網(wǎng)頁端監(jiān)控頁面，可以快速實(shí)現(xiàn)頁面監(jiān)控顯示功能。采集到的設(shè)備節(jié)拍數(shù)據(jù)通過實(shí)時(shí)推送和數(shù)據(jù)庫交互得到的設(shè)備節(jié)拍信息顯示效果如圖12所示。實(shí)時(shí)節(jié)拍處展示最新節(jié)拍數(shù)據(jù)（靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)），下方表格處展示節(jié)拍記錄（持久化數(shù)據(jù)），并將歷史數(shù)據(jù)繪制成圖表展示于右上角。

圖12 集成式數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)頁面

5 結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控，方便設(shè)備的運(yùn)行管理和故障排查，本研究基于OPC和FOCAS技術(shù)開發(fā)了一套面向多工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，基于B/S與MVC架構(gòu)搭建了車間級(jí)集成式數(shù)據(jù)采集及可視化系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了多設(shè)備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)二次處理以及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，加快了車間設(shè)備的高效運(yùn)行并提高生產(chǎn)力。

伴隨著制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)于工廠自動(dòng)化率的要求進(jìn)一步提高。通過實(shí)時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化存儲(chǔ)和可視化操作，一方面有利于車間狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌握，另一方面，基于設(shè)備數(shù)據(jù)采集，為后續(xù)設(shè)備狀態(tài)的大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)性分析提供可靠支持。