范晉偉，楊躍，潘日,李偉華

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京100124；2.北京第二機(jī)床廠有限公司，北京100156)

0 前言

數(shù)控機(jī)床是整個(gè)制造業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備，要提高傳統(tǒng)制造的市場(chǎng)競(jìng)爭力，必須提高機(jī)床的智能化程度，對(duì)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，升級(jí)傳統(tǒng)車間機(jī)床管理模式,實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和智能化。數(shù)控機(jī)床因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使其性能提高時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生故障或失效的潛在可能性也越來越大。對(duì)數(shù)控機(jī)床加工過程進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控的主要目的就是要保證加工系統(tǒng)的安全運(yùn)行，避免設(shè)備故障，保證加工工件質(zhì)量，減少額外的輔助工作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率，也可以提高數(shù)控機(jī)床內(nèi)部數(shù)據(jù)的可視化和網(wǎng)絡(luò)化，為數(shù)控機(jī)床的智能化打下基礎(chǔ)。同時(shí),設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控也是對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷的基礎(chǔ)。近年來，數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控使物聯(lián)技術(shù)應(yīng)用到制造業(yè)成為一大熱點(diǎn)。

1 OPC UA技術(shù)

OPC UA由傳統(tǒng)的OPC發(fā)展而來,是對(duì)OPC的繼承與升級(jí),解決了傳統(tǒng)OPC對(duì)Windows平臺(tái)的依賴以及對(duì)分布式系統(tǒng)信息交換不適用等主要問題。OPC UA相比傳統(tǒng)OPC具有平臺(tái)無關(guān)性、訪問靈活、更安全等優(yōu)勢(shì)。OPC UA是不同軟件產(chǎn)品和設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)通信接口,將OPC UA技術(shù)運(yùn)用到數(shù)據(jù)采集和機(jī)床監(jiān)控領(lǐng)域，可提高系統(tǒng)與其他相關(guān)設(shè)備的兼容性和通信的即時(shí)性。

1.1 OPC UA技術(shù)特點(diǎn)

OPC UA是工業(yè)4.0中一個(gè)重要的通信協(xié)議。隨著微軟停止對(duì)COM組件的開發(fā)，依賴于微軟系統(tǒng)COM和DCOM組件的傳統(tǒng)OPC技術(shù)也遇到了瓶頸。傳統(tǒng)OPC 技術(shù)的擴(kuò)展性、移植性、兼容性不好，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘停瑥?fù)雜數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)的傳輸存在著很大困難。 OPC UA協(xié)議具有更好的擴(kuò)展性、可靠性，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)服務(wù)器的統(tǒng)一。例如傳統(tǒng)的OPC技術(shù)有3種服務(wù)器：數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，而當(dāng)這3個(gè)對(duì)象統(tǒng)一時(shí)，可大大減少數(shù)據(jù)訪問所需要的時(shí)間。

OPC UA的通信可以穿越防火墻，這樣就提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率。OPC UA消息的編碼格式可以是XML文本格式或者二進(jìn)制格式，也可以使用多種傳輸協(xié)議如TCP和通過HTTP的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行傳輸?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的Web Service服務(wù)架構(gòu)(SOA)和靈活的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)是OPC UA的主要發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

1.2 OPC UA服務(wù)器

數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和數(shù)據(jù)建模是OPC UA服務(wù)器的基本組成部分，服務(wù)器使用通用的服務(wù)接口對(duì)外提供服務(wù)。相比于傳統(tǒng)OPC，OPC UA采用平臺(tái)無關(guān)的傳輸技術(shù)使得OPC UA應(yīng)用既能運(yùn)行在底層智能設(shè)備或控制器中，也能運(yùn)行在SCADA系統(tǒng)與MES、ERP系統(tǒng)里。

OPC UA服務(wù)器應(yīng)用程序主要包含了地址空間、實(shí)際對(duì)象和發(fā)布/訂閱實(shí)體。OPC UA服務(wù)器應(yīng)用程序通過通用的API接口同 OPC UA客戶端進(jìn)行交互，而OPC UA通信棧提供數(shù)據(jù)包的封包解析功能?？蛻舳嗽L問服務(wù)器的主要對(duì)象就是地址空間中的節(jié)點(diǎn)(如圖1所示)。有別于OPC DA中Group，OPC UA通過視域節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽。

圖1 OPC UA地址空間

2 本地監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境選擇與功能規(guī)劃

Win10系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，兼容性強(qiáng)，能夠滿足該監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)需求。C/S架構(gòu)，即客戶端/服務(wù)器架構(gòu)，主要應(yīng)用于局域網(wǎng)內(nèi)，客戶端與服務(wù)器通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接連接，使系統(tǒng)更加安全可靠。此系統(tǒng)在局域網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行，C/S架構(gòu)在該環(huán)境下更能充分發(fā)揮兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，因此采用C/S架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。由于后面遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站采用PHP語言開發(fā)，MySQL數(shù)據(jù)庫與其兼容較好，在PHP數(shù)據(jù)庫開發(fā)中被廣泛地應(yīng)用，所以選用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)。MySQL是一款安全、跨平臺(tái)、高效，并與PHP、Java等主流編程語言緊密結(jié)合的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。MySQL數(shù)據(jù)庫具有體積小、速度快、完全免費(fèi)、開放源碼、運(yùn)行速度快、支持面向?qū)ο蟮葍?yōu)點(diǎn)。具體的開發(fā)環(huán)境如表1所示。

表1 軟件開發(fā)環(huán)境

在確定開發(fā)環(huán)境之后，需要規(guī)劃本地監(jiān)控系統(tǒng)的功能。對(duì)整個(gè)監(jiān)控需求進(jìn)行分析，本地監(jiān)控系統(tǒng)需要完成對(duì)用戶的管理、機(jī)床的實(shí)時(shí)監(jiān)控、機(jī)床監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的管理。所以，本地監(jiān)控系統(tǒng)的功能規(guī)劃如圖2所示。

圖2 功能規(guī)劃圖

2.2 機(jī)床實(shí)時(shí)監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

機(jī)床實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)軟件與機(jī)床OPC UA服務(wù)器的通信。首先，根據(jù)機(jī)床服務(wù)器的Url地址來搜索、查找服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，與服務(wù)器建立連接。

與OPC UA服務(wù)器成功建立連接后，可以通過視域節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)地址集的瀏覽，同時(shí)可以查看節(jié)點(diǎn)屬性。地址空間的基本組成單位是節(jié)點(diǎn)，屬性是用來描述節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)元素，服務(wù)器地址空間如圖3所示。

圖3 服務(wù)器地址空間

OPC UA規(guī)范共有8種類型節(jié)點(diǎn)，分別是：VariableType(變量類型)、Variable(變量)、DataType(數(shù)據(jù)類型)、Object(對(duì)象)、ObjectType(對(duì)象類型)、Method(方法)、View(視域)、ReferenceType(引用類型)。表2展示了基本節(jié)點(diǎn)類屬性。

表2 基本節(jié)點(diǎn)類屬性

通過以上對(duì)地址空間的瀏覽，可以知道節(jié)點(diǎn)的ID和節(jié)點(diǎn)存放的變量。用戶選擇自己想要進(jìn)行操作的變量所在節(jié)點(diǎn)ID,監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)ID實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的讀取、修改和訂閱，以訂閱的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。首先系統(tǒng)要分配監(jiān)控項(xiàng)，監(jiān)控項(xiàng)可以生成通知，這些通知以訂閱的方式發(fā)送給客戶端。訂閱與監(jiān)控項(xiàng)服務(wù)集聯(lián)系緊密,共同提供了對(duì)客戶端需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)更新的功能,其中監(jiān)控項(xiàng)服務(wù)集為客戶端提供了建立、更改、刪除功能,并生成提醒上報(bào)到訂閱。訂閱服務(wù)集允許客戶端建立、更改、刪除訂閱,并負(fù)責(zé)發(fā)送提醒到客戶端。

在此監(jiān)控系統(tǒng)中，訂閱有3類屬性，分別是Value、Quality、Timestamp(值，數(shù)據(jù)質(zhì)量，時(shí)間戳)。完成數(shù)據(jù)的訂閱后，首先會(huì)判斷數(shù)據(jù)是否超出了正常范圍，處于正常范圍時(shí)，數(shù)據(jù)在文本框內(nèi)以正常黑色字體顯示，否則數(shù)據(jù)會(huì)變紅來提醒用戶。接著將訂閱的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來，繪制相應(yīng)的折線圖，并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。整個(gè)監(jiān)控流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)控流程

在進(jìn)行折線圖的繪制時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以訂閱的時(shí)間戳數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，變量值為縱坐標(biāo)(默認(rèn)顯示最近20 s的數(shù)據(jù)，用戶可通過勾選“所有數(shù)據(jù)”選項(xiàng)來顯示所有的數(shù)據(jù))。監(jiān)控界面右上角用來顯示是否成功把數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 監(jiān)控界面

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

確定了系統(tǒng)功能之后，系統(tǒng)需要將用戶信息和機(jī)床在運(yùn)行期間產(chǎn)生的大量狀態(tài)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫，以便用戶查詢、修改。

在開發(fā)數(shù)據(jù)庫之前，需要先對(duì)要存儲(chǔ)的信息進(jìn)行分類分析。在此監(jiān)控系統(tǒng)中，需要存放3類數(shù)據(jù)，分別是用戶信息、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)歷史信息和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)信息。其中，用戶登錄信息數(shù)據(jù)表包括登錄人員的ID、姓名、賬號(hào)、密碼等信息；根據(jù)訂閱數(shù)據(jù)的屬性，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表需要包括ID、數(shù)據(jù)質(zhì)量、時(shí)間戳、具體值等信息。其中數(shù)據(jù)表中的ID作為數(shù)據(jù)表的主鍵，采用自增長方式來確定數(shù)據(jù)唯一性，作為數(shù)據(jù)索引，提高數(shù)據(jù)的查詢速度。采用phpMyAdmin作為MySQL數(shù)據(jù)庫的管理工具，圖6為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，time(時(shí)間戳)設(shè)置為timestamp類型，monitor(值)設(shè)置成float類型，status(數(shù)據(jù)質(zhì)量)設(shè)置成text類型，ID設(shè)置為int(10)自增長類型，并設(shè)置成主鍵索引。

圖6 phpMyAdmin的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)圖

2.4 數(shù)據(jù)管理

采用SQL語言實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫中監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的管理，首先需要連接數(shù)據(jù)庫，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的增刪改查等操作。每次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作后，必須關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接，否則在頻繁操作后，數(shù)據(jù)庫的連接池會(huì)溢出造成程序運(yùn)行出錯(cuò)。選擇對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控后，該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)被寫入到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫中。通過節(jié)點(diǎn)ID，用戶可以查詢到該節(jié)點(diǎn)的歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，包括節(jié)點(diǎn)變量的時(shí)間戳、變量值和數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)管理界面如圖7所示。在查詢界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的刪除和數(shù)值修改。

圖7 數(shù)據(jù)查詢界面

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站開發(fā)

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站開發(fā)規(guī)劃

PHP語言被譽(yù)為“世界上最好的語言”，具有開放性好、跨平臺(tái)性好、快捷性、面向過程和面向?qū)ο蟛⒂?、運(yùn)行高效性等優(yōu)點(diǎn)；ThinkPHP是一個(gè)輕量級(jí)的PHP中型框架，具有易于上手、有豐富的中文文檔、框架兼容性強(qiáng)、適用于中小項(xiàng)目開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。ThinkPHP框架采用MVC設(shè)計(jì)模式，這種設(shè)計(jì)模式利用Controller將Model與View分離,降低它們之間的耦合度，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，方便分工協(xié)作,提高開發(fā)效率,增強(qiáng)程序的可維護(hù)性和拓展性。整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站開發(fā)環(huán)境如表3所示。

表3 網(wǎng)站開發(fā)環(huán)境

3.2 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新的實(shí)現(xiàn)

本地監(jiān)控系統(tǒng)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)存放在數(shù)據(jù)庫中。為了保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新和數(shù)據(jù)庫查詢效率，在數(shù)據(jù)庫中新建一個(gè)臨時(shí)數(shù)據(jù)表，表中始終保持最新一條監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)寫入最新一條數(shù)據(jù)就將原來數(shù)據(jù)擦除。本地監(jiān)控軟件將機(jī)床監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入數(shù)據(jù)庫，供遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站實(shí)時(shí)調(diào)用，刷新機(jī)床數(shù)據(jù),如圖8所示。開發(fā)的網(wǎng)站后臺(tái)中Model負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫操作,Controller負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸,View則負(fù)責(zé)HTML模板渲染。

圖8 數(shù)據(jù)傳遞結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)控機(jī)床多個(gè)數(shù)據(jù)，每隔1 s數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，直接刷新數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)頁面進(jìn)行刷新，這極大地浪費(fèi)資源，所以需要使用Ajax網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)。Ajax 是一種用于創(chuàng)建快速動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的技術(shù),無需重新加載整個(gè)網(wǎng)頁的情況下，能夠更新部分網(wǎng)頁。通過在后臺(tái)與服務(wù)器進(jìn)行少量數(shù)據(jù)交換，Ajax 可以使網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)異步更新。這意味著可以在不重新加載整個(gè)網(wǎng)頁的情況下，對(duì)網(wǎng)頁的某部分進(jìn)行更新。使用Ajax的最大優(yōu)點(diǎn)就是能在不更新整個(gè)頁面的前提下維護(hù)數(shù)據(jù)。這使得Web應(yīng)用程序更為迅捷地回應(yīng)用戶動(dòng)作，并避免了在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送那些沒有改變的信息。圖9所示為網(wǎng)站首頁監(jiān)控界面,機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)以儀表盤的形式展示出來，其中儀表盤采用eChart前端框架里的組件。

圖9 網(wǎng)站首頁監(jiān)控界面

3.3 網(wǎng)站上線流程

網(wǎng)站代碼編寫完成后，需要上線發(fā)布，才能供用戶通過網(wǎng)絡(luò)登錄，對(duì)機(jī)床進(jìn)行監(jiān)控。利用終端模擬軟件Xshell7連接阿里云購買的遠(yuǎn)程服務(wù)器，進(jìn)行登錄并連接到主機(jī)，將小皮面板下載到阿里云服務(wù)器，阿里云服務(wù)器安裝面板完成后，可以通過Web端直接管理小皮面板，管理界面如圖10所示。使用Xftp7將本地開發(fā)好的網(wǎng)站文件上傳到阿里云服務(wù)器，在小皮面板內(nèi)配置好網(wǎng)站域名等，網(wǎng)頁即可正常運(yùn)行。

圖10 Web端小皮面板管理界面

4 結(jié)束語

通過對(duì)OPC UA協(xié)議和OPC UA服務(wù)器的研究，開發(fā)了基于OPC UA協(xié)議的機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床內(nèi)部數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)進(jìn)行預(yù)警；開發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫，用來存儲(chǔ)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可以通過該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的管理；同時(shí)，開發(fā)了相應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)站，可為相關(guān)人員提供遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)床的途徑。此研究對(duì)提高機(jī)床加工智能化、數(shù)據(jù)可視化和網(wǎng)絡(luò)化有實(shí)際應(yīng)用意義，同時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)可以為機(jī)床故障分析提供數(shù)據(jù)支撐。