面向智能制造的數控機床聯網技術研究
2019-4-24 來源：廈門海洋職業技術學院 南昌航空大學 作者：余運昌 楊詞慧
摘 要: 針對當前制造企業數控設備與企業信息系統直連薄弱、數控系統種類較多且互不兼容、遠程預警式故障診斷缺乏等問題，本研究在分析數控系統主要通信接口的基礎上，提出一種面向智能制造的數控機床聯網方案，解決設備層級、車間層級與企業層級的聯網問題。設計的基于ESP8266的物聯網低成本數控機床通信網關為實現遠程DNC加工和遠程、預警式故障診斷提供了硬件平臺。該技術方案適合FANUC、三菱、西門子的系列化數控系統，是面向智能制造的一種低成本組網方案。
關鍵詞: 數控系統接口;智能制造;集成數據服務器;通信網關
引言
數控技術是衡量一個國家綜合國力和工業現代水平的重要指標。在“兩化融合”和“中國制造2025”背景下，物聯網、云計算和大數據技術得到空前發展，制造技術正經歷著由自動化、數字化、網絡化向智能化方向發展的過程，數控機床聯網技術是制造業向智能化轉型的關鍵技術之一。
目前，大部分數控加工制造車間的生產現狀是: (1) 底層數控加工設備與企業信息系統直連環節比較薄弱，工廠數字化程度不高，不利于設備統一管理、增強加工柔性和提高效率; (2)數控系統種類較多，其接口及通信差異較大且互不兼容; (3) 遠程、預警式故障機制缺乏，對于數控設備的維護通常停留在定期檢修層面，無法精確進行故障排查，且設備故障維修周期較長。鑒于以上現狀，本文將詳細分析數控系統通信接口，提出一種基于物聯網的面向智能制造的數控機床聯網解決方案。設計的基于ESP8266的無線通信網關，兼容FANUC、三菱、西門子等品牌系列化數控系統，實現利用數控系統窗口功能和特定寄存器功能進行數據采集，并通過機床網關與數據服務器之間的數據交換，從而實現智能制造環境下數控機床與企業信息系統的互聯互通。
1、數控系統通信接口分析
數控系統是數控機床的核心部件，可通過ＲS－232C接口、以太網接口、PLC的I/O接口、現場總線接口等方式與外部設備進行數據交換。
1．1 ＲS－232C接口串行通信接口
ＲS－232C是中低端數控系統與計算機通信的主要通道。通常數控加工企業采用WINPCIN軟件實現數控機床與計算機之間加工程序、宏程序、PLC程序及各種參數的傳輸和DNC加工。該接口傳輸距離短，因此每臺數控機床必須需配置一臺計算機。數控機床的網絡化通信實現了數控機床的遠程DNC加工和遠程設備管理，一臺計算機可以管理若干臺數控機床，但是需要一個ＲS－232接口與TCP/IP、OPC、DDE或其他網絡通信接口進行協議轉換的網關。
1．2 以太網接口
高端數控系統具備以太網接口，通過該接口數控機床可與計算機快速組網。數控系統公司提供的以太網專用軟件可實現NC數據傳輸、遠程控制及遠程DNC加工等，但是專用軟件收費昂貴且不與其它數控系統兼容，使用受到一定限制。Serv-U是一款基于FTP傳輸協議的服務器專用軟件，數控加工企業通常將其用于遠程計算機與多臺數控機床之間進行NC數據傳輸和遠程DNC加工。Serv-U軟件具有高安全特性且支持多種數控系統，廣泛使用于遠程DNC加工。此外，通過對以太網接口進行軟件二次開發還可實現數控機床遠程控制、診斷、無人化操作和維修服務。
1．3 I/O接口
PLC是數控系統的輔助控制器，通過I/O接口對機械側進行輔助控制與信號檢測。采用編碼式通信不僅可以節約I/O資源，還可實現PLC與其他設備進行數據交換。PLC與CNC之間可以通過特定寄存器訪問和窗口功能實現控制信號、狀態信號、報警信息、刀具信息、參數信息及位置信息等數據的交換。
1．4 現場總線接口
高端數控系統具有現場總線接口，用于與其他自動化設備組成現場網絡。常用的總線標準主要有Profi Net、Profi Bus、CC-link、Can Bus等，不同品牌的數控系統使用的現場總線標準不同。現場總線具有數據交換的實時性、穩定性和可靠性，在自動化設備中廣泛使用?？偩€協議轉換器可以將不同總線標準的數控系統連接到同一個設備網絡。
2、面向智能制造的數控機床聯網設計
2．1 智能制造的內涵
智能制造是把傳統的制造技術和智能技術、數字技術、網絡技術相互融合，應用于產品的設計、生產、管理和服務過程，在制造過程中進行感知、分析、推理、決策、控制，實現產品需求的動態響應、產品的快速開發與優化的制造活動。工業化與信息化及互聯網的融合是實現智能制造的基礎，而智能制造作為一個現代化制造系統，是多個系統的融合，包括智能設計、智能生產、智能管理、智能制造服務等內容。因此，實現制造工業領域全系統、全設備、全產業鏈的信息互通和實現制造業數據的無縫集成是推動智能制造發展的基礎。
2．2 數控機床聯網方案設計
目前主要有兩種機床聯網方案，一種是基于DNC的數控機床聯網方案，該方案采用ＲS－232C串行接口經接口協議轉換器將串口轉為以太網接口，或直接采用以太網接口將本機接入工廠局域網，主要解決車間信息集成問題，對車間的生產技術、技術準備、加工代碼及加工操作等基本作業進行集中管理。這種機床聯網方式雖然實現了遠程DNC加工與管理，但是對機床本身的運行狀態、刀具信息、故障狀態等無法知曉，不利于智能制造技術的推廣與發展。另一種是基于物聯網技術的數控機床故障診斷，該方案具有遠程、預警式故障機制，但是各種故障判定均基于相應的Zigbee傳感器檢測模塊，忽略了數控系統本身豐富的故障診斷功能和PLC故障診斷方法，在遠程DNC加工與管理方面缺乏。
鑒于現有數控機床聯網方案的不足，為適應智能制造發展趨勢，本文提出一種面向智能制造的數控機床聯網方案，將數控加工生產企業中的網絡根據職能不同分為3個網絡層級，分別為基于互聯網的企業資源管理網絡(企業層)、基于局域網的制造執行系統網絡(車間層)和基于工業現場網絡的現場控制系統網絡(設備層)，如圖1所示。
圖1 面向智能制造的數控機床網絡結構
數控機床、工業機器人、物流小車、自動化生產線、智能倉儲等生產設備直接參與生產，各設備通常采用PLC實現邏輯控制?，F場總線是一種開放式、全分布控制系統的基層網絡，具有協議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低廉、實時性高及網絡負載穩定等優點，廣泛應用于上述自動化現場生產設備中。現行典型的工業現場總線有FF(基金會總線)、Profibus、Profi Net、World FIP、CC-Link、CAN、Lon Works等。有兩種方法實現不同總線協議之間的轉換，一種是在設備之間增加嵌入式一對一協議轉換網關，如西門子的PN-DP耦合器實現Profibus與Profi Net總線的連接;另一種是基于協議棧的現場總線協議轉換通用化設計網關。
各種數控機床、對刀工作站、刀庫管理站、操作站等作為客戶端與企業集成數據服務器共同組建成制造執行層網絡，其中數控機床是制造執行層與現場控制層之間進行數據交換的橋梁。工業以太網具有技術先進性、成熟性和協議經標準化的優點，在工業領域受到廣泛的應用，但是因其抗干擾能力弱、業務支撐能力不足、維護困難及僅支持點到點直連組網的缺點，其應用受到一定的限制。本方案采用工業無源光網絡技術(PON)將制造執行層內的各種設備進行組網，因為PON通過無源器件組網，采用點到多點的樹形拓撲傳輸架構，具有抗干擾能力強、業務承載范圍廣、成本低、維護簡單、容易擴展、易于升級及安全性高等特點，是車間通信組網技術的一種全新方案。
數據服務器作為企業內部的云平臺，主要集成了數控加工程序管理模塊、刀具信息管理模塊、生產設備數據采集與管理模塊、數據訪問模塊、設備訪問模塊等，提供基于ＲPC的靈活通信接口與主控計算機進行數據交換，是車間局域網與企業互聯網之間的信息樞紐中心。產品生命周期管理系統(PLM)可以直接訪問數控加工程序管理模塊、刀具信息管理模塊，進一步優化車間生產過程的管理;遠程設備故障診斷與預警中心通過訪問數據采集與管理模塊和設備訪問模塊，獲取現場設備的狀態數據、運行數據、報警數據、加工數據等，在進行大數據分析后生成特定的故障排除方法和設備維護建議，通知用戶及時進行故障排除或及進行設備維護，減少停機時間，提高設備利用率。
產品生命周期管理(PLM)、企業資源計劃(EＲP)、供應鏈管理(SCM)、客戶關系管理(CＲM)、電子商務(EC)等技術是制造企業管理不可缺少的組成部分，運行在企業互聯網層，負責車間與企業其他部門、外部相關企業的聯系，以便傳遞任務、發布信息和查詢數據等。智能制造要求網絡體系更加開放，因此必須通過綜合性的安全防護措施保證網絡和數據的安全。智能設備與數據服務器之間、企業外部與企業內部云平臺之間應設置防火墻進行有效安全的隔離與控制，同時DDo S防御功能、網絡入侵防護系統也應納入網絡安全保護。對所有接入企業內部云平臺、信息系統、服務器及控制系統的設備必須進行接入認證和訪問授權。對企業外部網絡傳輸的數據，采用VPN隧道傳輸機制或VPN專網技術，防止數據泄露或被篡改。
3、數控機床網關設計
以上面向智能制造的數控機床網絡結構中，機床網關是數控機床聯網的核心部件。本文設計的機床網關兼容FANUC、三菱、西門子等主要品牌的系列化數控系統，充分利用數控系統自身的串行通信功能和自診斷功能實現遠程DNC加工和遠程、預警式故障診斷。
3．1 硬件結構設計
圖2是適合多種數控系統的機床網關硬件結構。在遠程DNC加工方面，具備以太網功能的數控機床經ＲJ45接口直接接入工業級路由器，而僅支持ＲS－232通信的數控機床經串口轉以太網模塊接入工業級無線路由器，如圖2a所示。在遠程、預警式故障診斷方面，數控系統本身具有豐富的信息，通過系統PLC單元的窗口功能和特定寄存器功能對系統信息、狀態信息、刀具信息、坐標信息、診斷數據、當前運行程序段及各電機的負載數據等進行數據采集，并將采集數據通過編碼式通信［7］發送到本網關，采集數據經處理器解析、存儲與轉換后由WIFI模塊發送到互聯網，如圖2b所示。微處理器IAP15W4K61S4具有4 K的SＲAM和4個串口，是本網關的核心模塊，負責實現協議的轉換、管理、安全等各方面的數據處理和存儲。ESP8266模塊內置TCP/IP協議棧，支持多路TCP Client連接和無線802．11b/g/n標準，具有高集成度、低功耗和
圖2 數控機床網關硬件結構
易用性的特點，負責實現處理器串口數據與網絡協議數據的轉換。電平轉換電路負責I/O模塊的24V電平與TTL電平的轉換。
3．2 軟件結構設計
軟件結構采用模塊化設計思想并用C語言編寫各模塊程序。圖3是數控機床網關軟件程序流程圖，系統上電后對硬件驅動進行初始化，采用Smart Config一鍵配置功能對ESP8266進行網絡配置，建立網關與數據服務器的連接并進入數據透傳模式。網關與PLC之間的通信采用編碼方式，與服務器及其他傳感器模塊之間的數據通信采用TLV(Type、Length、Value)數據格式模型。數據幀由幀頭、幀類型、幀長度、數據包及幀尾組成。幀頭采用0x55，0x AA，0x7E 3個固定字節，幀類型和幀長分別由一個字節組成，數據校驗采用異或校驗、CＲC16校驗雙重校驗以保證通信的可靠傳輸，幀尾采用0XD0結束一幀數據的傳輸。
圖3 網關程序流程圖
4、結論
本研究針對目前數控加工企業的實際現狀及面向智能制造的需求，在分析了數控系統的通信接口基礎上，提出了面向智能制造的數控機床聯網方案。設計的基于物聯網的數控機床網關能適應多種數控系統共存，如FANUC、三菱、西門子的系列化數控系統，利用數控系統的窗口功能和特定寄存器功能對數控機床進行信息數據采集，為智能制造環境下數控機床聯網提供了一種低成本組網方案
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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