基于Web的智能工厂机床远程监控技术研究
2018-3-29 来源：中车南京浦镇车辆有限公司,南京康赛飞尔电 作者：马晓光 徐力 卢虓宇 高孙权
摘要:提出了一种基于Web的智能工厂机床远程监控解决方案，设计了三层网络架构并描述了各层的作用，分析了所采用的关键技术，包括OEM二次开发技术、Socket技术及ActiveX技术。在此基础上，利用VB开发了开放型CNC中央控制软件及CNC机床OEM应用软件，并采用htm15与Java技术设计了基于B/S架构的Web应用程序系统，运行结果表明:系统稳定可靠，能满足应用需求。
关键词:Web 智能工厂 机床 远程监控
在18世纪60年代，人类爆发了第一次工业革命，即工业1.0一用蒸汽机、机械装置进行生产。第二次与第三次工业革命分别开辟了流水线电气自动化和信息化的领域。每一次工业革命的爆发都是起因于当时日益增长的社会发展需求与落后的社会生产力之间的矛盾。当今，自动化技术与信息化技术的高速发展，预示着人类将迎来第四次工业革命一一工业4.0 。
工业4.0是由德国政府在2013年汉诺威工业博览会上首次提出的，主要包括智能工厂和智能生产两人主题其中，智能生产属于企业的运营、研发和管理等宏观层面，智能工厂则是由生产过程管控与数字化设备网络化分布式实现，范围在车间，是具体的生产执行层。
智能工厂是未来工厂的发展方向，以控制技术为载体将自动化技术与信息化技术进行融合，而基于计算机的控制技术为未来的工业自动化解决方案提供了最佳的控制架构。德国西门子SINUME系列数控系统在国内应用广泛，尤其是基于计算机的840D数控系统以其优越的开放性、扩展性、接口性能及稳定性，成为高端数控设备的首选系统。
笔者以某铁路客车生产企业轮轴生产线为背景，以840D数控系统为研究对象，开展基于Web的软硬件结合远程监控技术研究，为实现智能化工厂奠定基础。
1、SINUMERIK 840D数控系统原理
1.1 系统软件框架
系统的运行状态数据以NC数据块变量的形式存储于NCK中.因此人机交互装置MMC可以通过BTISS接口来存取NCK中的各个变量，从而实现对机床系统变量的交互，这一功能主要依靠西门子公司的一套安装在MMC中的HMI软件实现HMI软件架构。如图1所示，主要由硬件层、操作系统及驱动层、应用层三个部分组成，从应用层中可以看出，安装在MMC中的HMI软件是通过获取NCDDE服务器中的NC/PLC数据来实现对机床的监视与控制的。根据此原理，笔者以NCDDE服务器为桥梁，利用西门子提供的OEM软件开发用户程序实现与NC/PLC之间的通信。
图1 HMI软件框架
1 .2 系统通信原理
由于HMI软件中包含的NCDDE服务器并没有提供外露的通信接口.因此必须找到它的接口才能使开发的OEM用户程序能够通过NCDDE服务器来建立与NC/PLC的通信连接。840D数控系统中的NCDDE服务器提供了多种通信服务，使HMI软件能够与NCK/PLC建立连接.通信原理如图2所示。
图2 HMI软件通信原理
1.3 系统开发原理
从图2可以看出，NCDDE服务器提供的通信服务类型主要包括域服务、变量服务和PI服务其中域服务主要通过IMC文件、IDAS和文件浏览控件实现从HMI复制文件到NCK,或NCK从数据管理器复制文件到HMI变量服务通过DCTL控件与OPC数据存取获取机床NC ,PLC与驱动的数据。PI服务通过IMC命令执行机床的NC程序与PLC程序木项目选择变量服务与PI服务来分别实现数控机床的运行状态监视及自动控制。 变量服务中提供了两种HMI软件访问NC/PLC的通信方式:OPC与DCTL控件通信方式。OPC方式具有良好的开放性及强大的功能，但是其编程工作量大，对编程人员有很高的要求。DCTL控件是专为840D数控系统人机界面设计提供的一种控件，很容易实现用户程序与数控系统之间的通信。笔者使用DCTL控件进行HMI软件的二次开发。开发原理如图3所示。
图3 HMI软件二次开发原理
2、远程监控系统总体网络架构
基于Web的智能工厂机床远程监控系统采用三层架构，如图4所示。第一层为车间设备层，包括机床、工业以太网与交换机等。第二层为监控层，包括中央控制计算机、Web服务器、数据库服务器及文件服务器等。第三层为客户端层，用户只需要在客户终端计算机上安装IE6.0及以上版木的浏览器，就能够访问Web服务器，从而能够对机床进行远程监控。
图4 远程监控系统网络总体架构
图5 远程监控系统工作原理
如图5所示，用户通过浏览器输入正确的IP地址及通过身份验证后进入车间或企业的Web服务器，这时Web服务器将含有相应功能的AetiveX控件页面下载到浏览器中，AetiveX立即运行，与中央控制计算机及CNC三者之间自动建立基于客户/服务器模式的套接字(Socket)通信，保证了数据传输的可靠性、稳定性和实时性。
3、采用的关键技术
3.1 OEM二次开发技术
840D系统中用于任务管理的高级程序Regie主要包括基木服务程序、区域应用程序、动态链接库，负责在初始化文件中读取所需的参数，对系统初始化、系统通电、加载MMC和动态链接库、启动应用程序、系统配置、区域切换等任务进行管理。笔者主要从Regie中的区域应用程序入手，进行840D数控系统用户程序的二次开发，主要包括以下三种程序：
(1)VB创建的嵌入在顺序控制框架下的OEM应用程序。
(2)VB/VC创建的运行于Windows的用户程序。
(3) Windows下的其它标准应用程序，如EXCEL或记事本程序等。
根据本系统的设计需求，选择第一种开发方案。
840D为用户提供的二次开发文件系统(OEM)结构如图6所示，共包含7个文件，用户通过对这些文件进行合理编辑、处理，嵌入HMI软件系统中，从而实现二次开发功能，满足个性化需求。
图6 OEM文件系统结构
3.2 Socket技术
Socket是TCP/IP协议传输层所提供的API接口，是网络间通信的基石。Socket接口定义了许多函数或例程，TC P/IP上层的一些应用软件都是通过Socket来完成的，可用于各种主流操作系统(Windows、 DOS、UNIX ,SUN OS等)，通信模型如图7所示。Socket提供一套原语供用户编程调用和访问系统资源，并用于开发与网络有关、实时性要求高的应用软件。
图7 Socket通信模型
Socket包含三种类型的套接口，提供不同的网络服务方式。流式套接字(SOCK_ STREAM)提供牢靠的、以连接为基础的通信方式，能够保证逻辑分组的有序性和传输过程的正确性。用户数据套接字(SOCK-DGRAM)没有连接机制，网络数据即时发送，数据之间是独立的，也不提供有序的数据分组。原始套接字(SOCK-RAW)直接操作位于底层的通信协议，常在协议中开发使用。
中央控制计算机与各个机床之间需要事先建立网络连接，才能执行中央控制计算机端的控制任务。中央控制计算机采用服务器模式，机床采用客户端模式，同时为了保证在互联网上控制命令与数控程序数据传输的可靠性，设计中采用流式套接字的网络服务方式。
3.3 ActiveX技术
AetiveX建立在Microsoft公司提出的COM/DCOM(组件/分布式组件对象模型)和OLE(对象的链接与嵌入)两项技术的基础上，进而在Web上发展起来。AetiveX是一个能够使软件部件在网络环境中进行交互的技术集，与具体的编程语言无关。针对互联网应用开发技术，AetiveX被广泛应用于Web服务器及客户端的各个方面。
AetiveX控件是一个提供特定功能的二进制对象，如同一个计算机程序一样，可以被加入到客户/服务器应用程序、Web应用程序及使JavaScript和Vbscript的Web页中，当通过浏览器(如IE )请求包含AetiveX控件的Web臾时，IE会自动检测此控件是否已经注册在系统的注册表中，如果已注册将立即启动此控件，否则会将此控件下载并注册到系统中。利用脚木描述语言(Script )可以在控件之间及客户端与服务器之间设置属性(Property )、调用方法(Method)和激活事件(Event)进行通信。
4、系统软件开发及其应用
远程监控系统软件开发主要包括两部分:前台开发与后台开发。前台开发是在Drearnweaver开发环境下利用htrnl5文木标记语言进行系统用户界面的开发，同时调用ActiveX控件；后台开发是在MyEclipse 10开发环境下利用Java语言实现连接mysql数据库并处理业务逻辑。
为了验证机床远程监控系统的应用效果，笔者以轮轴柔性生产线上的2台成型磨床(数控系统为西门子840D)为对象进行了联网测试，图8为监测软件测试现场。
图8 监测软件测试现场
5、结束语
基于计算机的开放式数控机床应用日益广泛，研究该类机床在远程网络下的监控系统具有很好的应用前景。笔者以西门子840D数控系统为研究对象，提出了一种基于Web的智能工厂机床远程监控系统设计方案，着重论述了系统的总体网络框架与相关的关键技术，使用户能够远程对数控系统进行监控，对智能工厂的具体实施进行了探索和尝试本系统应用到某铁路客车生产企业的轮轴生产线上，目前系统运行稳定可靠，达到了预期的效果和设计目的.
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
