基于SIMATIC NET的數(shù)控磨床車間SCADA系統(tǒng)設(shè)計

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(1.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200444; 2.浙江杰克機床股份有限公司，浙江 臺州 318000)

0 引言

隨著企業(yè)信息化建設(shè)的推動及加工車間自動化與管理水平的提高，監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)在自動化車間中得到越來越廣泛的應用，通過與數(shù)控系統(tǒng)、PLC等設(shè)備進行通訊,實現(xiàn)機加工車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、刀具剩余量、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)、報警信息等關(guān)鍵信息的采集與監(jiān)控[1-2]。SCADA系統(tǒng)在國際標準ISA-95模型定義的制造企業(yè)信息系統(tǒng)層級中處于制造運營管理(MOM, Manufacturing Operations Management)層，在MOM/MES與控制系統(tǒng)(如PLC、DCS、OCS等)層之間起著信息交換及控制底層設(shè)備的作用[3-4]，是企業(yè)信息系統(tǒng)的功能核心。

現(xiàn)在某數(shù)控磨床車間主要批量生產(chǎn)軸類零部件，根據(jù)軸類零部件的工藝需求，采用三至六臺JACK MK1320數(shù)控外圓磨床(半防護)進行組線，并配置傳送裝置用于軸類零部件的傳送，傳送裝置有單獨的S7-200系列PLC (226型CPU) 控制。該車間中的JACK MK 1320數(shù)控磨床(半防護)采用西門子SINUMERIK 808D Advanced數(shù)控系統(tǒng)，并配置有龍門式行架機械手用于自動加工及上下料、自動測量儀用于在線檢測零部件的端面和徑向尺寸、砂輪直徑測量裝置用于砂輪直徑的檢測與補償?shù)?。盡管該車間實現(xiàn)了一定的自動化水平，但是對磨床線組的掌控力度不強，同時為配合公司下一階段的信息化建設(shè)，在自動化的基礎(chǔ)上須構(gòu)建車間物聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。因此，本文設(shè)計了基于SIMATIC NET的數(shù)控磨床車間SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)了對磨床和自動化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)控、故障再現(xiàn)、生產(chǎn)統(tǒng)計等功能，有效地提高了數(shù)控磨床車間的生產(chǎn)效率與管理水平，為公司下一階段的信息化建設(shè)奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

在數(shù)控磨床車間SCADA系統(tǒng)硬件連接圖(見圖1)中，西門子SINUMERIK 808D Advanced數(shù)控系統(tǒng)以及磨床數(shù)組傳送裝置使用的PLC為西門子S7-200系列PLC，因此把西門子S7-200系列PLC作為數(shù)控磨床車間SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集器，通過數(shù)控系統(tǒng)PLC收集測量裝置與傳感器獲取的信號、數(shù)控系統(tǒng)操作面板(manual control panel, MCP)信號、數(shù)控(Numerical Control, NC)信號、數(shù)控系統(tǒng)人機交互界面(Human Machine Interface, HMI)信號以及PLC參數(shù)，通過傳送裝置的PLC獲取傳送裝置上的倍率開關(guān)、按鈕、傳感器等數(shù)字信號與模擬量信號。

在本文數(shù)控磨床車間SCADA系統(tǒng)中使用SIMATIC NET 在PC機上建立OPC服務器及通訊模塊，使用SIMATIC NET OPC通過SIMATIC NET 工業(yè)以太網(wǎng)與西門子SINUMERIK 808D Advanced數(shù)控系統(tǒng)及傳送裝置中的S7系列PLC進行數(shù)據(jù)交換，進而通過SIMATIC NET所提供的通信模塊把數(shù)據(jù)提供給OPC客戶端，實現(xiàn)對數(shù)控磨床車間數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控。

圖1 SCADA系統(tǒng)硬件拓撲圖

采用西門子工業(yè)軟件WinCC V7.3作為SIMATIC NET OPC客戶端，同時為彌補WinCC的不足，開發(fā)了基于VB高級語言的客戶端。鑒于WinCC強大的腳本功能，使用在WinCC中添加VB腳本或者C腳本的方式，把相關(guān)數(shù)據(jù)以過程變量觸發(fā)的方式導出文本，為電子看板提供所要顯示的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及GSM-SM Modem所要發(fā)送的報警文本。電子看板與GSM-SM Modem采用二次開發(fā)的方式實現(xiàn)。

數(shù)控磨床車間SCADA系統(tǒng)功能如下。

1)設(shè)備管理：設(shè)備臺賬(記錄設(shè)備購入日期、編號、規(guī)格型號、提供商與生產(chǎn)廠家，以車間布局圖的形式顯示設(shè)備的放置地點，根據(jù)設(shè)備購入日期與使用時間自動更新設(shè)備的使用年限、折舊值等)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備維護與定期保養(yǎng)計劃、設(shè)備OEE；

2)生產(chǎn)管理：生產(chǎn)實時監(jiān)控、生產(chǎn)量歷史數(shù)據(jù)查詢與報表統(tǒng)計、CNC加工代碼從遠程PC端傳至數(shù)控系統(tǒng)及在PC客戶端遠程選擇數(shù)控系統(tǒng)所要執(zhí)行的加工代碼；

3)砂輪管理：實時顯示每臺數(shù)控磨床的砂輪當前直徑，以折線圖的形式展現(xiàn)砂輪直徑的變化趨勢；

4)故障報警系統(tǒng)：數(shù)控磨床與自動化設(shè)備發(fā)生故障需要維護或者砂輪磨損到最小直徑需要更換砂輪時，PC客戶端顯示報警文本障呼叫、異常呼叫、短信提醒；

5)電子看板：綜合看板(屬于車間級電子看板，用于顯示車間生產(chǎn)計劃與進度、各生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)與生產(chǎn)量等)、生產(chǎn)線級看板(顯示內(nèi)容可參考圖1中的電子看板)；

6)數(shù)據(jù)采集：CNC數(shù)據(jù)采集、PLC數(shù)據(jù)采集、自動化設(shè)備數(shù)據(jù)采集。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 基于西門子通信技術(shù)的系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)建

SIMATIC NET是西門子通信網(wǎng)絡和產(chǎn)品整個系列的名稱，為完善的工業(yè)化控制系統(tǒng)的通訊提供部件和網(wǎng)絡，同時提供包括OPC.SimaticNet、OPC.SimaticNet.AE、OPC.SimaticNET.DP、OPC.SimaticNET.PD、OPC.SimaticNetAlarms、OPCServer.WinCC等在內(nèi)的多個OPC Server服務器，為數(shù)據(jù)的外部訪問提供的主要接口為自定義接口與自動化接口[5]。

SIMATIC NET使用的兩種通信網(wǎng)絡是PROFIBUS與工業(yè)以太網(wǎng)。PROFIBUS是一種用于工業(yè)自動化和現(xiàn)場設(shè)備的開放式且符合國際標準的現(xiàn)場總線。SIMATIC NET 工業(yè)以太網(wǎng)以ISO-OSI參考模型的各個層為基礎(chǔ)，可以與SEND/RECEIVE協(xié)議、S7協(xié)議、S7協(xié)議(容錯)、SNMP協(xié)議、PROFINET IO等協(xié)議結(jié)合使用，能夠滿足工業(yè)應用的各項要求。對于這兩種網(wǎng)絡，可用的協(xié)議允許在自動化組件和設(shè)備之間進行全集成通信[6]。

SIMATIC NET 提供的SIMATIC NET OPC(OLE for Process Control)服務器是一個用于過程控制和制造業(yè)自動化的工業(yè)標準。OPC Server作為數(shù)據(jù)源的OPC元件把原始數(shù)據(jù)從底層設(shè)備采集到OPC應用程序，支持S7通信、開放式通信服務(SEND/RECEIVE)、PROFIBUS DP和FDL、SNMP、PROFINET IO等通信功能[7]。

2.1.1 建立車間網(wǎng)絡

CP 243-1工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器提供與S7-OPC的連接，主要的功能是具有S7通訊，可訪問S7-200、S7-300、S7-400控制器，重要的是CP243-1可以對工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊進行預先格式化，通過帶有RJ45水晶頭的標準網(wǎng)線與OPC Server進行數(shù)據(jù)交換[8]。對于無法直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)中的S7-200 PLC(226型CPU)，配置CP243-1以太網(wǎng)通訊處理器，具體配置過程如下：

1)硬件配置：安裝CP243-1處理器，使用PC/PPI電纜或PC Adapter USB連接S7-200與PC；

2)軟件配置：使用3.2.1 SP1或以上版本的STEP 7 Micro/WIN 32成功訪問到S7-200 CPU后，通過以太網(wǎng)向?qū)Чぞ邔P243-1模塊進行組態(tài)，設(shè)置IP地址和生成子程序。

對支持以太網(wǎng)通訊的西門子SINUMERIK 808D Advanced數(shù)控系統(tǒng)、電子看板，分別使用數(shù)控系統(tǒng)HMI、電子看板系統(tǒng)配置軟件直接配置一個IP地址。

在為每條生產(chǎn)線上的所有數(shù)控系統(tǒng)、電子看板及傳送帶的PLC分配一個固定的IP地址后，連接到各生產(chǎn)線的網(wǎng)絡交換機，然后把網(wǎng)絡交換機、上位機與路由器相連接，可參考圖1 SCADA系統(tǒng)硬件拓撲圖所示。GSM-SM Modem、打印機與裝有SIMATIC NET OPC服務器的電腦通過USB連接。

2.1.2 通訊組態(tài)

SIMATIC NET PC Software V13軟件是SIMATIC NET的通信產(chǎn)品，安裝此軟件會安裝包含SOFTNET-IE S7(可連接少于8個數(shù)控系統(tǒng)或PLC)、SOFTNET-IE S7 Lean(可多于連接8個數(shù)控系統(tǒng)或PLC)等在內(nèi)的所有SIMATIC NET PC軟件產(chǎn)品。安裝SIMATIC NET PC Software V13軟件后，在PC中完成OPC Server的建立及通訊配置，步驟如下[9-10]：

1)使用西門子TIA Portal軟件對西門子SINUMERIK 808D Advanced數(shù)控系統(tǒng)及已配置以太網(wǎng)通訊模塊的PLC進行網(wǎng)絡端口信息的分配和組態(tài)，并生成配置文件；

2)將生成的配置文件導入SIMATIC NET 提供的接口軟件“Station Configurator”中；

3)使用SIMATIC NET提供的“Communication Setting”，進行通訊設(shè)置。

OPC Scout V10是SIMATIC NET提供的一款專門用于調(diào)試和測試OPC系統(tǒng)的工具，具有瀏覽顯示PG/PC上可用的OPC服務器、測試連接的對象、讀寫變量數(shù)值、顯示報警、S7連接診斷等功能。完成以上工作，可使用OPC Scout V10軟件檢測OPC服務器是否可用與各個子連接(如S7_Connection_1)是否建立與連接。

2.2 PLC數(shù)據(jù)分析與處理

PLC是自動化控制中的主流控制設(shè)備，也是制造企業(yè)信息系統(tǒng)的核心元件，起到控制底層設(shè)備、收集傳感器與執(zhí)行器信號等重要作用。

在數(shù)控磨床車間SCADA系統(tǒng)方案中，是通過PLC實現(xiàn)SIMATIC NET OPC Server與數(shù)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換的，因此在建立OPC客戶端之前，必須根據(jù)客戶需求，對PLC端的數(shù)據(jù)進行分析、處理，確定需要采集的PLC變量，以便后續(xù)工作的順利進行。對于數(shù)控系統(tǒng)中的NC數(shù)據(jù)無法直接被OPC Server直接獲得，同時有些功能需要利用PLC來實現(xiàn)，因此需要在不改變且不影響原數(shù)控系統(tǒng)PLC變量與程序的前提下，使用PLC Programming Tool軟件上載數(shù)控系統(tǒng)PLC程序，在PLC中進行以下工作[11-13]：

1)NC數(shù)據(jù)到PLC數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。需要轉(zhuǎn)換的是15個R參數(shù)，通過編寫PLC程序把R參數(shù)的數(shù)值讀到PLC變量中。

2)使用PLC實現(xiàn)加工代碼的遠程選擇。通過在客戶端中觸發(fā)控件改變相關(guān)PLC參數(shù)，進而調(diào)用PLC程序，修改DB1700.DBB1000的值來實現(xiàn)。車間磨床上存儲的加工代碼數(shù)量不同，為每臺磨床編寫不同的子程序會導致工作量變大。圖2中“Select_Program”程序塊實現(xiàn)了不同機床“加工代碼的遠程選擇”程序的統(tǒng)一，通過改變“Select_Num”的值且對“Comfirm_Key”進行置位即可選擇對應加工代碼，同時生產(chǎn)量“Planned_N”、“Invalid_N”、“Valid_N”被初始化處理。

3)生產(chǎn)量統(tǒng)計。在PLC中添加如圖2中的“Production_Statistics”子程序塊，使用磨床尾夾控制信號(Q2.4)與工件未達標報警變量(DB1600.DBX4.3，DB1600.DBX4.5)實現(xiàn)有效生產(chǎn)量、無效生產(chǎn)量的粗略統(tǒng)計。

除了在PLC中進行以上工作，還進行了一些簡單的數(shù)據(jù)處理。而對于傳送帶上PLC所收集的數(shù)據(jù)，可直接選擇相應的PLC參數(shù)進行使用，無需進行數(shù)據(jù)處理。

圖2 加工程序選擇與產(chǎn)量統(tǒng)計子程序

2.3 SIMATIC NET OPC客戶端

SIMATIC NET OPC Server支持兩種客戶端：基于WinCC的OPC 客戶端和基于高級語言的(C#、Visual Basic、C、C++)的OPC客戶端。

2.3.1 基于WinCC的客戶端

西門子SIAMTIC視窗控制中心(Windows Control Center，WinCC)是一個模塊化的自動化軟件，在西門子全集成自動化(TIA)中占有重要地位，可靈活地進行擴展，可應用在辦公室和機械制造系統(tǒng)中，具有支持VB腳本和C腳本、完善的SCADA系統(tǒng)、集成ODBC/SQL數(shù)據(jù)庫、靈活的擴展能力、基于WEB技術(shù)以及具有強大的標準接口等特點[14]。在企業(yè)信息化過程中，WinCC可以通過標準接口將自動化層連接到MES和ERP的應用層中，為其提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[15]。

用戶可使用WinCC圖形系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、歸檔系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)、通信等子系統(tǒng)，組態(tài)出所需要的各種功能界面和打印報表等[16]?；赪inCC系統(tǒng)的強大功能和特點，數(shù)控磨床車間SCADA系統(tǒng)的客戶端采用西門子WinCC V7.3組態(tài)軟件進行開發(fā)。

基于WinCC開發(fā)的客戶端具有設(shè)備監(jiān)控、生產(chǎn)統(tǒng)計、故障報警與維護、刀具管理、加工程序的遠程下載與選擇、數(shù)據(jù)歸檔、實時趨勢曲線以及歷史趨勢曲線等功能，其中加工程序的遠程下載功能通過在在基于WinCC的客戶端中調(diào)用西門子免費軟件“Access My Machine”實現(xiàn)。大致開發(fā)過程如下：

1)根據(jù)客戶需求與確立的PLC變量，分別在WinCC變量管理系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、變量記錄(歸檔)系統(tǒng)中，按組創(chuàng)建過程變量、報警信息、歸檔變量；

2)按照系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計客戶端各功能界面并畫出草圖，然后使用WinCC圖形系統(tǒng)，添加各功能界面，設(shè)置各功能界面上控件(如按鈕、表格、趨勢圖等)的屬性等；

3)為功能界面中的輸入/輸出、指示燈、儀表盤、表格控件、趨勢圖、報警控件等分配對應的過程變量、歸檔變量、報警信息。

2.3.2 基于VB語言的客戶端

WinCC在實現(xiàn)一些復雜的數(shù)據(jù)模型上存在不足，因此要實現(xiàn)客戶端復雜功能就必須采用其他方式，如調(diào)用第三方軟件、開發(fā)功能型軟件等。

SIMATIC NET OPC 服務器提供的自定義接口與自動化接口分別支持基于高級語言C++、C#、VB、VBA的客戶端應用程序[17]。對于自定義接口，OPC Client需要通過OPC定義的底層函數(shù)直接訪問OPC Server，采用此種方式編程較為復雜，而自動化接口提供了基于自定義接口的組件，通過對自動化組件中的特定方法、函數(shù)與屬性進行簡單的編程，即可實現(xiàn)對OPC Server的訪問，由此為本文數(shù)控磨床車間SCADA系統(tǒng)采用OPC自動化接口，開發(fā)了一套基于VB的SIMATIC NET OPC客戶端，以實現(xiàn)設(shè)備效率分析、設(shè)備節(jié)拍分析、電子看板系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、短信發(fā)送系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定等功能。

首先，在VB6.0工程項目中引用SIMATIC NET提供的“Siemens OPC DAAutomation 2.0”組件；然后，定義OPC相關(guān)變量，建立連接及對象；最后，采用同步、異步、訂閱方式進行讀寫數(shù)據(jù)[18-20]。

在開發(fā)基于VB的OPC客戶端的過程中，為了使過程標簽映射到OPC項，必須在OPC客戶端中分配唯一的OPC項。使用標識符或句柄有助于更有效地傳輸與更快地標識用于訪問操作的項。

在圖3中，“ServerHandles”句柄服務用于識別OPC服務器中的OPC項。如果呼叫方向是從OPC客戶端到OPC服務器，則OPC客戶端必須將相應的服務器句柄傳輸?shù)絆PC服務器。

圖3 標識在基于VB的OPC客戶端中創(chuàng)建的OPC項

“ClientHandles”句柄服務用于識別OPC客戶端中的OPC項。如果呼叫方向是從OPC服務器到OPC客戶端，則OPC客戶端將從OPC服務器接收相應的客戶端句柄。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在進行調(diào)試之前使用西門子“PLC Programming Tool”軟件對數(shù)控系統(tǒng)重新上載已添加子程序的PLC程序。

為避免現(xiàn)場數(shù)控磨床、傳送裝置連接SCADA系統(tǒng)后，出現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)運行速度變慢與卡機、生產(chǎn)節(jié)拍放緩與紊亂、SCADA系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等現(xiàn)象，在進行現(xiàn)場調(diào)試、運行之前，必須進行實驗室單機調(diào)試,以排除系統(tǒng)中存在的問題，檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)對設(shè)備的影響。

首先，使得數(shù)控系統(tǒng)與系統(tǒng)的通訊正常后，觀察SCADA系統(tǒng)客戶端的功能界面顯示是否正常，并通過數(shù)控系統(tǒng)人機交互界面修改PLC變量的值，觀察客戶端界面上現(xiàn)實的內(nèi)容是否達到預期效果，對于客戶端中；然后，保持數(shù)控系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)的連接，運行一段時間后，查看SCADA系統(tǒng)歸檔功能與報警功能是否正常；最后，操作數(shù)控系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)客戶端，觀察切換系統(tǒng)界面時，是否出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。根據(jù)以上檢測結(jié)果，解決系統(tǒng)中存在的問題并優(yōu)化在數(shù)控系統(tǒng)PLC中添加的子程序。

當實驗室單機調(diào)試使得SCADA系統(tǒng)運行趨于較穩(wěn)定且對數(shù)控系統(tǒng)的正常運行不產(chǎn)生影響后，再進行現(xiàn)場調(diào)試。

現(xiàn)場調(diào)試分為現(xiàn)場單機、生產(chǎn)線、整個車間調(diào)試與試運行，逐級測試系統(tǒng)性能，排除系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，嚴格把控SCADA系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備的不良影響。SCADA系統(tǒng)運行的部分功能界面效果圖如圖4～6所示。其中圖4是基于WinCC的主界面效果圖，用于監(jiān)視整個車間數(shù)控磨床與傳送裝置的狀態(tài)。圖5是基于WinCC的數(shù)控磨床界面效果圖，用于顯示數(shù)控磨床的坐標、砂輪狀態(tài)、生產(chǎn)量、MCP面板的內(nèi)容及數(shù)控磨床每日各種狀態(tài)的時長。圖6為基于VB的設(shè)備效率分析界面效果圖，在圖中可選擇磨床編號與起始時間，用條紋、餅形圖、數(shù)值3種形式展示相應時間段內(nèi)某磨床的各種狀態(tài)的時長等。

圖4 基于WinCC的主界面效果圖

圖5 基于WinCC的磨床狀態(tài)界面效果圖

圖6 基于VB的設(shè)備效率分析界面效果圖

完成系統(tǒng)調(diào)試后，短期內(nèi)SCADA系統(tǒng)運行，性能基本穩(wěn)定且并為對車間現(xiàn)場設(shè)備造成不良影響，但是隨著歸檔數(shù)據(jù)量的增大，在基于WinCC的客戶端中切換界面以及加載歸檔的歷史數(shù)據(jù)會變得比較緩慢，對于這種問現(xiàn)象，需要調(diào)整“WinCC OnlineTableControl”控件的屬性，并且定期備份、清理大量的歸檔數(shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4 結(jié)束語

在數(shù)控磨床SCADA系統(tǒng)開發(fā)的過程中，采用SIMATIC NET技術(shù)，快速地完成了基于SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)的通訊網(wǎng)絡與SIMATIC NET OPC服務器的建立，降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度。WinCC軟件的使用，進一步加快了SCADA系統(tǒng)的開發(fā)速度，提升了系統(tǒng)的開發(fā)效率，而基于VB的OPC客戶端的開發(fā)彌補了WinCC在復雜數(shù)據(jù)模型方面的不足，增加了系統(tǒng)功能?；赟IMATIC NET的自動化車間SCADA系統(tǒng)，增加了生產(chǎn)車間透明度，提高了設(shè)備異常處理效率、生產(chǎn)效率與管理水平，進一步提升了數(shù)控磨床車間的自動化水平，為公司下階段的信息化建設(shè)打下了一定基礎(chǔ)。