基于FOCAS的智能制造單元遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究

張秋杰 申會明

（廣西職業(yè)技術學院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530026）

隨著《中國智能制造2025》提出，國內各大制造廠商紛紛進行產(chǎn)業(yè)升級，將中國工業(yè)發(fā)展由“制造”推向“智造”發(fā)展新高潮。作為智能制造單元核心設備之一的數(shù)控機床，其技術研發(fā)與利用直接影響制造業(yè)整體發(fā)展進程。在傳統(tǒng)制造業(yè)智能化改造升級過程中，主要通過研究遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)智能制造單元智能化、網(wǎng)絡化、開放化、信息化等要求。

國內外經(jīng)過多年研究開發(fā)出多種樣式和功能的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，如美國Cimco DNC系統(tǒng)和日本FANUC DNC1/2系統(tǒng)等，國內用戶在使用過程中代價昂貴，開放性集成化差；清華大學CIMS/ERC DNC系統(tǒng)采用專業(yè)通訊手段實現(xiàn)，技術門檻較高，通用性難以保障；鄭州大學FANUC_DNC系統(tǒng)實現(xiàn)加工過程中有限數(shù)據(jù)采集，功能單一且與其他設備系統(tǒng)集成度差。因此，在智能制造單元升級改造領域需要開發(fā)出功能完善、技術通用的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

本文針對國內市場占有率較高FANUC數(shù)控系統(tǒng)組成的智能制造單元為研究對象，采用Socket編程和多線程通信技術，基于.NET平臺搭建遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用程序，通過以太網(wǎng)連接智能制造單元數(shù)控機床，實時讀寫FANUC通訊協(xié)議FOCAS 中動態(tài)鏈接庫相關參數(shù)實現(xiàn)智能制造過程中多種設備間狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)調試、故障記錄診斷和生產(chǎn)效能管理等功能。

1 系統(tǒng)功能分析與模塊設計

1.1 功能需求分析

由多臺加工制造設備參與組成的智能制造單元結構如圖1，加工運行過程中實時產(chǎn)生大量運行數(shù)據(jù)，包括機床位移數(shù)據(jù)、工件幾何參數(shù)、刀具管理數(shù)據(jù)、加工工藝參數(shù)、料倉物料信息、機械手姿態(tài)信息、設備間交互邏輯指令等等。為實現(xiàn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)智能制造單元智能化、網(wǎng)絡化、開放化、信息化等要求，要求其具備：

圖1：智能制造單元硬件組成

（1）設備遠距離管理與控制功能，監(jiān)控系統(tǒng)通常遠離加工車間，在滿足安全通訊協(xié)議條件下集中管理并控制多臺制造設備。

（2）設備實時運行監(jiān)測記錄功能，對加工制造過程中設備運行重要數(shù)據(jù)信息實時記錄，在出現(xiàn)故障風險后便于檢修參考。

（3）設備間必要控制調試功能，監(jiān)控系統(tǒng)可以針對簡單故障進行排除或者輔助維護人員進行故障及工藝聯(lián)調。

1.2 功能模塊設計

智能制造單元遠程監(jiān)控系統(tǒng)負責全局監(jiān)控所有參與加工制造的各自動化設備，如圖2所示，系統(tǒng)主要由用戶管理、機床運行狀態(tài)監(jiān)控、機械手動作狀態(tài)監(jiān)控、料倉管理、故障記錄與診斷、設備參數(shù)調試、生產(chǎn)效能管理等模塊組成。

圖2：智能制造單元遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構

用戶管理模塊實現(xiàn)來賓與專業(yè)維修人員模式切換，保護關鍵性參數(shù)數(shù)據(jù)不易被誤操作修改。機床運行狀態(tài)監(jiān)控模塊經(jīng)通訊配置后，實現(xiàn)制造單元內所有參與加工機床運行狀態(tài)監(jiān)控，是系統(tǒng)核心功能模塊之一。機械手動作狀態(tài)監(jiān)控模塊實現(xiàn)機械手邏輯指令動作監(jiān)控，確保與機床共同順利完成加工循環(huán)。料倉管理模塊可以實時顯示物料儲備情況。故障記錄與診斷模塊對機床故障報警進行分類記錄，并通過查詢PMC中相關參數(shù)（G信號、F信號、X信號、Y信號、A信號）進行故障診斷。生產(chǎn)效能管理模塊直觀反映所有設備利用率、工件加工效率，便于安排調整生產(chǎn)進度。

2 系統(tǒng)關鍵技術實現(xiàn)

智能制造單元遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于Windows 操作系統(tǒng)平臺進行開發(fā)，利用C#開發(fā)工具面向對象設計系統(tǒng)各部分功能，系統(tǒng)監(jiān)控主界面如圖3所示，可以直觀的反映主要設備的監(jiān)控狀態(tài)，可操作性強，在TCP/IP協(xié)議下較穩(wěn)定的與數(shù)控機床和其他設備建立連接。

圖3：智能制造單元遠程監(jiān)控系統(tǒng)主界面

2.1 機床運行狀態(tài)監(jiān)控實現(xiàn)

機床運行狀態(tài)監(jiān)控功能是智能制造單元遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能之一，在設備管理中首先根據(jù)制造單元設置機床的基本信息，如機床的設備網(wǎng)絡地址、設備通訊端口等，才能在隨后打開系統(tǒng)進行通訊連接。

機床側的連接設置如圖4所示，在主面板如圖按system鍵，進入系統(tǒng)界面，按右翻頁切換鍵，切換到公共選項，按公共輔助按鍵跳轉至設置IP界面（圖4-1），設置IP與計算機同網(wǎng)段192.168.0.224，子網(wǎng)掩碼255.255.255.0。按FOCAS2按鈕，跳轉至設置端口號和超時時間界面（圖4-2）。設置端口號為8193和時間之后，重啟設備。注意，設備有效是在內置板模式下，如果顯示為PCMIA模式，需要按操作按鈕切換至內置板模式下。

圖4 -1：機床IP設置頁面

圖4 -2：機床端口設置頁面

監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)在TCP/IP協(xié)議下與機床進行通訊連接，讀寫FOCAS動態(tài)鏈接庫fwlib32.dll中函數(shù)返回值實現(xiàn)機床運行狀態(tài)監(jiān)控，其中FOCAS是FANUC提供給用戶的一組針對 CNC 系統(tǒng)的API 函數(shù)。下面以與機床建立連接并讀取設備坐標值為例說明功能實現(xiàn)具體過程。

如圖5所示，cnc_allclibhndl3.lib為機床連接函數(shù)，在系統(tǒng)配置頁面將參與加工制造設備IP地址、端口號及超時時間數(shù)據(jù)設定后，點擊連接設備。系統(tǒng)調用連接函數(shù)，讀取返回值EW_OK，當返回值為0時，代表設備連接成功?？梢灾苯油ㄟ^cnc_rdposition函數(shù)讀取相應設備機械坐標、絕對坐標、相對坐標和剩余坐標值并顯示到監(jiān)控系統(tǒng)頁面。當返回值不為0時，將記錄返回值并報錯提醒。部分程序代碼及注釋如下：

圖5：系統(tǒng)連接機床CNC讀取坐標值流程

string ip = txtIp.Text;//定義系統(tǒng)界面用戶輸入設備IP地址；

string port = txtPort.Text;//定義系統(tǒng)界面用戶輸入設備端口號；

string timeout = txtTimeOut.Text;//定義系統(tǒng)界面用戶輸入通訊超時量；

int ret =Fanuc.cnc_allclibhndl3(ip,Convert.ToUInt16(port),Convert.ToInt32(timeout),out Fanuc.h);//傳入用戶參數(shù)調用連接函數(shù)并定義返回值；

Fanuc.ODBPOS fos = new ；Focas1.ODBPOS();//定義坐標讀取函數(shù)返回數(shù)據(jù)結構；

short num = Fanuc.8;//設置軸數(shù)；

short type = -1;//設置連接句柄；

short ret = Fanuc.cnc_rdposition(Fanuc.h,type,ref num,fos);//定義坐標讀取函數(shù)返回值；

double MachX;//定義機床X軸坐標；

MachX= fos.p1.mach.data * Math.Pow(10,-fos.p1.mach.dec);//讀取并計算機床X軸坐標值；

labelX.Text = MachX.ToString("#0.000");//系統(tǒng)界面顯示坐標值；

2.2 多軸移動機器人與自動化料倉監(jiān)控實現(xiàn)

多軸移動機器人與自動化料倉是智能制造單元的重要組成部分，多軸機器人主要負責完成機床加工工件成上下料動作（取下加工后成品件換上毛坯件），自動化料倉主要完成取料點自動供毛坯件和放料點存放回收成品件。智能制造單元在實際加工時，各自由相應控制器完成設備控制指令動作，其中多軸移動機器人由其運動控制器所控，自動化料倉由可編程邏輯控制器（PLC）所控。運行過程中關鍵指令/信號點如表1所示。

表1：智能制造單元部分關鍵信號

智能制造單元監(jiān)控系統(tǒng)為完成整個加工制造過程監(jiān)控，需要規(guī)劃好對應機床、移動機器人、自動化料倉之間信號標志，通過讀寫相應關鍵信號完成狀態(tài)監(jiān)控并實時顯示到系統(tǒng)界面。如圖6所示，設備開啟后，多軸機械手移動至料倉取料點，等待料倉發(fā)出的取料點有毛坯信號In（22），抓取毛坯件后移動至機床艙門前換料點等待，收到機床換料指令信號In（8）和機床艙門打開信號In（12）后進入機床，多軸機械手在機床內上下料過程中向機床發(fā)送換料標志位信號Out(8)，確保機床處于停止加工狀態(tài)，上下料動作完成要根據(jù)相應卡盤夾緊松開動作到位信號In（9/10）判斷是否換料完成，多軸機械手取下加工成品工件完成下料動作，換上毛坯件完成上料動作，多軸機械手退出機床至換料點，并復位換料標志位信號向機床發(fā)送換料完成指令，機床關閉艙門開始繼續(xù)加工下一件毛坯件，多軸機械手移動至料倉放料點放下成品工件并返回第一步開始新的循環(huán)。

圖6：多軸機械手上下料流程

2.3 設備參數(shù)調試功能實現(xiàn)

智能制造單元運行過程中信號交互主要發(fā)生在數(shù)控系統(tǒng)（CNC）、PMC、多軸機械手、自動化料倉之間。所有設備均有各自運行調試參數(shù)且種類繁雜，智能制造單元監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)設備參數(shù)集中管理，方便維護調試及故障處理。

系統(tǒng)中指定參數(shù)X為機床到PMC端輸入信號（機床面板按鈕與各開關傳感器信號，如機床面板模式選擇、急停按鍵信號），指定參數(shù)F為CNC到PMC輸入信號（可以表明CNC運行狀態(tài)的信號，如機床主軸使能信號），指定參數(shù)Y為PMC到機床輸出信號（物理接線控制的一些指示燈、繼電器等，如機床面板按鍵執(zhí)行后的反饋指示燈信號）。

以實現(xiàn)機床遠程控制的模式選擇參數(shù)調試為例簡述其實現(xiàn)過程，如圖7所示，輸入模式選擇參數(shù)地址X0010，調用函數(shù)IODBPMC0函數(shù)將輸入?yún)?shù)地址進行屬性定義（包括地址類型、起止長度等），再輸入需要調試的參數(shù)值，調用pmc_wrpmcrng函數(shù)將參數(shù)調試值傳入，通過讀取返回值是否為0判斷參數(shù)調試結果，返回值不為0將提示參數(shù)修改失敗并報錯。

圖7：模式選擇參數(shù)調試流程

3 工程驗證

智能制造單元遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行前配置數(shù)控機床端、多軸機械手、自動化料倉通訊參數(shù)及相應I/O信號。其中數(shù)控機床主要通過內嵌以太網(wǎng)卡中IP地址、子網(wǎng)掩碼、路由器地址、端口編號（TCP）、時間間隔（超時量）等參數(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)建立連接。隨后依次開啟數(shù)控機床循環(huán)啟動、自動化料倉循環(huán)啟動、多軸機械手循環(huán)啟動，監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)控制造過程中各設備狀態(tài)且運行穩(wěn)定。

4 結束語

針對多設備組成的智能制造單元特點，設計智能制造單元遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)智能制造過程中狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)調試、故障記錄診斷和生產(chǎn)效能管理等功能。工程驗證用所設計的監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定實時可靠運行，該研究為制造業(yè)智能化改造升級提供一種新解決思路。