隨著科學技術的不斷提高，設備管理系統(tǒng)作為制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)中一個重要的子系統(tǒng)，是現(xiàn)代企業(yè)物質技術的基礎，是生產經營順利進行的前提以及提高經濟效益的保證。目前，我國大部分企業(yè)的數(shù)控設備信息化程度不高，導致在企業(yè)執(zhí)行層的MES設備管理系統(tǒng)不能及時、準確的獲取設備控制層的相關信息，造成管理鴻溝。其次，現(xiàn)有的MES設備管理系統(tǒng)雖然方便了數(shù)控設備臺帳管理、基本信息記錄等一些靜態(tài)信息管理，但不能針對數(shù)控設備的實時狀態(tài)變化進行動態(tài)管理。

(資料圖)

網絡化分布式數(shù)字控制(Distributed Numerical Control，DNC)可以把數(shù)控設備作為一個信息節(jié)點連接到企業(yè)的信息管網中，實時、準確、自動的為整個信息系統(tǒng)提供及時、有效的數(shù)據，為網絡化制造提供技術支撐。本文將網絡化DNC融入到MES設備管理系統(tǒng)的目的在于可以使企業(yè)執(zhí)行層與控制層無縫連接，消除底層設備的信息孤島，同時獲取數(shù)控設備的實時狀態(tài)信息，對控制層設備進行動態(tài)管理，實現(xiàn)企業(yè)執(zhí)行層與控制層之間的信息交換和協(xié)同工作。

1 系統(tǒng)總體框架結構及功能設計

系統(tǒng)主要是針對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)控設備開發(fā)的，選用的網絡主要用于承載數(shù)控加工程序、設備運行狀態(tài)等信息，為了滿足高實時性、可靠性和可擴展性的網絡要求，系統(tǒng)通過工業(yè)以太網與企業(yè)管理層進行連接，采用TCP/IP協(xié)議，很容易集成到管理辦公網絡。同時，系統(tǒng)通過串口服務器與數(shù)控系統(tǒng)的RS-2232串行口進行連接通信。串口服務器將來自TCP/IP協(xié)議的數(shù)據包解析為串口數(shù)據流；反之也可以將串口數(shù)據流打成TCP/IP協(xié)議的數(shù)據包，從而實現(xiàn)數(shù)據的網絡傳輸。系統(tǒng)利用串口服務器虛擬串口的功能，可將數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據信息透明的傳輸?shù)缴衔粰C。也就是說，將串口服務器連接到網絡中，上位機對數(shù)控系統(tǒng)的串口通信就相當于對上位機本身的串口通信一樣。

系統(tǒng)采用客戶端/服務器的通訊方式，上位機為融入網絡化DNC的MES設備管理系統(tǒng)的客戶端，系統(tǒng)的服務器端安裝在數(shù)控系統(tǒng)上。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

由圖1可以看出，系統(tǒng)由通訊管理模塊、機床狀態(tài)監(jiān)控模塊、設備數(shù)據查詢模塊、設備故障維修管理模塊和系統(tǒng)資料管理模塊這五大模塊組成，數(shù)據庫為整個系統(tǒng)提供數(shù)據支持。

通訊管理模塊和機床狀態(tài)監(jiān)控模塊屬于網絡化DNC的控制層模塊。通訊管理模塊主要對控制命令及數(shù)控程序進行傳輸和管理。控制命令的傳輸主要是當客戶端需要對數(shù)控設備下達命令時，先從客戶端傳送命令到服務器端，當服務器端接收到該命令后，利用數(shù)控系統(tǒng)的內部命令控制數(shù)控設備。數(shù)控程序的傳輸是雙向的，可以從客戶端向服務器端傳輸，也可以將服務器端的數(shù)控程序傳輸?shù)娇蛻舳恕?/p>

機床狀態(tài)監(jiān)控模塊主要是客戶端對數(shù)控設備運行狀態(tài)的數(shù)據采集、控制。此功能模塊的實現(xiàn)可以及時快速地使執(zhí)行層和管理層全面了解設備狀態(tài)信息和加工操作信息，并合理的做出決策控制。另外機床狀態(tài)監(jiān)控模塊也為企業(yè)生產的統(tǒng)計分析工作提供了重要的數(shù)據來源。

機床數(shù)據查詢模塊從數(shù)據庫中獲取機床狀態(tài)監(jiān)控模塊采集來的數(shù)據，根據用戶需要將數(shù)據進行統(tǒng)計分析，生成報表，并完成打印和管理功能。

設備故障維修管理模塊對設備維修計劃進行管理、對設備維修情況進行錄入，并保存在數(shù)據庫之中。

系統(tǒng)資料管理模塊主要是對數(shù)控設備資料、參數(shù)資料、部門資料和人員資料進行錄入及日常管理。

2 關鍵技術的研究與實現(xiàn)

由于控制命令傳輸?shù)男畔?shù)據較短，可以一次性的將控制命令傳送給系統(tǒng)的服務器端，因此控制命令的傳輸相對簡單。只需把控制命令信息轉換成二進制數(shù)據后，在其前后加上特定的標識信息，然后發(fā)送給服務器端。服務器端辨識到首尾標識后按照約定提取二進制數(shù)據信息，再轉換為控制命令控制數(shù)控設備。

數(shù)控文件的傳輸相對比較復雜。數(shù)控文件的長度較長，超出了通信鏈路的限制，因此要將數(shù)控文件拆分成若干個數(shù)據包。在傳輸?shù)臅r候，首先將文件名、文件長度等與文件有關的相關信息打成一個包，發(fā)送給服務器端。服務器端接收到該信息包后，將收到的信息保存起來并根據文件名創(chuàng)建對應的文件。接下來客戶端將要傳輸?shù)奈募D換成二進制數(shù)據，按數(shù)據包的限定長度將文件分為若干個數(shù)據塊，再將數(shù)據塊按一定的格式打成數(shù)據包，一包一包地發(fā)送給服務器端。服務器端將接收來的數(shù)據包進行拆包，提取數(shù)據塊信息，保存到對應的文件中，直到文件傳輸完成。服務器端發(fā)送數(shù)據的方法類似，不再詳述。整個傳輸過程是按照事先規(guī)定好的通信協(xié)議執(zhí)行的，發(fā)送與接收數(shù)據的流程圖如圖2、圖3所示。

圖2 通訊管理模塊發(fā)送數(shù)據流程圖

圖3 通訊管理模塊接收數(shù)據流程圖

考慮到客戶端和服務器端同時互傳數(shù)據的情況，為了避免單線程不能及時處理連接請求，系統(tǒng)采用多線程技術。系統(tǒng)設置主線程為監(jiān)視線程，負責響應連接請求。當有請求連接時，創(chuàng)建一個新的線程負責發(fā)送或接收數(shù)據，這樣便可使兩端同時進行數(shù)據傳輸，提高傳輸效率。

對數(shù)控程序的管理是MES設備管理系統(tǒng)中網絡化DNC的核心功能之一，有效的數(shù)控程序管理，可以保證程序的準確性，避免事故損壞機床，提高生產效率，達到安全生產的目的。本系統(tǒng)對在生命周期內的數(shù)控程序進行內部信息管理。數(shù)控程序管理流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)控程序管理流程圖

從程序的生成到程序的消亡，系統(tǒng)對數(shù)控程序有一套嚴格的管理方法。編程人員首先編輯數(shù)控程序，然后將程序相關信息填入數(shù)據庫中作為備份，此狀態(tài)下的數(shù)控程序是不能上傳到數(shù)控系統(tǒng)的。管理人員有權查看數(shù)控程序，若程序有錯誤，則重新編輯；若程序正確，則可以進行試切。如果試切失敗需返回重新編輯，如果試切成功，管理人員將程序定型，程序一旦定型便無法修改，需要在數(shù)據庫中更新程序相關信息，此時的程序可以上傳到數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控程序的相關信息主要通過數(shù)據庫進行管理，包括程序號、程序名稱、所加工的零件號、零件圖號、加工工序號、機床信息、程序狀態(tài)等信息。

機床狀態(tài)監(jiān)控功能是網絡化DNC中不可缺少的一部分，是MES設備管理的核心內容之一。本系統(tǒng)的機床狀態(tài)監(jiān)控主要是通過用于過程控制的OLE技術實現(xiàn)的。用于過程控制的OLE(OLE for Process Control，OPC)是工控行業(yè)的軟件接口標準，它試圖按照標準的方法完成不同設備之間數(shù)據的交換。OPC規(guī)范提供了兩套接口方案，即定制化接口和自動化接口。由于OPC的定制化接口效率高，可以使OPC服務器發(fā)揮其最佳性能，因此系統(tǒng)采用定制化接口。

OPC數(shù)據訪問可以提供一種通過OPC客戶端讀取和寫入數(shù)控系統(tǒng)特定數(shù)據的手段。利用OPC技術，機床狀態(tài)監(jiān)控模塊的開發(fā)流程如圖5所示。

圖5 機床狀態(tài)監(jiān)控模塊OPC類模型的開發(fā)流程

在開發(fā)過程中，首先要在工程中包含四個OPC基金會提供的OPC標準庫文件，對開發(fā)環(huán)境進行相關配置；OPC是基于COM技術制定的，接著初始化COM庫用以使用其接口類；通過OPC服務器的ProgID得到其唯一的CLSID；只有當用戶連接到OPC服務器后才能對組對象和項對象進行操作，因此連接OPC服務器是獲取機床狀態(tài)數(shù)據的必要過程；應用QueryInterface()方法請求IOPCSever接口指針，創(chuàng)建OPC組對象；通過AddItem()添加想要訪問的特定數(shù)據項；添加數(shù)據項后，便可獲取機床狀態(tài)數(shù)據或對機床狀態(tài)進行控制；最后，需要刪除對象、釋放內存，值得一提的是，刪除對象要先刪除項對象，最后刪除OPC服務器對象。

3 實例驗證

本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境選用VC++610及SQL Server 2000，采用裝有Windows95操作系統(tǒng)的西門子840D數(shù)控系統(tǒng)對融入網絡化DNC的MES設備管理系統(tǒng)進行實例驗證。

設置串口參數(shù)如下：波特率9600Bps、數(shù)據位8位、停止位1位、無校驗碼。分別選取控制命令及三個不同長度的數(shù)控程序，在系統(tǒng)客戶端和服務器之間傳輸數(shù)據，每個程序發(fā)送或接收20次并取其平均值，結果如表1所示。由表1可以看出，系統(tǒng)客戶端能向服務器快速發(fā)送控制命令使數(shù)控系統(tǒng)做出較快的反應，同時對于一個給定的數(shù)控程序，平均每行數(shù)據發(fā)送和接收的時間幾乎相同，說明數(shù)據傳輸穩(wěn)定，達到了執(zhí)行層與控制層信息交互的目的。

表1 數(shù)控程序傳輸性能

圖6 數(shù)控程序管理的實現(xiàn)界面

圖7 機床監(jiān)控模塊的實現(xiàn)界面

圖6為數(shù)控程序管理界面。系統(tǒng)根據用戶權限，可對數(shù)控程序進行管理。通過低權限用戶身份登陸系統(tǒng)，無權修改程序狀態(tài)，保證了程序的安全，滿足設計要求。

系統(tǒng)可以對數(shù)控機床的狀態(tài)變化快速做出反應，準確捕獲數(shù)控設備實時狀態(tài)信息，使執(zhí)行層與控制層協(xié)同工作。如圖7所示，系統(tǒng)客戶端檢測到數(shù)控系統(tǒng)當前主軸工作模式值為2(自動)，正在發(fā)送控制命令setopMode0改變其工作模式值為0(手動)，服務器端接收到該命令后正確執(zhí)行。

以上實例表明，在MES設備管理系統(tǒng)中可以簡單、方便地使用網絡化DNC的功能，證明了網絡化DNC在MES設備管理系統(tǒng)中的設計具有可行性，其實現(xiàn)具有實用性。

4 結束語

本文分析了MES設備管理系統(tǒng)對網絡化DNC的需求，提出了融入網絡化DNC的MES設備管理系統(tǒng)的體系結構，采用模塊化設計方法設計了MES設備管理系統(tǒng)中的網絡化DNC系統(tǒng)，并詳細論述了其關鍵技術的實現(xiàn)。通過在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)上的實例驗證進一步表明了系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，運行安全可靠，有效地保障和促進了企業(yè)執(zhí)行層與控制層之間的信息交換和協(xié)同工作，達到了預期的設計要求，具有良好的應用價值。