（机械电子工程专业论文）可配置dnc数据采集系统的研究与开发.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 数据采集是分布式数控系统的一个重要功能。随着制造自动化和企业信息化 的发展，企业对自动采集制造信息的需求越来越强烈。研究和开发d n c 数据采 集系统，对发挥数控机床的潜力、掌握生产现场信息、提高企业的响应速度和 决策水平，推动企业自动化的进程都有着重要的现实意义。 本文首先论述了d n c 及d n c 数据采集技术的研究现状、发展趋势，分析了在 先进的制造技术影响下，如何发展d n c 数据采集系统，并在此基础上提出了可 配置d n c 数据采集系统的解决方案。其次，对可配置d n c 数据采集系统的组成、 功能、总体框架进行了研究，重点研究了可配置d n c 数据采集系统的采集方法、 与上层管理系统的集成方法、d n c 数据采集的内部和外部通信技术、基于o p c 数 据访问规范的数据采集等关键技术，并在此基础上，开发了可配置d n c 数据采 集原型系统。最后，总结了全文，并对有待进一步深入研究和探索的问题提出 了建议。 关键词：d n c ，数据采集，配置，o p t 数据访问规范 可配置d n c 数据采集系统的研究与开发 a b s t r a c t d a t a a c q u i s i t i o ni sa l li m p o r t a n tf u n c t i o no f d n cr d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s y s t e m w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o n , t h er e q u i r e m e n t s o f c o l l e c t i n gm a n u f a c t u r i n g i n f o r m a t i o n a u t o m a t i c a l l y b e c o m em o r ea n dm o r e i n t e n s ef o re n t e r p r i s e s i tw i l lb ev e r ym e a n i n g f u lt os t u d ya n dd e v e l o pa l la d v a n c e d d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rd n c s y s t e m b e c a u s ee f f e c t i v ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m c a nn o to n l yh e l pt h ee n t e r p r i s eu t i l i z et h ep o t e n t i a lo ft h e i rd n c s y s t e m m a k et h e b e s tu s eo ft h ea v a i l a b l er e s o u r c e ，b u ta l s oh e l pt h ee n t e r p r i s et og e tw e l li n f o r m e do f t h ew o r k i n gc o n d i t i o n si nt h ef i r s tt i m e ，i m p r o v et h er e a c t i o ns p e e da n dm a k ew i s e r d e c i s i o n s o nt h ew h o l e ，i tw i l li m p r o v et h ep r o d u c t i v i t y , c o m p e t i t i o na n de c o n o m i c b e n e f i t so f t h ee n t e r p r i s e ，a n ds p e e d u p t h ea u t o m a t i o np r o c e s sa sar e s u l t a t f i r s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec u r r e n td e v e l o p m e n ta n dt r e n d so fd n c a n dd n c d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h e n ，i ta n a l y z e sh o wt o d e v e l o pb e t t e rd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m u n d e rt h ei n f l u e n c eo fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s a n db r i n g f o r w a r dan e w t y p e o fd n cd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e d c o n f i g u r a t i o n s t e c h n o l o g i e s s e c o n d l y , i ta n a l y z e sa n ds u m m a r i z e st h ec o m p o s i t i o n ，t h ef u n c t i o n s a n dt h ef r a m e w o r ko fac o n f i g u r a b l ed n cd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m t h ea u t h o rg i v e s g r e a te m p h a s i so nd i s c u s s i n g d a t a a c q u i s i t i o nm e t h o d s ，c o m m u n i c a t i o nm e t h o d s ， o p c ( o l e f o rp r o c e s s c o n t r 0 1 ) 一b a s e d d a t a a c q u i s i t i o n m e t h o d sa n do t h e r s y s t e m i n t e g r a t i n gm e t h o d s o nt h eb a s i so fa b o v ea n a l y s i s ，ap r o t o t y p es y s t e mo f c o n f i g u r a b l ed n c d a t aa c q u i s i t i o nw a sp u tf o r w a r d a tl a s t ，s o m es u g g e s t i o n so n w h a tn e e d sf u r t h e rs t u d ya b o u tc o n f i g u m b l ed n cd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mh a v eb e e n b r o u g h t f o r w a r d k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o n ，c o n f i g u r a t i o n ，0 p c d a t aa c c e s ss p e c i f i c a t i o n 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名：丝 日期：立，5 - 3 ； 南京航空航天大学硕士学位论文 d n c c n c f m s s c a d a m e s m i s o p c m r p 缩写表 d i s t r i b u t en u m e r i c a lc o n t r o l c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a l c o n t r o l f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ， m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l m a t e r i a lr e q u i r e m e n tp l a n 分布式数控 计算机数字控制 柔性制造系统 监视与数据采集系统 制造执行系统 管理信息系统 过程控制对象链接和嵌入 物资需求计划 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 随着信息技术的飞速发展和经济全球化趋势的不断加剧，制造业不得不面对 目益频繁、无法预知的市场变化。为了赢得市场，制造企业的生产模式和制造 组织方式逐渐由面向产品转向面向客户、面向需求和面向服务。近年来人们将 制造技术与信息技术、自动化技术、现代管理技术、人工智能及系统工程方法 相互融合，提出了先进制造技术( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e e h n o l o g y ，a m t ) 的概念，并进行了广泛研究。到目前为止，已提出或实施的先进制造技术与系 统模式有分布式数控系统d n c ( d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 、柔性制造系 统f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、制造执行系统m e s 、精良生产系统 l p 、智能制造系统i m s 、敏捷制造系统a m s 、全能制造系统h m s 、虚拟制造系统 v m s 、分形企业f e 等等”j 。 我国的中小型制造企业一般都拥有一些先进的数控设备，但由于没有实现联 网与数据共享、信息交流而成为自动化孤岛( i s l a n d so fa u t o m a t i o n ) 。利用 d n c 技术可以将其连接起来，消除孤立状态，从而作为一个整体发挥效用，极大 的提高生产效率。相对f m s 技术，虽然d n c 的运行效率和自动化程度较低，但 其投资小、见效快，具有良好的可扩充性，并且其实施过程还可作为f m s 的一 个初级阶段，因此，d n c 已经成为我国中小型制造企业改革的主要目标【2 】o 1 2 d n c 技术概述 美国电子工业协会( e l e c t r o n i ei n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ，e i a ) 给d n c 系统的定义为：“d n c 是一个按要求向各台机床分配数据，并将一组n c 程序与存 储零件程序或机床程序的公用存储器连接起来的系统”d 1 。目前，d n c 系统的功 能包括：n c 程序及制造数据的传递；机床状态的采集与上报；根据生产计划， 自动分配n c 程序及数据到相应的机床；刀具数据的分配与传递；刀具、夹具准 备计划、实现系统内刀具、夹具的实时控制；按照工艺计划及生产计划，实现 由多种数控机床组成的d n c 系统的物流实时控制等等。 可配置d n c 数据采集系统的研究与开发 人们对d n c 的研究始于上个世纪六十年代，当时研究主要目的是为了解决当 时数控设备因使用纸带输入数控加工程序而引起的系列问题以及早期数控设 备的高成本等问题。早期的d n c 系统将若干台数控设备直接连到台中央计算 机上，由中央计算机全权负责n c 程序的管理和传送。早期的d n c 技术可以有效 的减少数控系统的空置时间，提高利用率和生产效率，但其最大的缺点是严重 依赖中央计算机，一旦其出现问题，整个系统就瘫痪了。 上个世纪七十年代以后，随着计算机数字控制( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a l c o n t r o l ，c n c ) 技术的不断发展，数控系统的存储容量的扩大和计算速度的提 高，特别是控制计算机成本的大幅度下降，使直接数字控制发展为分布式数字 控制。分布式控制不但具有直接数字控制的所有功能，而且还具有系统信息收 集等功能，其最大的优点在于系统中的各数控机床具有自治能力。主控计算机 一旦出现故障，系统中的各个数控机床仍然可以继续工作。分布式控制有效克 服了直接数字控制的缺点，提高了生产效率，降低了生产成本，增强了企业的 竞争力，因而在实际中获得了广泛的应用。 上个世纪八十年代以后，随着计算机技术、通讯技术和c i m s 技术的发展， d n c 的内涵和功能不断扩大，与六十年代、七十年代的d n c 相比已有很大差别， 它开始着眼于车间的信息集成，针对车间的生产任务、技术准备、加工操作等 基本作业进行集中监控与分散控制，把生产任务通过局域网分配给各个加工单 元，并使之信息相互交换。这时又出现了很多新的d n c 概念，如1 9 8 7 年美国计 算机集成制造公司副总裁d l f i r m 提出的“b r o a ds c o p ed n c ”，认为在c i m 的 推动下，d n c 已不仅仅作为编程系统( d n c 主机) 和c n c 主机的一种连接方式， 而是可扩充到支持车间级数据的人工采集( 通过键盘录入) 、半自动采集( 使用 条码) 和全自动采集( 通过全闭环系统的离散信号采集) 。1 9 9 0 年南京航空航天 大学方水良博士将d n c 与c a d c a p p c a m 、物料输送和存储、生产计划与控制相 结合，提出的“柔性d n c ”( f d n c ，f l e x i b l ed n c ) ，认为随着d n c 的不断发展， o n c 系统与f m s 系统的界限越来越模糊，d n c 已成为f m s 必不可少的一部分，并 将d n c 系统用作f m s 的通信和控制模块【4 】。1 9 9 8 年重庆大学张旭梅博士提出的 “集成d n c ”( i d n c ，i n t e g r a t e dd n c ) ，强调“扩展d n c 的管理功能和与d n c 系 统外的信息集成垆j ，。近年来，还有人将人工智能运用于d n c 系统提出了智能d n c 的概念，国外还有人将无线电技术运用于d n c 提出了无线d n c ( w i r e l e s sd n c ) 【4 1 南京航空航天大学硕士学位论文 纵观d n c 技术的发展，可以看出，整个d n c 的发展趋势是“柔性化”和“集 成化”，而其中又以集成化为主。总之，d n c 是现代化机械加工车间的一种运行 模式。它以数控技术、通讯技术、计算机技术和网络技术等先进技术为基础， 把与制造过程有关的设备( 如数控机床等) 与上层控制计算机集成起来，从而 实现了制造车间制造设备的集中管理以及制造设备之间、制造设备与上层计算 机之间的信息交换怕j 。 1 3d n g 数据采集技术研究现状、存在问题和发展趋势 按系统功能可将d n c 分为狭义d n c 和广义d n c 。狭义d n c 仅能实现n c 程序 的双向传输，广义d n c 不仅能够实现n c 程序双向传输，而且能够实现数据采集 ( 包括设备状态和刀具信息等) 和远程控制等。目前，d n c 数据采集系统采集的 信息主要包括：( 1 ) 联网状态信息，如联机或脱机；( 2 ) 加工状态信息，如加工 中、空闲、报警、故障等；( 3 ) 位置信息，如刀具坐标、3 n t 参数、剩余移动量、 进给速度等；( 4 ) 辅助信息，如刀具、夹具的工装信息、加工零件的名称等】。 1 3 1d n o 数据采集的重要性 制造业根据生产过程的特点可分为离散制造和流程制造两大类。典型的离散 制造业主要从事单件、小批量生产、适合于面向订单的生产组织方式，机械加 工是典型的离散制造，它主要特点如下： 1 ) 生产周期较长，产品结构复杂，零部件种类繁多，工艺路线和设备 配置非常灵活； 2 ) 生产设备布置不是按产品而通常是按照工艺进行布置的； 3 ) 生产数据多，而且数据的收集、维护和检索工作量大。 目前，机械加工的数据采集，以手工上报为主，并可以结合条形码采集等半 自动信息采集技术进行工时、设备、物料、质量等信息的采集。这种数据采集 方式，时间间隔较大，数据准确性较差，而且容易受到人为因素的影响。 制造业的数据采集系统完成对生产现场各种数据的收集、整理工作，是进行 物料跟踪、生产计划、产品历史记录维护以及其它生产管理的基础。d n c 数据采 集系统作为d n c 的子系统，是d n c 获得底层信息的主要来源，在d n c 系统中占 有重要地位，是d n c 的核心内容之一。众所周知，制造自动化的内涵主要是指 可配置d n c 数据采集系统的研究与开发 制造过程中对各种信息的监测、测试和监控的自动化，对物流和设备管理自动 化，设备诊断与维修自动化。在制造自动化中，无论是信息检测、测试与监控、 物流和设备管理，还是设备诊断与维修技术，均是以数据采集技术作支撑的， 可以说先进合理的数据采集技术是实现d n c 、m e s 、m r p i i e r p 乃至制造自动化 的重要基础。国内有不少企业具有m r p i i e r p 系统，但其基础数据还需要人工 录入。m r p i i e r p 系统没有实时现场信息的支持，只有过期的历史信息，对生产 现场不能做出足够快速与正确的反应与对策。现场信息的自动采集已成为制造 业信息化的瓶颈，必须对数据采集的方法进行研究归j 。 1 3 2 d n c 数据采集的现状 在d n c 发展初期，其数据采集功能主要由构成系统的硬件来决定，随着先进 制造技术和计算机通信技术发展，d n c 系统的数据采集功能往往靠软件技术来拓 展。 国外有不少带数据采集功能的成熟的d n c 软件产品，如美国上升( a s c e n d a n t t e c h n o l o g i e s ) 科技公司设计开发的用于机械加工车间生产现场的d n c 软件 e x t r e m e d n c 。该软件广泛适用于各种不同类型的机床，可以与绝大多数的主流 的数控系统进行通讯，它采用c o m t r o l 公司生产的专用串口h u b 作为通信串口， 每串口通信速率最高达2 3 0 k b p s ，通过多个串口接口( r j 4 5 口) 连接多台数控 机床，并可通过e t h e r n e t l o l o o b a s e t 设备接口与c a d 网的h u b 或服务器相连【4 2 】， 实现数控文件的共享、发送，接收，数控设备的监控及远程控制等功能。在数 据采集方面，e x t r e m e d n c 可实现对c n c 设备的联网状态信息、加工状态信息、 位置信息以及辅助信息全自动的采集，并可通过t c p i p 协议把采集信息实时的 发布到网络上【4 2 1 。国外带有数据采集功能的d n c 软件还有：d n cw o r k 公司的n e t w o r k e dd n c 软件、日本f a n u c 公司的d n c 2 系统、中国台湾涌佳科技有限公司的 x d n c 。 国内对于d n c 采集技术研究也很活跃。如北京华洋宏软件开发有限公司推出 的d n c n e t 软件。该软件通过通用r s 2 3 2 串口，利用机床的宏程序变量输出功 能，实现机床加工信息( 包括刀具坐标、迸给速度、加工状态、剩余移动量等 信息) 的实时采集。南京航空航天大学与成都飞机公司合作完成的“f d n c l 系统”， 通过人工输入方式，实现对完工零件信息的采集。此外，南京航空航天大学与 江西齿轮股份有限公司合作完成的“d n c 通讯网络及管理系统的子系统信号 南京航空航天大学硕士学位论文 采集系统”中，通过人工输入和外接数据采集卡的方式，实现了对数控机床的 运行状态、完工零件等信息的采集。 1 3 3d n c 数据采集系统研究与开发所面临的问题 可以从三个方面概括d n c 数据采集的问题：( 1 ) 如何从c n c 设备中采集信息 的问题；( 2 ) 如何有效与上层管理系统集成的问题；( 3 ) 如何使得数据采集具有 一定通用性、灵活性和可扩充性。 从计算机技术介入制造应用领域开始，“信息孤岛”问题一直困扰着业界。 “信息孤岛”相当严重的限制了信息交换继而约束了应用领域的拓展。同样的 问题在d n c 数据采集中也存在。目前，世界各数控系统与数控机床生产商生产 的数控设备大都采用专用的芯片、专用的硬件电路，并配置专用的软件系统。 这种封闭式的结构使得在数控设备上添加数据采集等功能的二次开发变得非常 困难，而且容易破坏昂贵的数控设备。为了解决封闭式结构数控系统所存在的 问题，近年来，西方一些发达国家提出了开放式体系结构的数控系统，即n c 系 统的开放化，要求数控系统不依赖特定的软硬件平台。近年来，微处理器发展 迅速，性价比越来越高，同时p c 上的软件资源也越来越丰富，p c 平台以其成熟 的技术和稳定的性能已经在控制领域得到了广泛的应用。p c 平台开放的体系结 构也为数控系统提供了一个很好的开放平台。因此，以p c 为软硬件平台发展开 放式c n c 系统已经成为较普遍的共识，是目前n c 开放化的主要途径。 目前，计算机在工业控制领域获得了广泛应用，人们对工业自动化的要求越 来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的 数据采集软件已无法满足工业控制需求。传统的数据采集软件，一旦采集对象 有变动，往往就需要修改源程序，导致其开发工作量大、周期长，软件本身通 用性、灵活性差、复用性低。“可配置”思想的出现，很好解决了数据采集软件 中的这个问题。“可配置”的策略在解决d n c 数据采集软件通用性差、复用性低 等问题时也同样适用，通过配置，用户能可根据自己的控制对象和控制目的， 对d n c 数据采集的对象进行的任意配置，最终完成数据采集的任务。 1 3 4d n o 数据采集的发展趋势 企业信息化时代为d n c 系统数据采集提供了广阔的应用前景，随着计算机 技术和先进制造技术的发展，d n c 数据采集技术必将不断的发展完善。目前，d n c 可配置d n c 数据采集系统的研究与开发 数据采集系统存在如下的发展趋势： ( 1 ) 开放性和通用性的d n c 数据采集标准的研究 现有数控系统由于生产年代和生产厂家不一，存在多种档次和型号，其通信 接口和协议也存在很大的差异。而且由于制造环境的复杂性和异构的数控系统， 目前的d n c 采集系统的组成差别很大，往往成为专用系统，系统的可重用性差。 一种开放式的信息集成和应用集成的标准的研究是当前的重点。在此标准下， 可实现透明的信息交换，同时为不同的操作系统、网络、数控机床设备提供支 持。目前，世界各国数控系统制造商正在积极寻找一条解决通信协议标准化问 题的途径或研究开发平台的产品。 ( 2 ) d n c 采集系统与上层管理系统的集成 d n c 数据采集系统与上层管理系统的集成方法的研究是当前d n c 数据采集系 统中最关键的技术。d n c 系统数据采集功能应该面向c i m s 的需要，实现d n c 系 统和m r p i i 等系统的无缝结合。一个功能完善的d n c 数据采集系统，应该实现 闭环的信息流，机床接受来自工作站的包含数控程序和刀具、夹具信息的制造 数据，并反馈生产信息到分析模块，从而得到提高机床效率的措施。另外，d n c 数据采集系统应该结合m r p 系统，实现系统内的任务分配和动态平衡功能。 ( 3 ) 生产管理技术的研究 由于世界各大数控系统设备制造商纷纷投资研制新一代的d n c 通信接口，并 提供符合m a p ( m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o np r o t o c o l ，制造自动化协议) 标准 的d n c 网络接口及通信软件。所以，今后人们对d n c 集成系统的研究重点将由 过去的通信技术转向d n c 集成化生产管理软件系统技术。其关键技术将主要围 绕提高n c 机床利用率、缩短加工辅助时间、提高d n c 系统的柔性和可靠性、降 低工人劳动强度等方面。而现阶段国内大部分d n c 系统只能实现数控程序的传 送，少数具有机床状态采集功能，具有刀具管理、托盘管理、生产调度等功能 的d n c 系统很少。 1 4 论文研究的意义及主要内容 无论制造信息化、制造自动化或m e s ，都直接或间接的以底层数据采集系 统采集的数据为依据，并以此构成一个能反映生产过程真实情况的反馈系统。 面对世界经济飞速发展和市场的全球化，制造企业要想在激烈的市场竞争中获 南京航空航天大学硕士学位论文 胜，必须具有时间、质量、价格、服务的竞争能力。具有这四种能力的重要手 段之一就是采集与生产相关的实时信息，完善生产过程的监控手段，从而提高 现有资源的利用率，提高车间自动化管理水平。 d n c 作为车间制造设备一种集成模式，对车间生产计划、技术准备、加工 操作等基本操作进行集中监控和分散控制。d n c 投资小、见效快、可靠性高， 是具有较好柔性的数控设备集成控制系统，并且其实施过程还可作为f m s 的初 级阶段，已经被越来越多的企业所接受”j 。 可配置d n c 数据采集技术的研究，可以有效的改善d n c 数据采集系统的通 用性、灵活性和可复用性。对我国发展中的中小企业来说，其实施更具有实际 价值，因为d n c 数据采集系统可以有效提高目前我国大部分企业中存在的数控 设备利用率不高的问题。因此，可配置d n c 数据采集系统研究与开发具有很重 要的意义。本文主要研究可配置d n c 数据采集系统实现的关键技术及其实现方 法，主要内容安排如下： 第一章介绍了d n c 技术的产生与发展，重点论述了d n c 系统数据采集技术 在国内外的研究现状、存在的问题和趋势及其的重要地位。 第二章分析了d n c 数据采集系统的组成、功能，重点分析了d n c 数据采集 系统的内部和外部通信技术，并在此基础上，给出可配置d n c 数据采集系统体 系结构。 第三章分析和讨论了实现可配置d n c 数据采集系统中的关键技术，异构数 控系统的可配置数据采集技术，基于o p c 数据访问规范的数据采集技术，采集 的实时数据和历史数据的保存技术和数据采集系统与上层管理系统的信息集成 技术进行了详细的研究，并给出了具体的实现方法。 第四章以一个原型系统开发为例，具体描述了组态d n c 数据采集系统的开 发过程。 第五章对本文的研究工作进行了总结，并对d n c 数据采集技术作了进一步 的展望。 可配置d n c 数据采集系统的研究与开发 第二章可配置d n c 数据采集系统的设计 本章首先论述了制造业的数据采集与监视技术，并在此基础上详细论述d n c 数据采集系统的组成、功能和总体框架，对可配置d n c 数据采集系统进行了总 体设计，为后续章节对可配置d n c 数据采集系统的关键技术研究和系统构造奠 定了一个良好的基础。 2 1制造业的数据采集与监视技术 2 1 1数据采集与监视系统的简介 制造业的数据采集与监控系统是一个完成制造信息采集和监控的计算机应 用系统，它以监测计算机为控制主体，加上检测装置、执行机构，与被检测对 象( 即生产过程) 共同构成一个整体 4 3 】。数据采集与监控系统从产生到现在已 经经历了四个发展阶段。 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的监视控制和数据采集 ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 系统。这一阶段是从计算机技 术运用到s c a d a 系统开始，一直到上世纪7 0 年代为止。 第二代是基于上世纪8 0 年代通用计算机的s c a d a 系统。此时计算机广泛 采用v a x 等通用计算机或工作站，操作系统一般是选用u n i x 。第一代和第二 代共同特征是基于集中式的计算机应用系统，并且系统不具有开放性，与其他 系统互联困难。 第三代是基于开放原则、能够实现大范围联网的数据采集与监控系统。在这 一阶段中，由于分布式计算机网络技术、关系数据库技术、通信技术在数据采 集与监控系统中广泛的应用，使得s c a d a 系统获得了飞速的发展。 第四代数据采集与监控系统的主要特征是采用i n t e r n e t 技术、面向对象技术、 神经网络技术以及j a v a 等技术，继续扩大s c a d a 系统与其他系统的集成，综 合安全经济运行以及商业化运营的需要。1 1 2 1 ”1 根据制造系统规模和复杂程度，数据采集与监控系统又可划分三种具体的数 据采集方式。 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 1 ) 集中采集集中控制方式 如图2 1 9 】，系统中所有的采集接口与数据采集系统直接相连，一台主计算 机便可完成全部的数据采集及处理功能。这种方式适合简单规模不大的系统， 它突出的优点是结构简单，实现容易，使用和维护方便，成本低廉。早期的 图2 1 集中采集集中控制方式 d n c ( d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o l ，直接数字控制) 采用的就是这种方式。 ( 2 ) 分布式采集集中控制方式 如图2 2 【9 】，系统中所有的采集接口并不是与某一个主机直接相连，而是将 系统中需要采集的信号进行适当的分组( 如按照地域远近分组) ，由一个所谓的 数据采集站完成某一特定组的数据采集任务，多个数据采集站共同完成整个的 数据采集任务。在各数据采集站之上设有数据采集服务器，负责对各个数据采 图2 2 分布式采集集中控制方式 集站进行管理，整个数据采集系统构成一个独立的局域网络。现代的分布式数 控系统( d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 数据采集采用的往往就是这种方式。 分布式采集集中控制方式的缺点是结构复杂、成本高、使用和维护复杂，但它 可配置d n c 数据采集系统的研究与开发 能更好的满足实际的需要，且具有网络功能，是目前大中型制造系统采用的主 要数据采集方式。 ( 3 ) 混合采集方式 混合采集方式是前两种方式的组合，对于大规模复杂制造系统的数据采集一 般都是采用这种方式。它的特点同分布式方式一致。 2 1 2 数据采集与监视系统在信息化制造系统中的作用 现代化的制造业自动化程度高，加工工况、加工条件、加工类型等因素复杂 多变，为了保证产生过程安全高效，生产的产品质量优良，必须对现场设备、 工艺、产品质量及环境等参数进行实时数据采集，形成可靠、完善的信息监视 系统以保证生产过程的正常运行。柔性、健壮的数据采集和监视系统对信息化 制造系统来说至关重要，具体体现在阻下几个方面： 制造业的数据采集系统完成对生产现场各种数据的收集、整理工作，是 进行物料跟踪、生产计划、产品历史记录维护以及其它生产管理的基础。 在制造自动化中，无论是信息检测、测试与监控、物流和设备管理，还 是设备诊断与维修技术，均是以数据采集技术作支撑的，可以说先进合 理的数据采集与监视技术是实现d n c 、m e s 、m r p i i e r p 乃至制造自动化 的重要基础。 功能完善的制造业数据采集与监视系统面向c i m s 的需要，实现与m r p i i 等系统的无缝结构，实现系统内的任务分配和动态平衡。 生产过程及设备有时会出现故障，尤其在设备长期运行时，故障因素几 乎是不可避免的；即使生产过程及设备本身未发生故障，但遇到突发性 的特大扰动时，过程也往往会偏离正常工况。 随着生产过程不断向大型化和精密化方向发展，数据采集与监控系统对企业 信息化、制造自动化和生产调度与管理方面都有着重要的作用，已成为实施制 造业信息化的关键技术之一。 21 3 数据采集与监视系统的现状和问题 目前，基于p c 机硬件平台和w i n d o w s 操作系统软件平台的数据采集与监视 系统是s c a d a 系统的主流。国际和国内市场上基于以上平台、应用比较广泛的 s c a d a 系统有：w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 、西门子公司的w i n c c 、i n t e l l u t i o n 南京航空航天大学硕士学位论文 公司的i f i x 等等，这些s c a d a 系统都提供如下的功能： 数据采集功能提供了基于进程通讯的数据采集方法( 主要表现为开 发d d e 服务程序) ，并开发了常用的多种智能数据采集设备的服务程序。 实时、历史数据记录和查询提供了专用的实时数据库负责记录实时 数据和查询历史数据。 报警处理具有多点同时报警处理功能，提供报警信息显示、用户应 答等功能。 网络通讯功能提供非透明网络通讯机制，可以方便的构建分布式的 s c a d a 系统。 开放系统功能提供基于d d e 数据交换机制与其他应用程序交换数 据，并提供o d b c 与其他数据库系统连接的功能。 但这些s c a d a 系统在以下几个方面具有明显的缺陷： 与企业的m i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ) 系统的结合性差。 网络通讯不透明，不适合开发现代企业基于局域网或专用网层次结构的 监测管理系统。 数据采集速度有待进一步提高。 系统的事故追忆能力差。 缺乏高效能的控制任务调度算法的支持。 而针对国内制造企业应用的需求，这些系统又附带了如下的缺点： 本地性差。虽然部分系统已经汉化，但很难完全满足中国制造企业的某 些行业规范。 价格昂贵。这些系统大多具有昂贵的价格，很难为国内一般的企业所接 受。 同国外的系统相比，大部分国产的s c a d a 系统都是仿照国外系统开发的， 具有较高的性价比和诸如m i s 集成能力差、多任务调度能力差、缺乏事故追忆 和诊断能力等致命弱点。在这种情况下，国内对于大型数据采集和监视系统的 开发还需要系统集成公司开发专门的结合m i s 的系统来满足需求。 2 2d n c 数据采集系统 数据采集作为早期d n c 系统的辅助功能，随着技术的发展，现在已经成为 可配置d n c 数据采集系统的研究与开发 其基本的组成部分。对于保证d n c 系统的正常运行和进一步提高系统的自动化 程度，具有重要的意义。 221d n c 数据采集系统的功能 d n c 数据采集系统一般通常采用分布式或混合式的采集控制方式，少数采用 集中采集集中控制的方式，采集设备状态信息、零件加工信息、刀具使用信息、 中的一种或多种。 d n c 数据采集的一个任务就是把收集到的信息表达出来，提示给操作者，甚 至传给上一级管理系统。传统的方法是把这些信息打印出来，随着工厂计算机 化，可以把这些信息存在文件或数据库中，显示软件滤掉不需要的信息，把主 要的信息用简明、易理解的方式在d n c 系统主机上显示出来或通过i n t e r n e t 网 络等方式把相关的信息发送给相关的管理与控制人员。 d n c 数据采集系统另一个功能就是进行数据汇总与统计。在车间一级的主机 显示器上，系统管理人员可随时观看一些统计数字，也可随时打印出来，例如 设备利用率、平均准备时间、零件平均加工时间等等。还有就是将这些统计数 据收集起来作为累积材料，供以后分析参考使用。 2 2 2d n c 数据采集系统的底层设备接口 从d n c 概念的出现到今天的d n c 技术，无论从功能上还是内涵上都发生了很 大的变化，也正是因为不断的变化，人们对d n c 的概念有着各种各样的理解， 从而导致了d n c 分类标准也各不相同，不同的角度有着不同的分类方法。通常 按照d n c 的功能、内涵、接口和层次结构的不同来划分。按照d n c 的功能强弱， 可将其分为初始d n c 、基本d n c 、狭义d n c 和广义d n c 4 “。具体划分见表2 1 ： d n c 数据采集的方式与底层数控设备所带的d n c 接口有着密切的关系，不同的数 控设备所带的i ) n c 接口不同，具体有以下几种情况： 早期的经济型数控机床 ， 此类机床提供纸带阅读机接口、磁带阅读机接口或p l c 接口中的一种或 多种，若想直接在这些硬件接口的基础上实现数据采集的功能，几乎是不可 能的。对这类机床实现数据采集般用外接数据卡的方式，典型的机床如 f a n t 3 c 7 m 。 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 1d n c 功能分类表 濠逋塞 功能复杂程度价格 初始d n c下传n c 程序简单低 n c 程序的管理和 基本d n c一般低 双向传输 n c 程序的管理与双向传输、系 狭义d n c中等一般 统状态的采集与反馈 n c 程序的管理与双向传输、系 广义d n c统的状态采集、反馈、远程控复杂高 制与车间生产管理集成体系 带r s 2 3 2 等串口的机床 这类数控系统都配有r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 等串口中的一种或多种，提 供了实现d n c 数据采集的硬件条件，但只有少数的加工中心才提供设备的状 态输出功能。这类数控系统实现d n c 数据采集的形式很多，这主要取决于数 控系统的开放性。如果数控系统并不开放，则也只能通过外接数据采集卡的 方式实现数据采集功能。 网络接口的机床 这类数控系统往往配有符合d n c i 、d n c 2 、m a p 3 0 标准的硬件接口，并 自带相关的集成管理软件，例如配有l a p 3 1 标准接口的数控系统 c i n n a t i 一9 5 0 等。一般来讲，这类数控系统利用自带的集成管理软件可以方 便的实现数据采集，数据采集的方式以现场总线式和局域网式为主，偶尔也 用外接数据采集卡的方式实现数据采集功能( 系统不开放且未提供访问软 件) 。 2 2 3d n o 数据采集系统的内部通信技术 以d n c 数据采集计算机为界，可以把d n c 数据采集系统的通信技术分为内 部和外部两类，其中，内部通信技术指的是d n c 采集计算机同数控系统实现数 据交换的技术，而外部技术则是指d n c 数据采集计算机同其他计算机( 如上层 管理计算机) 实现数据交换的技术。d n c 数据采集的内部通信技术严重依赖d n c 数据采集计算机同数控机床的互联的拓扑结构。目前，d n c 数据采集计算机与 数控系统的互联的拓扑结构有：点到点式、现场总线式和局域网式三种。 ( 1 ) 点到点式 采用点对点通讯结构，d n c 采集计算机与数控机床的互联拓扑结构为星型。 可配置d n c 数据采集系统的研究与开发 图2 3 显示点对点通讯的两种主要方式，图2 3 一( a ) 是通过采集计算机的串口分 别连接多台c n c ( 带串口) 机床从而实现数据采集和状态反馈的方式。图2 3 一( b ) 是在采集计算机中插入一块或多块采集板卡，通过采集卡连接多台c n c 机床实 现数据采集和状态反馈的方式。采用串口方式互联通信，常用r s 一2 3 2 c 串1 ：3 或 2 0 m a 电流环，r s 一4 2 2 和r s - 4 8 5 串口有时也被采用；采用数据采集卡方式互联 通信，常用内插式( p l u g - i n ) 数据采集卡。总之，采集计算机与数控系统通过 点对点通信互联实现数据采集功能是一种最常见、最便捷的方式，但存在连接 韪割l 匝e 三甲il 玉噩 i 曲由曲由 图2 3 - ( a ) 图2 3 - ( b ) 图2 3 点对点连接的d n c 采集系统 设备有限、可靠性差等问题。 ( 2 ) 现场总线式 现场总线式是d n c 采集计算机通过现场总线与底层的数控系统相连接，现场 总线相当于“底层”工业数据总线，数控设备之间不直接交换数据。这样有利 于简化通信结构、提高可靠性，但d n c 采集计算机与数控系统之间通常要通过 现场总线接1 ：3 板进行接口转换。现场总线典型示例是重庆大学开发的c a n 总线 网络，如图2 4 i ”j 。 图2 4c a n 现场总线型d n c 结构图 总之，d n c 采集计算机通过现场总线方式和数控系统通信互联的优点是实时性 好、通信方式灵活，但存在初期投资大、系统开放性差、与i n t e r n e t 连接困难、 系统维护和扩充困难等问题 1 6 】。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 3 ) 局域网式 局域网是一种非集中控制的通信网，它把分散系统通过一条公用的通信介 质，如双绞线、光纤电缆或同轴电缆，联接在一起。典型的局域网型d n c 数据 采集系统如图2 5 。 计算机局域网技术具有局部范围内高可靠性、高速率和数据共享的优点。从 地域上看，d n c 采集系统一般安装在一个加工车间内，符合局域网信息传输的要 求。从系统可靠性上看，局域网技术提供了一套完整的差错控制、检错功能， 使得d n c 采集系统具有很高的可靠性。