智能产线的构建（老旧机床的数字化改造）

目录

摘要

一、总体设计思路

二、三菱 E60 系统制造数据采集方法

三、基于 OPC UA 协议设计服务器软件

摘要

        当下智能制造是研究的重点领域，构建智能工厂首先必须解决数据的采集和交互问题，产线上的各种设备之间兼容性低、 通用性差，“信息孤岛”问题并没有得到有效且简便地解决。另外，由于的成本和效益等问题，大多数工厂中部分老旧机床仍在“服役”的情况难以避免，这些机床的数据采集往往只提供RS232串口，无网口，这对整个智能工厂的构建尤其是数据采集造成障碍。

        分析当前主流协议，选取OPC UA 协议对老旧机床进行数字化改造，为数据标准化助力。以下以三菱E60/E68数控系统为例进行数字化改造，具体包括数据采集系统的总体思路、三菱系统数据采集分析和OPC UA服务器构建。

一、总体设计思路

        数据采集系统总体设计思路围绕数据流向展开，始于三菱数控系统 CNC 侧 或 PLC 侧，终止于本地储存文件，具体流向如图所示。待采集的数据可能储存于 PLC 的软元件中，也可能保存在 CNC 系统中，这些数据大多可在机床显示面板上直接观察到，但对于实际应用来说只有将数据导出为可用文件或其他便于集成、储存、分析的形式才能发挥出更大作用。系统先利用 DDB 功能对 PLC 编 程，解决所需采集的数据从 CNC 到 PLC 的障碍，接着通过研究串口通讯将数据 采集至 PC 端；PC 端开发服务器软件将数据按需更新至 OPC UA 服务器信息模 型，供客户端随时读取；客户端软件登录至 OPC UA 服务器，实时获取节点信息 并显示在 UI（User Interface，用户界面），最后用户可选择将实时更新的数据按 设计好的 XML 格式保存至本地，供数据分析等软件进一步研究。

 二、三菱 E60 系统制造数据采集方法

        三菱 PLC 程序设计是整个数据采集系统开发的首要任务，通过编写梯形图程序使待采集的数据全部储存于 PLC 软元件中，为后续数据采集打下基础。

        通过 DB20-DB9 通讯线将三菱 E60 系统的控制单元与 PC 端相连后便可实现串口通讯，用户可在 PC 端通过相关协议对控制单元中 PLC（可编程控制器） 里绝大多数输入输出、定时器、计数器、继电器和寄存器的值进行实时读取并用 于后续分析处理等。但对服务于制造过程中的数据采集系统而言，单纯这些数据是远远不够的，比起 PLC 中直接读取到的诸如照明灯、冷却液开启与否等信息， 工业现场更希望收集到如主轴实际位置、转速、电流负载等更为有用的制造信息。 而此类信息大多无法在 PLC 的 软元件里 直 接 读取 ， 而 是 保 存 于 CNC （Computerized Numerical Control，计算机数控）系统中，需要将其先从 CNC 系 统导入到 PLC 的寄存器中才能利用上述串口通讯在 PC 端进行实时读取。对此， 三菱 E60 数控系统专门提供有 DDB (DirectDateBus)功能实现此操作，梯形图示例如下。

        当在 GX-Developer 软件中完成梯形图编制及转换后，利用 RS-232 通讯线将 机床控制单元与 PC 端相连，利用“PLC 写入”功能将程序上传至机床 PLC 中。 当 PLC 正常运行时，用户即可在 D300 和 D301 等寄存器中读取到所需的制造数 据。其中 D300 和 D301 储存的信息分别为主轴指令转速值二进制表达的低 16 位 和高 16 位数据，对于PC端对该寄存器的读取可利用三菱的MC协议和ACT控件直接调取，相关教程网上较多此处就不赘述了。

三、基于 OPC UA 协议设计服务器软件

        服务器软件的程序主要由串口通讯和 OPC UA 服务器两部分构成，前者主 要是通过将 ACT 控件转化而来的 C++源文件及头文件导入项目，以函数调用的 方式进行数据读取，值得注意的是不同数据信息所占内存大小不同，部分数据需 进行处理才可使用；后者则主要包括 OPC UA 服务器建立、信息模型设计和数据 更新等内容。在开发时还设计有上述简单界面用于调试，若在实际工厂中使用时 可将界面直接省去，整个服务器软件可脱离 PC 全部打包移植于树莓派或工控机 等设备，将设备安装于机床内部，上电即开始运行。此方式不仅完成了数据采集 任务，还对老旧机床的数字化改造具有重大推动作用。

        OPC UA服务器信息模型如图：