齒輪制造企業(yè)普遍使用數(shù)控滾齒機作為主要的切齒設(shè)備，其作為數(shù)據(jù)采集的節(jié)點設(shè)備較為合適，是 SCADA 系統(tǒng)中比較值得研究的一類數(shù)控設(shè)備。

　　一、數(shù)據(jù)采集中 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的特點

　　目前，數(shù)控系統(tǒng)大體從構(gòu)架上分為硬件型、軟硬件結(jié)合型、軟件型三大類，早期數(shù)控全部為硬件型系統(tǒng)，缺乏靈活性。目前，比較先進的 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)如 30i 系列都是軟硬件結(jié)合型，即設(shè)備前端應(yīng)用計算機構(gòu)架完成人機對話、數(shù)據(jù)存儲、軌跡運算、指令分配等任務(wù)，硬件完成伺服控制、PMC 輸入輸出等動作控制。在數(shù)據(jù)采集中相應(yīng)的數(shù)據(jù)均會記錄在數(shù)據(jù)區(qū)中，外部計算機可以通過通訊協(xié)議便捷地讀取到存儲器里的數(shù)據(jù)。而軟件型是今后數(shù)控系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，其不需要專門的硬件系統(tǒng)，可以使用通用平臺降低成本，使用開放平臺，進一步增強了適用性。

　　二、數(shù)據(jù)采集中滾齒機的特點

　　數(shù)控滾齒機根據(jù)成形原理，按照兩坐標(biāo)圓弧插補對機床的刀架垂直進給運動和水平徑向運動進給，進行數(shù)字化控制實現(xiàn)齒輪加工。滾齒機應(yīng)具備的傳動鏈：主傳動傳動鏈、展成運動傳動鏈、垂直運動傳動鏈、軸向運動傳動鏈、徑向進給運動運動鏈。在切削過程中，刀軸的轉(zhuǎn)動、工件軸的轉(zhuǎn)動、刀軸的垂直運動是主要切削運動，其信息化特征如下：

　　(1)滾齒機在加工過程中加工路徑基本沒有變化，在高效滾齒機中一直處于切削狀態(tài)，加工程序始終循環(huán)，除換刀和設(shè)備維修外基本沒有其他機床的長時間空閑時間，在采集數(shù)據(jù)時是要特別注意。

　　(2)刀具監(jiān)控是金屬切削機床信息化的重要一環(huán)。滾齒機在加工過程中只使用一把刀具;屬于復(fù)雜刀具，且成本高。而滾刀信息采集的難點是如何讓刀具信息跟隨刀具一起流轉(zhuǎn)。

　　(3)數(shù)控滾齒機一般都是低速重載多軸聯(lián)動機床，所以數(shù)控滾齒機較易出現(xiàn)伺服故障，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)中可以直接監(jiān)控 28 種設(shè)備狀態(tài)信息，如各軸的負載率，電機電流情況、電機溫度等數(shù)值，這些數(shù)據(jù)的采集對數(shù)控滾齒機的預(yù)防性維修起到了很大的幫助。

　　三、數(shù)據(jù)采集的方式

　　制造企業(yè)信息化平臺的開發(fā)流程順序為：管理流——數(shù)據(jù)流——技術(shù)流。即首先梳理信息化管理流程、關(guān)鍵節(jié)點和需要采集的數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)管理流梳理數(shù)據(jù)走向，哪些數(shù)據(jù)要采自哪里，要提供給誰，分析成什么樣的報表，形成數(shù)據(jù)流。最后，根據(jù)數(shù)據(jù)流選擇采用什么樣的采集設(shè)備，使用哪種類型的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，使用什么樣的數(shù)據(jù)庫，形成技術(shù)流。

　　工廠的信息化構(gòu)架分為 ERP-MES-SCADA 三層，SCADA 系統(tǒng)是一種以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程監(jiān)視和控制系統(tǒng)，SCADA 系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫為信息存儲介質(zhì)，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳遞媒介的工業(yè)系統(tǒng)。

　　FANUC 公司的 SCADA 系統(tǒng)主要的作用就是基于設(shè)備層進行機床數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)控。其設(shè)備連接層具體可分成三部分：

　　(1)連接層，即機床上的采集裝置 DTU，其采用網(wǎng)線直連，內(nèi)置 FTP Server 功能，VPN 功能。

　　(2)Smart NC Link 標(biāo)注數(shù)據(jù)采集器，其內(nèi)置 FOCAS 標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫，是 BFM 開發(fā)的基礎(chǔ)軟件，可提供采集各種支持以太網(wǎng)通訊的 FANUC 數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，適用于 Windows、Linux 系統(tǒng)。

　　(3)FANUC MT-Link i 軟件可連接多種設(shè)備，提高了數(shù)據(jù)集成度，既可以連接 CNC、 Robot、OPC，又可以使用 MongoDB 操作命令從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)。

圖 1  信息化構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)關(guān)系框圖

　　SCADA 信息化平臺主要有設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)控機床上的信息上傳至實時型數(shù)據(jù)庫，不同的設(shè)備擁有不同的實時型數(shù)據(jù)庫，其主要根據(jù)設(shè)備通訊協(xié)議進行通訊傳輸，其開發(fā)語言屬于后端開發(fā)。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫再根據(jù)面向?qū)ο蟮囊筇崛崟r型數(shù)據(jù)庫中的信息進行存放，通過 C/S 構(gòu)架和 B/S 構(gòu)架實現(xiàn)人機交互。

　　設(shè)備組網(wǎng)

　　工業(yè)以太網(wǎng)是 SCADS 的基礎(chǔ)，只有實現(xiàn)設(shè)備組網(wǎng)才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

　　在 TCP/IP 協(xié)議中要用 IP 地址來標(biāo)識主機或路由器，IP 地址由網(wǎng)絡(luò)號和主機號兩部分來標(biāo)識。在通訊時，首先要在同一網(wǎng)段內(nèi)尋找，即需要網(wǎng)絡(luò)號相同。在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)要區(qū)分設(shè)備，即主機號要不同。

　　在 IP 地址中可以分為五類：A、B、C、D、E。

　　各類地址的表示范圍是：

　　A 類：0.0.0.0——127.255.255.255

　　B 類：128.0.0.0——191.255.255.255

　　C 類：192.0.0.0——223.255.255.255

　　D 類：224.0.0.0——239.255.255.255

　　E 類：240.0.0.0——247.255.255.255

　　基本常用的為 A 類(地址數(shù)量 1600 萬以上)，B 類(地址數(shù)量 65334)，C 類(地址數(shù)量 254)。在設(shè)定設(shè)備 IP 地址時，應(yīng)根據(jù)接入點的多少設(shè)置地址類型。如果地址類型的規(guī)劃數(shù)量大于實際地址數(shù)量，一方面，會造成地址資源閑置;另一方面，會造成地址表過于龐大，降低檢索速度。也可以使用子網(wǎng)，設(shè)置子網(wǎng)掩碼的方法，在一個網(wǎng)段中劃定一個使用區(qū)域，這樣就可以只不改變網(wǎng)絡(luò)類型的情況下縮小檢索范圍，提高檢索效率。以我公司為例，我公司共有 1667 臺數(shù)控設(shè)備，連接至工業(yè)以太網(wǎng)可使用 176.10.0.X-192.168.8.X 個地址位，一般而言，在一個頻段內(nèi)有 255 個 IP 地址，除每臺設(shè)備占用的 IP 地址外，還要預(yù)留 20% 的 IP 地址給計算機、服務(wù)器和以后新增設(shè)備。

　　數(shù)據(jù)的提取

　　FANUC 系統(tǒng)在存儲區(qū)根據(jù)用途存有不同的數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)存儲的地址不同，當(dāng)需要用計算機調(diào)取某個數(shù)據(jù)時按照 FOCAS 函數(shù)庫使用 API 協(xié)議程序進行查詢。API 接口定義分為連接方式、系統(tǒng)類型、函數(shù)功能三種方式，可以查詢比如坐標(biāo)、狀態(tài)、方式、加工零件數(shù)、負載信息等。

　　除函數(shù)庫列表中提供的數(shù)據(jù)外，有的還需要使用 PMC 或宏程序輔助記錄數(shù)據(jù)，以加工零件數(shù)為例，數(shù)控滾齒機的加工零件數(shù)，這個數(shù)據(jù)為系統(tǒng)讀到加工程序中 M02，M30 程序結(jié)束語句時，就在工件計數(shù)器里 +1。有些滾齒機工作循環(huán)時，不會執(zhí)行 m02 或 m30 結(jié)束加工程序，而是加工結(jié)束后通過跳轉(zhuǎn)返回程序起點位置，如下面這段程序：

　　M28A0B1D0;

　　M20A1B0F1I1K1Q0R0S1T0U1Z1;

　　……

　　M23D100.000F2.500H2S400T5Z100.000;

　　M24;

　　M29;

　　M30;

　　此程序正常加工時不會運行到 M30，而是在 M24 中通過參數(shù)執(zhí)行宏程序跳轉(zhuǎn)到程序頭，這就導(dǎo)致零件計數(shù)不會變化，就需要在程序里添加標(biāo)志位和宏程序來進行零件計數(shù)。

　　M28A0B1D0;

　　M20A1B0F1I1K1Q0R0S1T0U1Z1;

　　……

　　M23D100.000F2.500H2S400T5Z100.000;

　　#500=#500+1 通過全局變量 #500 進行累加計數(shù)

　　M24;

　　M29;

　　M30;

　　滾齒機一把滾刀的加工數(shù)量要依照刀具定額進行控制，為了有效識別刀具，每把滾刀都有一個唯一的身份認證碼，滾齒機要采集滾刀的身份信息需要將刀具的身份認證碼通過掃碼槍、RFID 使用 PROFIBUS 總線傳輸?shù)綑C床中，使用 PMC 輸入輸出完成信息交換。

圖 2  數(shù)據(jù)傳送 PMC 程序

　　PMC 中的 R1000 起始的 4 個字節(jié)地址中去，再通過 MOVE 指令存儲到 D 存儲區(qū)中，這樣計算機就可以通過 D 數(shù)據(jù)區(qū)來讀取刀具的身份認證碼。除了使用傳統(tǒng)的 PMC 外，F(xiàn)ANUC 的新型數(shù)控系統(tǒng)同時支持 OPC 協(xié)議和 API 協(xié)議。

　　OPC 是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) OLE for Process Control 的簡稱，用于過程控制，是基于微軟的 OLE 實現(xiàn)的即 OPC 標(biāo)準(zhǔn)。OPC 采用客戶 / 服務(wù)器模式，OPC 客戶端的作用是將提取的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，供系統(tǒng)平臺使用。

　　API 是應(yīng)用程序編程接口，是一些預(yù)先定義的函數(shù)，或指軟件系統(tǒng)不同組成部分銜接的約定。目的是提供應(yīng)用程序與開發(fā)人員基于某軟件或硬件得以訪問一組例程的能力，而又無需訪問源碼，或理解內(nèi)部工作機制的細節(jié)。

　　FANUC 的一體化數(shù)據(jù)采集器將 OPC、API、FOCAS 等相關(guān)協(xié)議軟件預(yù)先設(shè)定在 DTU 中，可以針對已有的絕大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)和 PLC 設(shè)備，只需提前在設(shè)備中授權(quán)即可使用。

　　DTU 中使用的數(shù)據(jù)層如下：

　　(1)通訊協(xié)議層：可通過軟件或硬件的方式進行設(shè)備數(shù)據(jù)采集，支持豐富類型的通訊協(xié)議。

　　(2)采集層：采集服務(wù)將采集的數(shù)據(jù)提交到數(shù)據(jù)層，同時暴露對外的接口供外部系統(tǒng)對接使用。

　　(3)數(shù)據(jù)接口層：通過 Web API 將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果開放給上層設(shè)備和第三方系統(tǒng)調(diào)用。

　　四、數(shù)據(jù)平臺

　　數(shù)據(jù)平臺主要有本地服務(wù)器和云端服務(wù)器。本地化方案主要優(yōu)點是數(shù)據(jù)的應(yīng)用沒有延遲，數(shù)據(jù)的安全性更有保證，但初始投入較高，運行系統(tǒng)的便利性、擴展性和維護及時性較弱;云端服務(wù)器正好與之相反。

　　SCADA 系統(tǒng)架構(gòu)支持 B/S、C/S 以及混合架構(gòu)。B/S 構(gòu)架即瀏覽器 / 服務(wù)器，C/S 構(gòu)架即客戶端 / 服務(wù)器。B/S 構(gòu)架無需客戶端軟件，只要處于廣域網(wǎng)內(nèi)即可訪問服務(wù)器，使用方便，初始投入成本少，由于使用 HTTP 協(xié)議因而安全性較差。而 C/S 構(gòu)架更注重流程，可以對權(quán)限多層次校驗，并且面向相對固定的用戶群，對信息安全的控制能力很強，一般適用于保密性較高的場合。

　　整個數(shù)據(jù)需沿用 ETL 抽取技術(shù)，擁有獨立的數(shù)據(jù)中心;主數(shù)據(jù)庫采集數(shù)據(jù) ( 動態(tài)數(shù)據(jù) ) 每天空閑時進行一次數(shù)據(jù)靜態(tài)化?？筛鶕?jù)數(shù)據(jù)量情況靈活應(yīng)用分?jǐn)?shù)據(jù)庫方式;同時，根據(jù)管理需求設(shè)計過濾器，直接寫入上層數(shù)據(jù)庫;并將歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)進行分離，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分開部署，并將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按規(guī)則進行拆分，并啟用靜態(tài)數(shù)據(jù)庫壓縮。

　　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須能夠保障信息傳輸安全，防止設(shè)備被惡意病毒損壞。須以下幾個方面確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性：

　　(1)機床分配獨立網(wǎng)段，使公司局域網(wǎng)與設(shè)備網(wǎng)絡(luò)分離，服務(wù)器配置雙網(wǎng)卡，一塊與機床網(wǎng)絡(luò)通訊，使機床網(wǎng)絡(luò)保持在獨立的一個網(wǎng)段，另一塊與其他網(wǎng)絡(luò)通訊。

　　(2)設(shè)置通過域安全策略控制訪問服務(wù)器。

　　(3)在系統(tǒng)服務(wù)器上安裝防病毒軟件，并在內(nèi)網(wǎng)中設(shè)立病毒文件升級服務(wù)器，保證病毒定義文件實時更新。

　　(4)在系統(tǒng)服務(wù)器與辦公網(wǎng)絡(luò)之間加裝防火墻，保證系統(tǒng)服務(wù)器與辦公網(wǎng)絡(luò)的隔離性。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用 RAID1 磁盤陣列，提高數(shù)據(jù)可靠性，所有數(shù)據(jù)都只能登錄軟件系統(tǒng)后，才可對數(shù)據(jù)進行操作，而且針對不同人員可設(shè)定不同數(shù)據(jù)訪問權(quán)限。設(shè)備上增加 IP 白名單機制，過濾所有非法訪問，最大限度地保證了設(shè)備的安全性。

　　五、結(jié)語

　　在數(shù)據(jù)采集的過程中，應(yīng)注意數(shù)控滾齒機的特異性信息采集的方式，根據(jù)其生產(chǎn)的特點靈活運用軟件，有時還要使用多平臺相互協(xié)調(diào)的方法提高數(shù)據(jù)錄入的正確性，避免誤差，同時應(yīng)最大限度地使用自動錄入的方式，避免人工錄入帶來的干擾因素，也可以采用多臺數(shù)據(jù)的綜合分析確保數(shù)據(jù)的真實性。

　　目前，國內(nèi)對齒輪加工類機床的信息化數(shù)據(jù)采集研究剛剛起步，在引進國外 SCADA 系統(tǒng)的同時，也應(yīng)該根據(jù)自身加工機床的工藝特點，開發(fā)適應(yīng)自身企業(yè)發(fā)展的 SCADS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　參考文獻略