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南京航空航天大学 硕士学位论文 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 姓名：肖士利 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：叶文华 20080501 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 生产现场信息的实时采集、传输、处理和分析是现代制造企业进行快速决 策与响应的基础。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，但常常因数控机床的多样性、异构性以及数控系统不 开放，使得企业难以实时采集数控机床的现场数据。因此，研究数控机床状态 数据的采集具有重要的现实意义。 论文首先从信息采集的角度分析了数控机床的机床本体、PLC 和 CNC 之间 关系，研究了基于数控机床标准通信接口、基于机床 PLC、基于机床电气电路 三种数据采集方法的实现技术与优缺点。然后，详细研究了一种基于机床电气 电路进行机床数据采集的实现技术基于外接 PLC 的采集方法，分析了该方 法的实现过程，研究了可从不同 OPC 服务器读取数据的通用 OPC 客户端。 在此基础上，设计了具有基于数控机床串口和基于外接 PLC 两种采集功能 的机床数据采集与监视系统（NC- SCADA）总体结构，研究了系统实现的若干 关键技术，开发与实现了 NC- SCADA 系统，并在马钢车轮公司的数控生产线上 得到成功应用。该系统具有通用、可扩展和可重用的特点。 最后，对全文进行总结，并对进一步工作进行了展望。 关键词：数控机床，数据实时采集，OPC，电气电路，宏指令，可编程逻辑控制 器 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 I I ABSTRACT The real- time acquisition, transmission, processing and analysis of shopfloor field data are the foundation of rapid decision- making and response in modern manufacturing enterprises. With the development of manufacture automation and enterprise information, the requirement of automatically collecting production information becomes more and more intense for enterprises. However, the variety, heterogeneity and the closed CNC system of NC machine tools make it difficult for enterprises to automatically collect information at manufacturing spots. Therefore, it will be very meaningful to study the data acquisition of NC machine tool. In this paper, the relations between main body, PLC and CNC of NC machine tool in the perspective of i nformation collecting are analyzed, and the realization technology and the advantages and disadvantages of the three collecting methods are researched, which are basing on standard communication interface、PLC、electrical circuit of NC machine tools. Then one realization technology, the method based on external PLC, which is based on the electrical circuit of NC machine tools is studied in detail, the process realizing data real- time acquisition of processing states of NC machine tools by this technique is analyzed, and general OPC client reading data from different OPC server is researched. Basing on this research, the general structure of Data Real- Time Acquisition and Supervision System of NC Machine Tool (NC- SCADA) is designed in this paper, which has two collecting function including the methods based on RS232 serial and external PLC. Several key techniques in realizing the system are studied, and the NC- SCADA system is developed, which was applied successfully on the production line in Wheel and Tyre Plant of Maanshan Iron Steel Co. Ltd. This system has characteristics of universality, expansibility and reusability. Finally, the whole paper is summed up and further work is looked forwared as well. Key Words: NC machine tool, Data Real- Time Acquisition, OPC, Electrical Circuit, Macroinstruction, PLC 南京航空航天大学硕士学位论文 V 图 清 单 图 1.1 集中采集集中控制方式.3 图 1.2 分布采集集中控制方式.3 图 2.1 数控系统的组成.9 图 2.2 PLC、CNC 和数控机床本体间的信号关系12 图 2.3 PLC 输入信号图示16 图 2.4 PLC 输出信号图示16 图 2.5 直流输入信号典型电路.18 图 2.6 直流输出信号接口.18 图 2.7 负载为指示灯的信号输出电路.19 图 2.8 负载为继电器线圈的信号输出电路.19 图 2.9 NC- SCADA 系统的总体设计.22 图 3.1 主轴正转控制梯形图.28 图 3.2 中间电路.29 图 3.3 主轴电机.29 图 3.4 润滑系统电气控制原理图.30 图 3.5 润滑系统的的 PLC 控制梯形图31 图 3.6 OPC 接口访问方式33 图 3.7 服务器、组、对象三者之间的关系.34 图 3.8 OPC 连接图35 图 3.9 SQL Server 2000 和 Oracle 数据库写入数据性能比较.37 图 3.10 三种方法的性能特性比较.39 图 4.1 基于外接 PLC 的数据采集方法的总体结构图45 图 4.2 PLC 的现场组态46 图 4.3 DI16 数字输入模块地址.46 图 4.4 数控机床继电器接线原理图.47 图 4.5 OPC 服务器内部结构图48 图 4.6 OPC 服务器 Item对象与数据源的关联49 图 4.7 本地 PC 机和远程 PC 机之间的客户端和服务器基于 COM 的连接51 图 4.8 客户端程序工作流程.52 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 V I 图 5.1 NC- SCADA 系统的软件功能模型图.56 图 5.2 串口采集流程图.58 图 5.3 OPC 服务器列表59 图 5.4 通过连接点连一个接收器过程.60 图 5.5 订阅式采集流程.61 图 5.6 数据实时采集与监视系统的线程框架图.64 图 5.7 机床的日生产运作情况.65 图 5.8 OEE 查询65 图 5.9 机床电气柜的继电器线路图.67 图 5.10 设备引脚配置.68 图 5.11 系统的运行图69 南京航空航天大学硕士学位论文 V I I 表 清 单 表 2.1 三种采集方法的优缺点.21 表 3.1 三菱系统地址变量.25 表 3.2 各信号组合对应的设备状态.41 表 3.3 六大损失的简单说明及其与 OEE 的关系43 表 5.1 机床信号继电器PLC DI16 地址三者之间的对应关系67 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 V I I I 注 释 表 1 缩写词 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 监视控制和数据采集系统 DNC Direct Numerical Control or Distributed Numerical Control 直接数控或分布式数控 NC Numerical Control 数字控制 CNC Computer Numerical Control 计算机数字控制 MES Manufacturing Executing System 制造执行系统 OPC OLE for Process Control 过程控制对象链接和嵌入 MRP Material Requirement Planning 物料需求计划 MRPII Manufacturing Resource Planning 制造资源计划 MAP Manufacturing Automation Protocol 制造自动化协议 CAN Controller Area Network 控制器局域网 LAN Local Area Network 局域网 TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol 传输控制协议/互联网协议 OSI Open System Interconnect 开放互连系统 ISO International Organization for Standardization 国际标准化组织 PLC Programmable Logic Controller 可编程逻辑控制器 PMC Programmable Machine Controller 可编程机床控制器 API Application Programming Interface 应用程序编程接口 ODBC Open Database Connectivity 开放数据库互连 MDI Manual Data Input 人工数据输入 RV Receiver 信号接收器 DV Driver 信号驱动器 DSP Digital Signal Processing 数字信号处理 BCD Binary Coded Decimal 二进码十进数 HMI Human Machine Interface 人机接口 I 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： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 现代化的制造业自动化程度高，制造过程涉及大量的制造设备、多变的工 艺因素，因而它包含了复杂的环境和状态信息。要实现制造过程的柔性自动化， 除了与系统控制、管理等技术相关外，制造过程数控机床的状态采集也显得至 关重要。只有采用有效的信息采集技术，充分、实时、准确地获得制造过程中 的各种状态信息，并以此为基础实现对制造过程的有效控制和管理，才能提高 整个系统的柔性、强健性和故障处理能力。因此，数据实时采集和监视技术在 信息化制造过程中有非常重要的地位，也是实施制造业信息化的关键技术之一。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，而且随着数控技 术的不断发展，许多企业都形成了相当规模的数控车间。但因现有数控机床不 具有把内部状态数据输出给外部系统的功能，因此，虽然有一些通用的通信接 口，外部系统也无法通过这些接口直接提取到机床状态数据。另外，企业的数 控机床又有多种数控系统，同一种数控系统也因购买时间不同存在不同的型号， 从而造成了车间数控机床数据采集和集成控制的难度。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，迫切需要车间设 备的制造信息来为生产管理和决策提供依据，因为制造信息不仅可以及时准确 地了解企业的设备运行等生产过程情况，减少中间环节，降低人为因素的影响， 而且也为科学地编制生产计划提供准确可靠的技术数据和为上层系统提供及 时、可靠、准确的生产经营决策参考信息 1 。因此，研究和开发数控机床数据实 时采集与监控系统，对发挥数控机床的潜力、充分利用制造资源，提高企业生 产率、竞争力和经济效益均有着重要的现实意义。 1 . 2 数据实时采集与监视技术简介 在数控车间中，数据实时采集和监视系统是一个完成车间信息采集和监视 的计算机应用系统，它是以监测计算机为控制主体，加上检测装置、执行机构 和数控机床共同构成的整体 2 。随着计算机技术和通信技术的飞速发展，数据实 时采集和监视系统技术在国内外已取得了很大发展，从四十年代出现以来，它 已从最初的集中式向分布式，进而向开放式发展，它的发展过程与数据通信、 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 2 网络的发展过程类似且密切相关，可以大致归纳为 3 ： 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 (Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)系统。这一阶段是从计算机 技术运用到 SCADA 系统开始，一直到上世纪 70 年代为止。 第二代是基于上世纪 80 年代通用计算机的 SCADA 系统。此时计算机广泛 采用 VAX 等通用计算机或工作站，操作系统一般是选用 UNIX。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。 20 世纪 80 年代中期到 90 年代是第三代分层监视技术，这种监视技术较好 地利用了微型计算机、通信和网络技术，生产过程的各个设备配备了相应的微 型检测设备，可以独立对设备进行监视，同时通过通信网络与中央监视计算机 通信。 20 世纪 90 年代至今，随着网络技术的迅速发展，信息监视技术采用符合 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网络 协议）协议的 Ethernet、DECnet、广域网、互联网，从而出现了第四代分布式的 数据采集和信息监视技术，扩大了信息监视技术与其他应用的集成，它为实现 制造商在全球范围内提供高质量的产品和服务提供了一条解决途径；同时也为 设备用户获得及时、有效、全面、智能的数据采集服务提供了可能，确保了制 造与生产过程的正常进行。它的基本特点就是：以工作站为基本单元、具有冗 余配置、严格遵守工业标准、采用商用数据库、硬件可选用多个厂家的产品、 实现网络互联等。 根据制造系统规模和复杂程度，数据采集与监视系统可划分三种具体的数 据采集方式。 1) 集中采集集中控制方式 如图 1.1 4 ，系统中所有的传感器与数据采集系统相连接，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。 2 ) 分布采集集中控制方式 如图 1.2 4 ，系统中所有的传感器并不是与某一个主机直接相连接，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，负责对各个数据采集站进 南京航空航天大学硕士学位论文 3 图1 . 1 集中采集集中控制方式 行管理，整个数据采集系统构成一个独立的局域网。这种采集方式的缺点是结 构复杂、成本高、使用和维护复杂。但它能更好的满足实际的需要，且具有网 络功能，这种方式是目前大中型制造系统采用的主要数据采集方式。 图1 . 2 分布采集集中控制方式 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。 1 . 3 数据实时采集与监视技术的研究现状、存在问题和发展趋势 1 . 3 . 1 数控机床数据采集的研究现状 就目前来说，要采集数控机床的数据，可以通过以下两种方式： （1）标准 通信接口，如 RS- 232 串口、DNC 接口、OPC（OLE for Process Control，OLE 过程控制）接口等； （2）数控机床电气柜中电气控制电路的相关信号点。 第一种方式要求数控系统本身具有标准通信接口，针对目前大多数机床都 具有 RS- 232 口，在此基础上发展起来的 DNC（Direct Numerical Control or 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 4 Distributed Numerical Control，分布式数控）数据采集方法已有较多研究，并出 现了许多商品化的软件。如：美国上升科技公司设计开发的 DNC 软件 eXtremeDNC。该软件可以与绝大多数的主流的数控系统进行通讯，实现数 控文件的共享、发送和接收，数控机床的监控及远程控制等功能。在数据采集 方面，eXtremeDNC 可实现对 CNC 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 TCP/IP 协议把采集信息实时的发布 到网络上 6 。国外带有数据采集功能的 DNC 软件还有：DNC Work 公司的 Net Worked DNC 软件、日本 FANUC 公司的 DNC2 系统。 国内对于 DNC 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 DNC- NET 软件，该软件通过 RS- 232 串口，利用机床的宏程序变量输出功 能，实现了机床加工信息（包括刀具坐标、进给速度、加工状态、剩余移动量 等信息）的实时采集。南京航空航天大学李波开发的“DNC 数据采集软件”也 是通过数控机床标准的 RS232 串口， 利用机床的宏程序变量输出功能对 FANUC 系统、HASS 系统和 Siemens 系统的机床实现了加工信息的采集 7 。 对于一些高档数控系统，如 FANUC 16i，Siemens 840D，Heidenhain 430， 这些机床具有 DNC 通讯接口，直接在 DNC 主机和数控系统中插上相应的 DNC 接口卡并运行相应的软件，实现数控系统所带的各种 DNC 功能。这种类型的 DNC 系统不仅可以实现数控程序上传下载，还可以实现机床加工信息的实时采 集和远程控制，并可以实时汇总机床使用效率、零件加工工时、刀具使用寿命 等信息。 第二种方式实际上是针对不具备数据采集功能的数控机床自行开发外部接 口，使其能够自动采集设备运行过程中的各种状态信息。早期的经济型数控机 床，一般只有纸带阅读机输入接口或输出接口。若要实现 DNC 数据采集功能， 必须外接电路和数据采集卡。另外，许多数控系统尽管有 RS- 232、甚至 DNC 接 口，但因系统不对外提供机床状态信号，还是要用这种方式进行设备状态信息 的采集。这种采集方式是在机床系统或机床电气电路的相关部位设置采集点， 引出控制电路的电压信号，通过检测电压信号的变化，实现机床状态数据采集 的功能。南京航空航天大学开发完成的江西省重大科技攻关项目“DNC 通讯网 络及管理系统” ，通过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 8 。 由于数控机床多用 PLC（Programmable Logic Control，可编程逻辑控制器） 控制，同时计算机网络是快捷、高效、广普的信息传递媒介，PC- PLC 网络因而 南京航空航天大学硕士学位论文 5 成为数控机床数据采集与监控的一个研究方向 9 。但是一方面由于数控机床的封 闭性，实际应用中很难直接从 PLC 读取机床的各种信息；另一方面，一些数控 系统厂商如Siemens和FANUC 等开发有针对自己机床数控系统的数据采集与监 测的软件，如西门子公司的 WinCC，但是这些软件大多价格昂贵，并且不能适 用于全部场合，因此通过外接电路或软件来实现数据实时采集和监视的方法应 运而生。 1 . 3 . 2 数控机床数据采集面临的问题 综上所述，基于数控机床标准通信接口的 DNC 数据采集系统不仅实现了数 控程序的上传和下载，数控程序的存储与管理及在线加工、断点续传等功能， 而且能够实现数据采集和远程控制等。由于基于数控机床电气电路的采集方式 是采集机床电气柜电气电路相关的电压信号，故一般只能采集开关量信号。但 是，就数据采集而言，目前主要存在以下的几个问题： （1）不能形成统一的采集方案 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，其数 控系统的开放性不一致，通信接口和协议也存在差异。有的厂商的数控机床比 较开放，容易实现数据采集，有的厂商的数控机床比较封闭，很难实现数据采 集。同时，通信接口的不同也严重影响采集方案的选择。因此，对不同的数控 系统要设计不同的采集方案，很难用统一的方法实现不同类型和型号的数控系 统数据采集。 （2）采集到数据类型比较有限 由上可知，数据采集系统采集到的只有加工状态信息、位置信息（如刀具 坐标、进给速度等）及一些辅助信息。而对于生产管理者来说，他们还需要设 备详细的运行状态及故障信息，例如，某个时间段内设备的开机时间、关机时 间、运行时间、待料时间、换料时间和故障时间等，只有综合地得到这些信息， 才能更好地为生产计划提供准确可靠的技术数据和为上层系统提供及时、可靠、 准确的生产经营决策参考信息。 （3）数据采集的实时性不一致 不同的采集方案自然影响了采集数据的实时性，有的采集方法采集的数据 实时性比较高，有的采集的数据实时性却比较差，造成不同类型和型号的数控 系统的数据采集实时性不一致。例如，采用 RS- 232 串口，利用机床的宏程序变 量输出功能实现数据采集，当机床没有加工时，此时不能采集到机床状态信号。 （4）数据采集软件复用性差 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 6 传统的数据采集软件往往针对某一种或几种数控机床的某些采集对象而设 计开发的。一旦采集对象有变动，需要修改源程序，导致其开发工作量大、周 期长，软件本身通用性差、灵活性差、复用性低。 1 . 3 . 3 数控机床数据采集系统的发展趋势 企业信息化时代为数控机床数据采集与监视系统提供了广阔的应用前景。 随着数控技术、微电子技术、计算机技术和信息处理技术的迅速发展，数据采 集与监视技术必将不断地发展完善。目前，它主要有以下几个研究方向： （1）数据采集接口的研究 目前的数控系统大多提供了标准通信接口，但由于机床内部数据很难通过 这些接口与外部系统进行共享，这些数控系统要实现机床状态和加工信息的采 集都比较困难。因此，数据采集接口技术的研究是当务之急。目前，世界各大 数控系统设备制造商纷纷投资研究新一代的数控机床通信接口，并提供 MAP 标 准的 DNC 网络接口及通信软件。 （2）数据实时采集与监视系统与其它系统集成 目前数据实时采集与监视系统软件的功能还不够完善，功能也有限。数据 实时采集与监视系统应该能采集更完备的设备信息，如工件加工时间、任务完 成情况等，为车间生产管理提供第一手实时信息。另外还能对采集的信息进行 分析，进行分析，生成各种图表。除此之外，数据实时采集与监视系统还应该 面向 CIMS 的需要，实现数据实时采集与监视系统与 MES 系统的无缝结合 1 0 。 一个功能完善的数据实时采集与监视系统，应该实现闭环的信息流，机床接收 来自工作站的包含数控程序、刀具、夹具信息的制造数据，并反馈生产信息到 分析模块，得到提高机床效率的措施。 （3）数据实时采集标准开放性和通用性的研究 现有数控系统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， 目前数据实时采集与监视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 1 1 。 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，国内外许多研究机构都在研究开发平台，企图用一个 平台来面对各种采用不同通信协议的数控机床，以一个共同的数据结构和人机 界面来面对用户。 南京航空航天大学硕士学位论文 7 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 MES，都直接或间接地以底层数据采集系 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。 而我国现有大多数数控机床虽然提供了各种相关通信接口，但这些接口很难与 外部系统共享数据，使得不能自动采集机床的状态信息。面对世界经济飞速发 展和市场全球化，制造企业要想在激烈的市场竞争中获胜，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。 本文将从信息采集的角度，在分析数控机床各种通信接口的基础上，研究 了对数控机床的三种数据采集方法，最后详细介绍了基于串口的数据采集方法 和基于外接 PLC 的方法实现对数控机床加工状态的实时采集。该数据实时采集 系统将对南京航空航天大学李波开发的“DNC 数据采集软件”进行扩展，使其 适应三菱数控系统，另外基于外接 PLC 的方法较好地解决了数控机床的多样性 和异构性，因此这种方法适用于大部分数控机床，具有一定的灵活性。本文开 发的数据实时采集与监视系统集成了基于串口和基于外接 PLC 两种数据采集方 法的优点，使其只需做相应的配置就能实现不同的数据采集功能，有效地改善 了系统的通用性、灵活性和可复用性。用户可以根据数控车间实际情况配置相 应的数据采集方法，最终完成数据采集的任务。另外，本系统还能集成了数控 程序的下载/ 上传、在线加工、远程调用等 DNC 功能。 数控机床数据采集方法的研究，给数据实时采集和监视系统带来了新的活 力，为企业提高设备利用率提供了可靠的技术支持，对我国发展中的企业来说， 其实施更具有实际价值。因此，为了使企业适应现代化生产的需要，推动制造 业信息化的发展，研究符合国内实际状况的数据采集系统具有重要的意义。本 文的主要研究内容如下： 第一章简要介绍了数据实时采集和监视技术，重点叙述了数据实时采集与 监视系统研究现状、存在问题及发展趋势，阐明了本课题的研究意义、拟解决 的问题、论文的主要研究内容。 第二章在介绍了机床的数控技术的基础上研究了对数控机床的三种数据采 集方法，即基于数控机床标准通信接口、PLC 和电气电路的数据采集方法，最 后比较了三种方法的优缺点。 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 8 第三章分析和讨论了实现数控机床数据实时采集与监视系统的关键技术和 解决方案。 第四章主要研究了基于外接 PLC 的数据采集方法，并详细介绍了该方法中 数控机床数据采集的整个过程，最后设计了一个通用的 OPC 客户端，可以从不 同 OPC 服务器读取数据的通用 OPC 客户端。 第五章在前面几章相关技术研究的基础上，设计开发了一个 NC- SCADA 系 统，并将该系统应用到马钢车轮公司中。 第六章对本课题的相关研究进行了系统地总结，在此基础上，对于课题进 一步的研究提出了建议。 南京航空航天大学硕士学位论文 9 第二章 数控机床的数据采集方法的研究 本章介绍了机床的数控系统，并从信息采集的角度，分析了数控机床的机 床本体、PLC 和 CNC 之间的关系，在此基础上研究了对数控机床的三种数据采 集方法，即基于数控机床标准通信接口、PLC 和电气电路的数据采集方法，最 后比较了三种方法的优缺点。 2.1 机床数控系统结构与数据传递分析 2.1.1 数控系统的组成 数控机床的数控系统是一种程序控制系统，它能逻辑地处理输入到系统中 的数控加工程序，控制数控机床运动并加工出零件。图 2.1 为数控系统的基本组 成，它由输入/ 输出装置、CNC（Computer Numerical Controller，计算机数控） 装置、PLC 及其接口电路、主轴伺服驱动装置、进给伺服驱动装置以及检测装 置等组成。 PLC 在FANUC 数控系统中又称PMC （Programmable Machine Control， 可编程机床控制器） ，因为数控机床的 PLC 是专门用于控制机床的，其中有多条 专用指令，故而叫做 PMC。 图2 . 1 数控系统的组成 1）输入/ 输出装置 数控系统 机 床 本 体 C N C 装 置 RS 232 PLC I/O 接口 电路 机床操作面板 强电电路，气 动、液动控制 进给伺服 单元 检测装置 进给驱动 装置 主轴伺服 单元 主轴驱动 装置 输入/ 输出 装置 MDI/ CRT 面 板 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 1 0 数控机床加工前，必须读入操作人员编好的零件加工程序。输入装置可以 通过多种方式获得数控加工程序。早期的数控机床，通过读取穿孔纸带上的信 息获得编写好的数控加工程序，目前可以通过 MDI（Manual Data Input，人工数 据输入）方式直接从从键盘输入和编辑数控加工程序，更多的通过软驱、USB 接口、RS232 串口等获得数控加工程序。 2）CNC 装置 CNC 装置是数控系统的核心，它通过编译和执行内存中的数控加工程序来 实现多种功能。CNC 装置一般具有以下基本功能：坐标控制（X、Y、Z、A、B 代码）功能、主轴功能（S 代码） 、准备功能（G 代码） 、辅助功能（M 代码） 、 刀具功能（T 代码） 、进给功能（F 代码） ，以及插补功能、刀具半径补偿功能、 通信功能、人机对话编程功能、图形显示功能等。不同类型不同档次的数控机 床，其 CNC 装置的功能有很大的不同。 3）PLC 及接口电路 PLC 和 CNC 装置配合共同完成数控机床的控制， CNC 装置主要完成与数字 运算和管理有关的功能，如零件程序的编辑、译码、插补运算、位置控制等。 PLC 主要完成与逻辑运算有关的动作，将零件加工程序中的 M、S 和 T 代码等 顺序动作信息译码后转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开 关动作，如工件的装夹、刀具的更换、切削液的开关等一些辅助功能。PLC 接 收机床操作面板和来自数控装置的指令，一方面通过接口电路直接控制机床的 动作，另一方面通过伺服装置控制主轴电动机转动。 4）伺服驱动装置 伺服驱动装置又称伺服系统，它是 CNC 装置和机床本体的联系环节。 5）检测装置 检测装置主要用于闭环和半闭环系统。检测装置主要作用是检测位移量， 并发出反馈信号与 CNC 装置发出的指令信号比较，如果有差值，经放大后控制 执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差减小到零为止。 2.1.2 PLC、CNC 和机床本体的关系 数控机床作为自动化控制设备，是在自动控制下进行工作的。从图 2.1 中可 以看出，数控机床所受控制可分为两类：一类是最终实现对各坐标轴运动进行 的“数字控制”，由 CNC 装置控制，实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规 律的数字控制。如：对数控车床 X 轴和 Z 轴，数控铣床 X 轴、Y 轴和 Z 轴的移 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 动距离，各轴运行的插补、补偿等；另一类为实现对机床辅助电气设备动作的 “顺序控制”，主要由 PLC 来完成。它是在数控机床运行过程中，以 CNC 内部 标志和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等的开关量信号状态为条件， 并按照预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的启停、换向、刀具的更换、工件的夹 紧、松开、液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。与“数字控制”比较， “顺序控制”的信息主要是开关量信号。 在数控机床中这两种控制任务，是密不可分的，它们按照上面的原则进行 了分工，同时也按照一定的方式进行连接。CNC 和 PLC 的接口方式遵循国际标 准“ISO 4336：1981(E)机床数字控制数控装置和数控机床电气设备之间的接 口规范”的规定，接口分为四种类型： （1）与驱动命令有关的连接电路； （2） 数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路； （3）电源及保护电路； （4） 通断信号及代码信号连接电路 1 5 。 从接口分类的标准来看，第一类、第二类连接电路传送的是数控装置与伺 服单元、伺服电机、位置检测以及数据检测装置之间控制信息；第三类是由数 控机床强电电路中的电源控制控制电路构成。通常由电源变压器、控制变压器、 各种断路器、保护开关、继电器、接触器等等构成，为其它电机、电磁阀、电 磁铁等执行元件供电。这些相对于数控系统来讲，属于强电回路。这些强电回 路是不能够和控制系统的弱电回路直接相连接，只有通过中间继电器等电子元 器件转换成直流低压下工作的开关信号，才能够成为 PLC 或继电器逻辑控制电 路的可接受的电信号。反之，PLC 或继电器逻辑控制电路的控制信号，也必须 经过中间继电器或转换电路变成能连接到强电线路的信号，再由强电回路驱动 执行元件工作；第四类信号是数控装置向外部传送的输入输出控制信号。 2.1.3 PLC、CNC 和机床本体之间的信息交换 由图 2.1 可知， PLC 处于 CNC 侧和机床本体侧之间， 对 CNC 侧和机床本体 侧的输入、输出信号进行处理。其中 CNC 侧包括 CNC 系统的硬件和软件，与 CNC 系统连接的外围设备如显示器、MDI 面板等；机床本体侧则包括机床机械 部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置、机床操作面板、继电器 线路、机床强电线路等。PLC 把信号根据其作用部位及作用方向分为四种 1 6 ， 如下图 2.2 所示，图中由实线箭头表示的与 PLC 相关的输入/ 输出信号经由 I/O 板的接收电路和驱动电路传送， 由虚线箭头表示的与 PLC 相关的输入/ 输出信号 仅在 RAM 等存储器中传送。 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 1 2 （1）由机床本体侧输入至 PLC 的信号 X 机床本体侧的开关量信号通过 I/O 单元接口电路输入到 PLC 中，除极少数 信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由 PLC 程序编制者或 者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配 置，对 PLC 程序和地址分配进行修改。这些信号包括操作员由机床操作面板上 输入的按钮、按键、开关信号等，其中*ESP 属于急停信号，由于受 PLC 扫描时 间的影响而处理缓慢，故由 CNC 直接读取。 （2）由 PLC 输出至机床本体侧的使机床强电动作的信号 Y 图2 . 2 P L C 、C N C 和数控机床本体间的信号关系 PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床本体侧，所有输出信号的含义 和输出地址也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义。 这些信号包括机床的 开机和停机、主轴的启动和停止、加工的开始和结束、冷却液的开关、工件的 装卸控制、 换刀、 工作台交换等， PLC处理梯形图程序输出这些信号使机床动作。 （3）PLC输出至CNC的信号G PLC 送至 CNC 的信号由开关量信号或寄存器完成，所有 PLC 送至 CNC 的 信号地址与含义由 CNC 厂家确定，PLC 编程者只可使用，不可改变和增删。这 些信号中有些是启动 CNC 的一个子程序，这些子程序是 CNC 控制软件的一部 分，根据机床的实际动作设计好的机床的强电控制功能。比如在 FANUC 0i系统 中的急停（G8.4） 、自动加工程序启动（G7.2） 。另外一些信号是 PLC 通知 CNC， 使 CNC 改变或执行某一种运行。如：FIN（G4.3）是 PLC 通知 CNC 辅助功能 M 或换刀功能 T 已经结束执行，CNC 接受到该信号后即可启动下个加工程序段 的执行，*SSTP（G29.6） ：CNC 停止主轴电机的控制信号。 机床本体 CNC PLC C N C 侧 PLC G X F Y *ESP 内部 继电器 保持性 存储器 机床 I/O 电路 接收 驱动 公共端 机床本体侧 负 载 电 源 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 （4）CNC 输出至 PLC 的信号 F CNC 送至 PLC 的信号可由 CNC 直接送入 PLC 的寄存器中，所有 CNC 送 至 PLC 的信号含义和地址 （开关量地址或寄存器地址） 均由 CNC 厂家确定， PLC 编程者只可使用不可改变和增删，如数控指令的 M、S、T 功能，通过 CNC 译 码后直接送入 PLC 相应的寄存器中。 其中的一些信号是反映 CNC 运行状态的标 志，表明 CNC 正处于某一状态，如 AL（F1.0）表示报警状态；另一些信号是 CNC 响应 X（经过 G）后，执行某一运行的结果，用以通知 PLC。PLC 收到该 信号，视其具体情况，再做适当处理。还有一些信号是加工程序指令的译码输 出。如：M 代码（F10F13）；T 代码（F26F29），CNC 将这些信号输出 给 PLC 进行处理。 上述这些信号在梯形图程序中都必须赋予地址。G和F信号的地址是由CNC 的系统软件规定好的，是固定的。有一些X信号地址也由CNC规定好，CNC提供 地址表，Y信号可由PLC设计人员自行指定。在FANUC系统中X和Y信号由输入/ 输出模块经CNC 的I/O Link 口与CNC单元连接，I/O Link是基于RS- 485的数据 口，用于传送机床强点控制的I/O信号信息。X 和Y 信号的另一端经电缆线与电 器元件连接。 由此可知， PLC在数控加工的 “顺序控制” 中起了一个非常重要的中介作用。 PLC采集机床侧的外部输入信号（如：机床操作面板、机床外围开关信号等）和 CNC内部信号（M、S、T代码，轴的运行状态等）经过相应的梯形图的逻辑控 制，产生控制CNC运行的内部输出信号（如：操作模式、速度、启动停止等） 和控制机床辅助动作外部输出信号（如：液气压、转台、刀库等中间继电器） 。 CNC一启动，PLC程序即运行，在CNC执行加工程序时，PLC与加工程序并行运 行。PLC时刻扫描机床或机床操作者的输入信号和强电柜控制信号的执行结果。 在数控机床中PLC实现的主要功能如下： （1）操作面板的控制功能 操作面板分为系统操作面板（如 MDI）和机床操作面板。系统操作面板的 控制信号先是进入 CNC，然后由CNC 送到 PLC，控制数控机床的运行。机床操 作面板控制信号，直接进入 PLC，控制机床的运行。 （2）机床外部开关量信号控制功能 将机床侧的开关量信号输入到送入 PLC，进行逻辑运算。这些开关量信号 包括各种控制开关、行程开关、接近开关、模式选择开关等等。 （3）输出信号控制功能 数控机床状态数据实时采集与监视系统的研究开发 1 4 PLC 输出信号经强电柜中的继电器、接触器，通过机床侧的液压或气动电 磁阀，对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外还对冷却泵电动机、 润滑泵电动机及电磁制动器等进行控制。 （4）M、S、T 功能 M、S、T 功能可以由数控加工程序来指定，也可以在机床的操作面板上进 行控制。PLC 接收到 CNC 系统发出的 M 指令，经过译码，输出控制信号，控 制主轴正反转和启动停止等等。M 指令完成，系统发出完成信号。CNC 系统送 出 T 指令给 PLC，经过译码，在数据表内检索，找到 T 代码指定的刀号，并与 主轴刀具号进行比较。如果不符，发出换刀指令，刀具换刀，换刀完成后，系 统发出完成信号。 （5）报警处理功能 PLC 收集强电柜、机床本体侧和伺服驱动装置的故障信号，将报警标志区 中的相应报警标志位置位，数控系统便发出报警信号或显示报警文本以方便故 障诊断。 2.2 数控机床的数据采集方法研究 要实现对数控机床的数据采集主要有三种途径，一是从 CNC 侧采集；二是 从 PLC 及相连的 I/O 模块中采集；三是从机床本体侧采集。其中 CNC 侧具有与 外部设备进行信息传输的通信接口，如 RS232、DNC 接口、OPC 接口和网络接 口等；PLC 内部处理编制好的梯形图程序，按照一定的逻辑使机床动作；机床 本体侧包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置、机 床操作面板、继电器线路、机床强电线路等。因此，根据以上三种途径，我们 可以分别采用以下三种方法采集机床数据：方法一，基于数控机床标准通信接 口的数据采集方法；方法二，基于数控机床 PLC 的数据采集方法；方法三，基 于数控机床电气电路的数据采集方法。 由图 2.2 可知，PLC 的 X 信号和 Y 信号与机床本体侧有关，基于数控机床 电气电路的数据采集方法与 PLC 有着间接的关系，而基于数控机床 PLC 的数据 采集方法与 PLC 有着直接的联系，因此，为了更好的了解数控机床 PLC 的控制 功能，就有