数控设备数据采集及集成应用研究 

主题词 数控设备 数据采集 集成应用

1. 概述

数控设备的利用率、完好率及其它运行参数是设备管理的基础管理指标，也是故障监测的输入依据。故障监测是采集数控设备运行参数的异常数据，根据这些数据可确定数控设备是否已出现故障或即将出现故障。

传统的数控设备利用率、完好率、故障监测主要通过人工记录统计数据进行计算，数控设备的维护保养主要采取人工巡检和故障报告方式。在人工管理方式下，设备利用率统计工作量大、实时性和准确性差，生产计划部门不能及时掌握设备运行和使用情况，导致所制定的生产计划不合理，操作性差。基于以上情况，开展数控设备在线数据采集系统（MDC 系统）设计，实时采集数控设备的运行状态及运行数据，对设备完好率、利用率进行统计分析，并将 MDC系统与制造执行系统（MES 系统）进行集成应用，提高了数控设备管理水平。

2. 构建 MDC 系统

公司三个机加工车间的数控设备已联网运行，已建设了 DNC 系统，实现了对数控程序管理、传输和在线加工等应用，但 DNC 系统不具备对数控设备运行状态、加工情况等数据进行实时采集和分析功能。由于数控设备本身具有SCADA 接口，通过 SCADA 接口与数控设备通信，可以通过设计数据采集软件获取机床工作状态、加工零件、主轴转速、坐标位置等运行数据，在原 DNC 系统服务器上构建一个简易的 MDC 系统，利用数据采集软件可以获取数控设备的运行状态、零件加工等实时数据。

数据采集系统（MDC 系统）架构设计

构建 MDC 系统需采用 ThinkPHP、Layui 等前后端框架构方法，建立联网数控设备数据库，包括设备编号、IP 地址、设备型号、类型等信息。通过自行设计的数据采集软件，将实时采集的数据进入 MDC 系统进行管理，并在 MDC 系统上设计数据分析计算软件，就能够计算出设备的利用率、完好率等设备管理信息，可为生产计划排产、设备维修大修等应用提供数据支撑。

数据库

MDC系统采用MySQL数据库存储数据。MySQL 是一种关系型数据库管理系统，数据库管理系统将数据保存在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库内，这样就增加了查询速度并提高了应用灵活性 [2]。MDC 系统通过 ThinkPHP 框架将数据库IP、端口、用户名、密码存储在配置文件中，由框架识别和调用。

MDC 系统数据库除常规信息系统数据表以外，还增加了机床模块、结果模块、采集模块，机床模块包括组别表、类型表、参数表、机床设备表、设备数据表，结果模块包括过程结果表、数据结果表，采集模块将数据采集完成后，存储到过程结果、数据结果表中。

组别表存储车间小组代号、名称、排序信息；类型表存储设备型号、规格、生产单位、数据采集方法等信息；参数表存储待采集的参数名称、代号信息；机床设备表存储设备代号、型号、位置、完好情况、IP 地址等信息。

过程结果表中存储采集时间、机床设备代号、状态等信息，数据结果表存储采集时间、过程ID、参数名、参数值等具体参数。

后端框架设计

后端框架基于 ThinkPHP 框架。ThinkPHP 是运用模型、视图、控制器 (ModelView Controller) 形式，MVC 模式将应用程序的输入、处理和输出分开进行，即模型 (Model)、视图 (View)、控制层 (Controller)，各自处理自己的任务，大大加快了应用程序的开发。

Model( 模型) ：处理数据和业务逻辑，主要针对数据数据库进行CRUD 操作。

View( 视图 ) ：通过布局向用户展示数据，主要包括列表显示、增删改查页面。

Controller( 控制层) ：接收用户请求，并调用模型类相关函数处理。

在 View( 视图 ) 中设计需要展现的视图页面，在 JavaScript 中实现异步获取数据功能，通过在 Model( 模型 ) 中建立与数据库相关的功能函数，最终在Controller( 控制器) 中调用并处理数据交互。

数据采集软件设计

MDC 系统根据不同类型数控机床调用相应驱动或 OPC 接口实现机床的数据采集。以FANUC 系统数控机床数据采集为例，主要包括以下过程：

① 调用 FOCAS 库进行机床通信联网，相关参数包括 IP 地址、端口号（8193）；

② 调用相关函数，获取机床进给率、主轴转速、完好情况及当前坐标等参数。

设计通信软件，通过 focas1.odbaxis 类访问机床刀具当前坐标，如图 3所示。将所有数控机床的位置、IP 地址、类型、访问方式存储在数据库中，设定每 5s 采集一次数据，形成全过程的机床运行参数数据，提供后续数据分析和应用。

3. 与 MES 系统集成应用

将 MDC 系统与 MES 系统进行集成，获取 MES 系统推送的加工任务、数控加工程序、加工设备等信息，将 MDC 系统中相应设备的运行状态、执行的数控程序等内容上传至MES 系统中作应用分析，MDC 系统与MES 系统集成接口

使用 MES 系统提供的 WebService 接口进行二次开发实现系统集成，如果MES 系统没有提供接口程序或接口程序不适用的情况下，还需在 MES 系统中开发WebService 接口程序。需要自行开发的接口程序有：

⑴ MES 系统提供的文件上传、数据更新接口使用自定义的 Java 类，php语言开发的 MDC 系统不易与其交互数据，需在服务器端重新定义文件上传、数据更新接口。

⑵ PPM 质量信息统计需要获取百万条级以上的统计数据，如采用现有WebService 接口传递所有数据再进行分析的方式，所需数据流量大，运算速度慢。建议采用在服务器端直接查询方式，读取合格项数量和不合格项数量进行计算。

5. 结论

通过对数控设备MDC 系统构建和部署，实时采集联网数控设备的工作状态、加工任务、主轴转速、坐标等数据，分析计算数控设备的利用率、完好率，通过与MES 系统集成，将加工状态、设备状态、质量检验数据上传至MES 系统中，为生产计划排产、设备维修维护、PPM 统计分析提供数据支撑，进一步提高了公司的数控设备的管理水平。

参考文献：

[1] 魏芳 , 高诚 , 张盛桂 . 基于华中 HNC-8 试验平台控制系统设计 [J]. 航空精密制造技术 .2021,(2).DOI:10.3969/j.issn.1003-5451.2021.02.017 .

[2] 冯 金 金 , 邓 昌 义 , 张 健 . 基 于 工 业 互 联 网 的 数 控 机 床 数 据采 集 平 台 应 用 研 究 [J]. 制 造 技 术 与 机 床 .2020,(3).DOI:10.19287/j.cnki.1005-2402.2020.03.026 .

[3] 魏芳 , 关大力 , 饶媛洁 . 基于 OPC 技术的机器人数据采集与实时监控[J]. 航空精密制造技术 .2020,(1