基于OPC规范的数据采集系统设计.docx
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基于OPC规范的数据采集系统设计
摘要
数据采集是分布式数控(DNC)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。
首先,本文结合学校安装的DNC数据采集系统,提出制作一个建议数据采集器的思想。
根据所采集数据的要求确定了项目的具体方案。
然后,对制作的数据采集器硬件部分按照串口调试、联调、连上机床信号的联调三个阶段进行分阶段的调试。
在调试的过程中,介绍了数据采集器程序语言的工程建立和编译后下载到数据采集器的过程。
最后,结合OPC服务器的一个二次开发平台SIACON-SmartOPC了解了基于面向过程控制的对象连接与嵌入(OPC)的数据采集实现共享的过程。
在总结和展望中,就所学的专业知识和现实的DNC系统提出了如何实现软硬件集成的方案,并分析了DNC系统未来发展的趋势。
关键词:
DNC系统数据采集器OPC
Abstract
DataacquisitionisanimportantfunctionofDistributedNumericalControl(DNC)systems.Withtherapiddevelopmentofmanufacturingautomationandenterpriseinformation,therequirementsofenterprisestogathermanufacturinginformationautomaticallybecomemoreandmoreintense.
Atfirst,thispaperCombinationstheDataAcquisitionsystemfixedbytheChangChununiversityoftechnologyandproposesanideaofmakingaDataCollector.Accordingtodatacollectedbytheproject,determinedthespecificprogram.Andthen,theDataCollectorisdebuggedwith3stepsincludingserialportdebugging、SerialServerdebugginganddebuggedonline.Intheprocessofdebugging,thepaperpresentstheprocessoftheDataCollectordownloadstheprogramfromestablishingproject.Atlast,CombinationedaSecondarydevelopmentplatformoftheOPCServer,comprehendOPC(OLEforProeessControl)-baseddataacquisitionmethods.Inprospectandoutlook,processedaintegratedmethodofthesoftandthehardwarewiththeProfessionalknowledgeandtherealityDNCsystem.
Keywords:
DNCSystemDataCollectorOPC
摘要………………………………………………………………………………I
Abstract……………………………………………………………………………II
目录………………………………………………………………………………III
1、绪论………………………………………………………………………………1
1.1课题研究背景及意义……………………………………………………………1
1.2现状分析…………………………………………………………………………2
1.3论文研究内容……………………………………………………………………3
1.4论文主要构架……………………………………………………………………4
2、单片机的选择……………………………………………………………………6
2.1项目的介绍………………………………………………………………………6
2.2项目具体实施……………………………………………………………………6
2.3单片机的选择……………………………………………………………………8
2.4单片机介绍………………………………………………………………………8
2.4.1STC12C2052AD主要性能……………………………………………………8
2.4.2选择STC12C2052AD的理由…………………………………………………9
2.4.3STC12C2052AD内部结构……………………………………………………9
3、数据采集器硬件的调试………………………………………………………10
3.1串口部分调试……………………………………………………………………10
3.1.1串口的输出……………………………………………………………………12
3.1.2串口的输入……………………………………………………………………12
3.2联调………………………………………………………………………………12
3.2.1程序设计………………………………………………………………………12
3.2.2具体程序的实现………………………………………………………………13
3.3连上机床信号的调试……………………………………………………………15
4、数据采集器程序介绍及电路图的绘制…………………………………………18
4.1单片机程序介绍…………………………………………………………………18
4.1.1汇编语言和C语言比较………………………………………………………18
4.1.2基于keil的程序编制过程……………………………………………………18
4.2电路图的绘制……………………………………………………………………20
4.2.1软件的安装……………………………………………………………………20
4.2.2电路图的绘制过程……………………………………………………………21
5、OPC技术应用……………………………………………………………………23
5.1OPC规范的简介…………………………………………………………………23
5.2OPC规范的分类…………………………………………………………………23
5.3OPC服务器的工作方式…………………………………………………………23
5.4OPC服务器基于硬件的工作方式………………………………………………24
5.4.1开发指导………………………………………………………………………24
5.4.2开发工具安装…………………………………………………………………25
5.4.3开发向导使用…………………………………………………………………25
5.4.4函数详细说明…………………………………………………………………28
6、展望与总结………………………………………………………………………31
6.1总结………………………………………………………………………………31
6.2展望………………………………………………………………………………31
致谢…………………………………………………………………………………33
参考文献……………………………………………………………………………34
附录一………………………………………………………………………………35
附录二………………………………………………………………………………37
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
二十世纪六十年代,制造企业生产设备不断向数控化过渡。
为了解决早期数控设备因使用纸带输入数控加工程序而引起的一系列问题和早期数控设备的高成本等问题。
人们将若干台数控设备直接连接在一台中央计算机上,由中央计算机负责NC程序的管理和传送。
这种控制方法被称为直线式控制。
但这种工业控制方法使得整个车间生产都依赖于中央计算机,一旦中央计算机出现问题,所有的机床将不能工作。
二十世纪七十年代以后,随着计算机数字控制(ComputerizedNumericalControl,CNC)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(DireetNumeriealControl,DNC)发展为分布式数字控制(DistributedNumeriealControl,DNC)。
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。
二十世纪八十年代,现代管理信息系统(如MRPⅡ、ERP等)迅速发展,企业的计划性显得越来越重要。
它们以客户订单和市场需求为计划源头,力求充分利用企业内的各种资源、降低库存、提高企业的整体运作效率。
但仅仅局限于业务管理部门(人、财、物、产、供、销)或设计开发等企业上层的信息化是远远不够的,车间最底层的加工设备——数控机床不能够连成网络或信息化,就必然成为现代制造业信息化的制约瓶颈。
所以,对于现代制造工厂车间来说,不仅要提高机床的数控化率,还要使所拥有的数控机床具有双向、高速的联网通信功能,以保证信息流在车间的底层之间及底层与上层之间通信畅通无阻。
因此,对于拥有大量数控机床的车间来说,引入网络化DNC(DistributedNumericalControl)系统(分布式数控系统)是一个简单实用的解决方案。
网络化DNC系统是企业车间级自动化制造系统及先进制造技术系统的重要组成环节,也是车间实施先进制造的一个关键性技术。
DNC是实现CAD/CAM/CAPP一体化技术的纽带,是现代制造车间实现信息集成的有效途径[1,2]。
车间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。
而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。
因此,研究和开发DNC数据采集系统,对发挥数控机床的潜力、充分利用制造资源,推动企业自动化的进程,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。
DNC数据采集作为DNC系统的重要功能,它的主要目的是对机械制造过程中产生的各种信息进行提取、传输、处理、分析和应用。
要想实现数据采集的功能,除了在硬件上的研究,还必须建立各种接口和协议标准来传递和存储收集到的数据。
1.2现状分析
在传统的控制系统中,智能设备之间及智能设备与控制系统软件之间的信息共享是通过驱动程序来实现的。
由于软件开发商对驱动程序的要求各不相同,硬件供货商不可能为所有的软件开发商提供驱动程序,所以这项工作主要只能由控制系统的软件开发商承担。
因此,传统控制系统存在不少缺陷。
(1)重复开发。
所有的软件系统开发商必须为每个特定的硬件开发一个驱动程序,这是一个大量的重复性工作。
(2)协议不一致。
软件开发商各自从自己的需要出发,采用不同的数据交换协议开发驱动程序,从而使各开发商之间的驱动程序不一致,并且驱动程序并不支持所有的硬件特性。
(3)可维护性差。
由于驱动程序由软件开发者开发,硬件特征的变化将会使有的驱动程序失效,为适应硬件特征的新变化,软件开发者必须为硬件开发新的驱动程序。
(4)访问冲突。
一般来说,两个软件包不能同时访问同一设备,因为它们使用不同的驱动程序。
为了解决这一问题,硬件开发商试图以开发驱动程序的方法来解决这一问题,但由于不同的客户采用不同的客户协议而无法实现[3]。
控制系统软件开发商构造一个完整的控制系统需要大量的驱动程序,如果再考虑兼容不同硬件厂商的产品,那么驱动程序的数量将更加庞大。
这样就形成了一个“信息孤岛”,导致系统内各层次的信息不能顺畅的流通,使整个系统成为一个异构的系统[4]。
整个系统的成本也很高。
而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DNC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NC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PC上的软件资源也越来越丰富,PC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。
PC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PC为软硬件平台发展开放式CNC系统已经成为较普遍的共识,是目前NC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DNC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DNC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。
另外,现有的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DNC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,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设备,以一个共同的数据结构和人机界面来面对用户。
因此,国内外开始了在数据采集系统上的研究。
所研究的问题主要包含以下三个方面:
1如何规范性的从CNC设备中采集信息的问题;
2如何有效的实现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。
正是在这样的需求下,促进了OPC规范技术出现和发展。
OPC技术提供了一种开放、高效的通信机制,为监控软件提供了一种一致的存取现场设备数据的方法。
是一种标准化、分布式、开放性、组件化、实时性接口技术,解决了系统异构和集成的问题。
并为实现DNC技术的通用化提供了保障。
1.3论文研究内容
DNC系统是一个集成框架下的系统(如图1.1),具有强大的应用功能。
现有的DNC系统一般都是上下行独立的系统,本论文结合实际已经安装好的DNC系统,为了更加清楚的了解DNC系统在实际的数据采集过程中的功能的实现,并验证数据采集中协议规范的一致性的优点,结合学校工程训练中心数控机床DNC系统提出用单片机制作一个简易数据采集器。
采集机床信号,监控机床状态的目的。
所制作的硬件部分与现实中的IOLOGIKE2110的功能大致相同。
具体实现过程设计如下:
首先,采集FANUC0i系统上的7个机床状态信号(机床上电、NC循环启动、NC循环停止、M00程序暂停、M30加工结束信息、EMG机床急停、FAULT故障信息),通过信号的隔离后上传到单片机(在实际的采集过程中,有一个数据隔离器,在现实制作中,采用光耦实现信号隔离作用。
),然后通过在OPC的一个二次开发平台下规定数据上传到现有的串口服务器NPORT5100后的存储,再与客户端服务器相连,通过对采集到的机床信号进行定义,基于串口服务器的开发平台,在PC机上就能显示所要采集的状态。
图1.1DNC系统结构图
1.4论文主要构架
第一章绪论介绍了课题研究背景及意义,并提出了建立OPC规范的必要性。
并结合所看系统提出建立简易数据采集器的思想。
第二章介绍了项目的提出和方案的选择。
第三章介绍了单片机的硬件调试过程。
第四章介绍了实现数据采集的程序语言的工程建立过程及电路图的绘制。
第五章介绍了OPC规范在实际硬件中的应用。
第六章总结及展望。
通过在实际了解和制作过程中的遇到的问题和不合理之处提出自己的改进方法。
并结合现阶段DNC的发展状况,提出DNC未来的发展趋势。
第二章单片机的选择
2.1项目的介绍
DNC系统是现代社会车间制造管理监控集成化的一种趋势,许多大型制造车间为了在管理和监控上实现远程控制,都安装了DNC数据监控系统。
在学校的工程训练中心,有5台数控机床,而5台机床中有三种数控操作系统(分别为FANUC,SIMMENS,MAZAK)。
因此,要想实现5台机床在DNC系统中的集成监控,必须首先得实现在数据和状态传输中,接口规范和协议的一致性。
学校给这5台机床安装的是CIMCO公司的DNC系统。
由其在中国的代理商北京兰光做的硬件安装和硬件的调试。
整套DNC系统包括了机床联网通讯CIMCODNC-Max、数控程序编辑与仿真CIMCOEDIT、程序管理系统CIMCOMDC-Max、刀具管理系统SmartCrib和数据采集监控系统MDC-MAXMonitor。
公司工作人员将硬件安装后,结合软件对整个系统调试,能正常监控5台机床的状态。
本论文就学校所安装的DNC数据采集监控系统系统,结合所学专业知识,开发一个简易的数据采集工具,结合现有的串口服务器,实现远程监控机床的功能。
数据采集器的作用是将在数控机床上采集到的并行状态数据转换成串行信号,然后经过NPORT串口服务器,转换成网络协议数据,并在OPC服务器中存储,供客户端查看。
图2.1系统框架图
2.2项目具体实施
在学校安装的DNC数据采集系统中,具体的系统框架图如图2.1所示。
在这一系统中实现数据采集功能的是iologikE2110,而iologikE2110是一个将数据采集和串行转换集成了的数据采集终端。
拆开iologikE2110可以看到里面有2块集成板,下层是数据采集集成板,上层为将串行数据转换成网络协议数据的集成板,二者通过插针直接传送数据。
而在信号进入iologikE2110之前,还得经过信号隔离器的信号隔离,目的是隔离机床中产生的错误信号,而保证监控数据的准确性。
这些都是制作简易数据采集器时必须要考虑的一些因素。
针对这些具体的要求和结合机床实际工作中的一些状态指数,提出制作一个能采集机床7个状态信号(机床上电、NC循环启动、NC循环停止、M00程序暂停、M30加工结束信息、EMG机床急停、FAULT故障信息)的简易数据采集器。
为了解决信号隔离的问题,项目中决定采用光耦进行信号的隔离。
光耦的作用是对输入的电信号起隔离作用,光耦合器一般由三部分组成:
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。
因此,采用光耦也能实现隔离机床中的非状态信号对终端的影响的作用。
图2.2分压图一图2.3分压图二
学校数控机床中所采集的信号都是24V的电平信号,iologikE2110和隔离器的耐压性是12~48V,因此将其直接与机床的信号线相连即可。
而单片机所能接收的电压信号是3.5V~5.5V的电压,因此在信号进入单片机输入口之前先得对信号进行分压。
考虑到光耦的耐流性和耐压性及其中发光二极管的发光电流激发值,选用5K,1K电阻分压(如图2.2所示)分压后途中A点(光耦输入端)的电压为4V,在单片机的电压允许范围之内。
光耦中的发光二级管通电发光后,光耦中三极管的基极接通,而在三极管的集电极加一个5V的电压,也采用分压的方式,用一个1K的电阻接在集电极,10K的电阻在发射极(如图2.3所示),这样,电路导通后,发射极的电压即B点(单片机输入端)的电压就是4.6V,也在单片机的电压范围之内。
这样,只要信号端有高电平信号,光耦将被激发,在单片机的输入端将会有一个高电平信号;反之,信号端是一个低电平信号,光耦中的发光二极管将不会被激发,三极管也不会被接通,因此单片机的输入端会是一个低平信号。
在给单片机用作数据采集的程序中分别对应机床所引出的信号线对高低电平信号定义,即能监控到机床的状态。
2.3单片机的选择
单片机在选型之前,首先应该了解所开发系统的特性和系统所应具有的功能,然后从中作出选择。
下面是单片机选型的一些基本的要求。
1.单片机系统的硬件资源要求。
在性能指标满足的情况下,尽量选择硬件集成度较高的型号,尽量减少外部数据存储器和程序存储器的扩展。
如ADC、DAC、12C、SPI等型号的单片机,同时也便于软件的管理、减少硬件的投入和节省电路板的面积等。
2.市场调查。
在满足系统的要求下,尽量选择应用比较广泛,货源充足的单片机,避免因缺货导致项目的推迟和进度的延缓。
3.如果所开发的项目是一个手持式的系统,应尽量选择低功耗的单片机。
4.单片机的选择应当功能强大,现在的电子技术发展非常迅速,功能也在不断的加强,为了在必要的时候扩充系统的功能,尽量选择功能强大的片子,便于单片机的升级。
另外,还需根据实际中的一些具体需求,来选择所需要的单片机的型号。
由于需要制作的是一个只需采集7个机床数据状态的信号,并考虑到串口调试过程中选用1602C的LCD显示器,1602C在显示中需要11个输入拐角,因此在单片机的拐角的选择上只需选择20脚的单片机即可。
并且数据的采集量不大,单片机在附属功能上只需用自带数据存储器和程序存储器就足够。
从单片机的数据存储稳定性等方面,最后确定选择STC12C2052(AD)单片机。
STC12C2052(AD)有15个I/O口,足以满足整个制作过程的需要。
2.4单片机简介
2.4.1STC12C2052AD主要性能
1.高速,1个时钟/机器周期,增强型8051内核,速度比普通8051快8-12倍。
2.宽电压:
5.5~3.5V。
3.低功耗设计:
空闲模式,掉电模式。
4.工作频率:
0-35MHz。
5.时钟:
外部晶体或内部RC振荡器可选,在ISP下载编程用户程序时设置。
6.16K/12K/10K/8K/6K/4K/2K字节内FLASH程序存储器,擦写次数10万次以上。
7.512字节片内RAM数据存储器。
8.芯片内EEPROM功能。
9.ISP/IAP,在系统可编程/在应用课编程,无需编程器/仿真器。
10.8位ADC,8通道,4路PWM还可4路D/A使用。
11.2通道捕获/比较
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