数控系统可靠性试验数据监测系统的设计与实现*

彭玉建，夏继强，满庆丰，张洪成

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191)

0 引言

数控机床是现代制造技术的基础装备，是国家创新能力和综合实力的重要体现，其技术水平的高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标准[1]。数控系统作为数控机床的控制中枢，其可靠性是衡量数控机床质量优劣的重要指标，一般用平均故障间隔时间(Mean Time Between Failures ，MTBF)来表现。目前国产数控系统的MTBF与国外高档数控系统相比，还有较大差距，并且缺乏批量的第三方测试数据，使得在可靠性评估、可靠性增长途径等方面的研究缺乏数据支持和客观依据，这严重制约着我国高端制造业的发展和技术进步[2-3]。因此获取数控系统可靠性试验数据对国产数控系统可靠性的评估和提高都有着重要的现实意义。

目前国内的高档数控机床的系统数据采集基本由传统串口采集转向DNC(Direct Numerical Contol)网络接口采集，但一般涉及的采集系统平台比较单一，大部分在局域网内采集、传输。如何有效地对不同型号的数控系统进行数据采集并保证数据传输过程的完整性和可靠性是一个值得关注的问题[4-6]。

针对试验室环境下的四家国产高档数控系统厂家的20台数控机床的系统数据和环境数据采集，提出了基于DNC网络接口和EtherCAT总线相结合的采集方案，以.NET技术为基础搭建数控系统可靠性信息监测系统，对数控系统运行状态信息、报警信息与环境信息进行采集、监测、存储和上传，并对整个系统进行管理[7-8]。

1 系统总体架构

图1 系统架构图

整个系统采用分层思想，总体可分为数据采集层、数据业务层、数据发送层。分层架构如图1所示，数据采集层包括各数控系统的DNC服务器和EtherCAT数据采集硬件，其数据采集接口是针对不同型号数控系统开发的C#接口文件以及TwinCAT ADS接口，主要完成对数控系统运行状态信息和环境信息的采集；数据业务层主要实现系统的业务逻辑，包括数控系统信息注册模块、界面显示模块、报警处理模块、登入登出模块等，主要实现整个系统的管理，数据显示和存储；数据发送层主要将数据发送到远程Web服务器。

2 数据采集层

本系统需要监测数控系统的运行参数和环境参数。通过各个厂家的数控机床提供的DNC硬件和软件接口可以读取数控机床内部参数。对于试验室环境数据的采集需要加装新的传感器，综合考虑采集网络可靠性与实时性要求，本文设计采用倍福的EtherCAT数据采集模块，完成了对试验室环境参数模拟量的采集与数据转换。通过工控机搭载的两块网卡，实现了两个采集网络在PC端的整合，然后通过软件编程实现所有数据的采集、存储与上传服务器的任务。整个系统采集网络如图2所示。

图2 系统整体采集方案

2.1 基于DNC接口的运行状态数据采集

本次参与测试的四家数控系统厂商，均能够支持DNC网络接口的采集，为数据的采集提供了极大的便利。数控系统内置了以太网接口及相关服务软件，只需用网线将其连接到局域网上，在监测系统软件中通过调用相关功能函数就可以访问CNC数控系统，读取CNC和PLC的相关信息，以达到监控数控机床的运行状态的目的[9-10]。这为数控系统数据采集、状态监测和文件传输等问题提供了便利的解决方案。

为了提高DNC采集网络的可靠性，首先在网络搭建过程中要保证元器件的质量和可靠性，满足在工业现场环境下的使用；另外，在设备组网过程中了可以应用多种冗余技术，常用的冗余技术有以下两类[11]：

(1)设备冗余：即对网络中的设备增加备份，当现用设备发生故障时，自动切换到备份设备，这种方法的优点是操作性强、适用性广，缺点是成本较高。

(2)路径冗余：即在任意两节点之间增加冗余链路，当一条链路出现故障的时候，网络自动切换到另一条链路，保证通信的正常进行。该方法可以有效避免因链路故障导致的网络瘫痪事故，具有成本低、路径冗余方式灵活等优点，但是对于节点故障就无能为力了。

本系统的DNC采集网络设计采用路径冗余中的环网冗余技术，并采取环形组网的方式，能够有效地提高采集网络的可靠性。采集网络的拓扑结构如图3所示。

图3 系统环型组网拓扑图

每种数控系统类型的机床连在同一个交换机上，并将这4台交换机与监测终端所连的交换机组成环网。在工控机端可以直接通过各个厂商提供的DNC接口函数实现对不同型号的数控系统的运行数据的采集，即在一个监测客户端实现对多个数控系统服务器的访问[12]。运行状态数据包含了数控系统运行期间的主要状态信息，主要包括数控系统ID、主轴的实际转速、主轴指令转速、主轴负载电流、各轴实际速度、各轴实际位置、各轴指令位置、各轴负载电流、运行程序编号等。

2.2 基于EtherCAT的试验室环境数据采集

通过数控系统DNC网络接口采集的数据并不能完全满足课题需求，需要制定额外的采集路线完成试验室环境参数的采集。EtherCAT工业实时以太网技术凭借其高可靠性、高实时性等特点，尤其适用于分布式数据采集系统的搭建[13]。因此本系统采用EtherCAT技术实现对环境数据的采集。

本系统需要采集试验室温度、湿度、供电电压、电流等环境数据。采集原理如图4所示，工控机采用倍福公司的基于软PLC技术的自动化解决方案，借助TwinCAT软件构成了EtherCAT软主站，利用TwinCAT SystemManager 完成对各个从站设备IO端子的访问，通过TwinCAT PLC编程实现数据采集任务以及通信任务。在VS2010平台下利用C#开发可靠性信息采集系统，通过ADS接口与TwinCAT进行数据交互，以便软件应用层能够获取、显示并存储数据。

图4 EtherCAT采集网络原理图

3 数据业务层

本系统不仅实现了数控系统运行状态数据和环境数据的采集，还对整个采集系统实现了数据业务管理。数据业务层主要包括界面显示功能模块、报警处理模块、登入登出模块等。各功能模块处理的数据都会进入缓存池，并且在与Web服务器通讯建立的时候，通过发送接口层直接上传服务器。其中，系统注册信息不经过缓存池，必须在Web服务器连接正常的时候才支持注册。本地SQL数据库是作为长时间断连时的数据缓存池，并且支持闲时上传服务器。

(1)显示功能模块：实现NC状态的数字化监测界面；支持图表输出和实时显示；

(2)登入登出模块：实现用户登录登出系统，记录设备开机时间及统计加工时间；

(3)报警处理模块：支持当前报警信息及历史报警的查询，包括报警的代号、内容、产生和消除时间等。

4 数据发送层

在试验室环境下采集的数据需要发往web服务器。试验室采集的数据主要分为5类，具体见表1。

表1 发送web的数据类型

数据发送层接口使用相同的格式发送各类数控系统数据和环境数据，具体格式如表2所示，其中did字段表示所发送数据的种类，dt字段表示所存储具体的json数据。使用did字段单独存储数据类型，是为了服务器解析时能够快速识别该条信息的类型，加快存储速度。dt表示具体数据的json字符串，采用{key:value, key:value...}的形式生成。

表2 发送数据格式说明

所有类型的数据都需按照本接口定义的格式进行封装后发送，因此需要进行数据转换。每一种类型的数据都封装成了一个类，在进行数据采集时，将采集到的数据赋给该类的对象，发送时将其转换成满足要求的json数据格式。系统为除注册数据类型外的每类数据维持了一个缓存队列，并完成该类数据的采集时就入队，当要发送数据时，从相应类型的队列中出队，将该类型的数据对象序列化成json字符串并打包成发送数据的格式发送到Web服务器。

为了更好的支持专项后期的研究，要求保证数据的完整性以及可靠的传输与存储。基于此本文设计实现了二级缓存机制，分别为内存缓存池(即内部缓存队列)与SQL数据库缓存(本地缓存)。采用了多线程编程技术，通过线程的状态监测和切换，实现了断连缓存与重连续传功能。

图5 系统数据流图

C#内部Timer实现机制就是通过多线程技术，所以本文采用了4个Timer来进行开发,其数据流如图5所示。数据采集线程通过周期为1000ms的Timer实现，完成对20台设备的运行状态轮询，获得数据送往界面显示模块，同时存入缓存队列；发送数据线程通过周期为200ms的Timer实现，监测队列非空即启动数据打包上传服务器；断连缓存线程是在与Web服务器断连1min时启动，通过定时器200ms对队列的轮询，完成数据写入本地数据库的任务，保证实验数据不丢失。在断连缓存过程中，系统每2000ms会询问Web连接状态，即通讯检查线程，如果连接建立，返回值正确，则继续开启送数据线程，关闭断连缓存线程。存储在本地数据库的数据，系统可以支持闲时上传，防止造成拥堵。

5 实际运行

系统实际运行时，其中一台的运行状态和数据如图6所示。图6所示状态表示采集系统与服务器断连，服务器通信指示灯发生变化，系统开启了本地存储线程，采集到的数据将存入本地数据库。报警日志显示之前报警产生以及消除的时间和代号。试验表明系统能够采集各项数据，并记录报警状态，同时在与服务器断连时能够保存数据存储切换到本地，能有效保障数据的可靠性和完整性。

图6 系统运行试验数据

6 结束语

数控系统可靠性试验对于数控系统可靠性增长研究具有重要意义，本文采用的基于交换式以太网技术的DNC/EtherCAT复合采集网络，既可以完成对数控系统运行状态数据的采集，还可以通过外接传感器实现试验室环境数据的采集，实现了复合采集网络的数据融合。通过设计缓存队列，保证了数据采集任务、数据本地存储任务与上传服务器任务之间有序的切换与进行，同时也保证了数据的完整性和可靠性，有利于获得完整可靠的国产高档数控机床数据，同时对专项之后的可靠性数据分析和增长研究有着重要意义。