齒輪制造企業普遍使用數控滾齒機作為主要的切齒設備，其作為數據采集的節點設備較為合適，是 SCADA 系統中比較值得研究的一類數控設備。
一、數據采集中 FANUC 數控系統的特點
目前，數控系統大體從構架上分為硬件型、軟硬件結合型、軟件型三大類，早期數控全部為硬件型系統，缺乏靈活性。目前，比較先進的 FANUC 數控系統如 30i 系列都是軟硬件結合型，即設備前端應用計算機構架完成人機對話、數據存儲、軌跡運算、指令分配等任務，硬件完成伺服控制、PMC 輸入輸出等動作控制。在數據采集中相應的數據均會記錄在數據區中，外部計算機可以通過通訊協議便捷地讀取到存儲器里的數據。而軟件型是今后數控系統的主要發展方向，其不需要專門的硬件系統，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、數據采集中滾齒機的特點
數控滾齒機根據成形原理，按照兩坐標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，進行數字化控制實現齒輪加工。滾齒機應具備的傳動鏈：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，刀軸的轉動、工件軸的轉動、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，加工程序始終循環，除換刀和設備維修外基本沒有其他機床的長時間空閑時間，在采集數據時是要特別注意。
(2)刀具監控是金屬切削機床信息化的重要一環。滾齒機在加工過程中只使用一把刀具;屬于復雜刀具，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。
(3)數控滾齒機一般都是低速重載多軸聯動機床，所以數控滾齒機較易出現伺服故障，FANUC 系統中可以直接監控 28 種設備狀態信息，如各軸的負載率，電機電流情況、電機溫度等數值，這些數據的采集對數控滾齒機的預防性維修起到了很大的幫助。
三、數據采集的方式
制造企業信息化平臺的開發流程順序為：管理流——數據流——技術流。即首先梳理信息化管理流程、關鍵節點和需要采集的數據。然后，根據管理流梳理數據走向，哪些數據要采自哪里，要提供給誰，分析成什么樣的報表，形成數據流。最后，根據數據流選擇采用什么樣的采集設備，使用哪種類型的網絡傳輸方式，使用什么樣的數據庫，形成技術流。
工廠的信息化構架分為 ERP-MES-SCADA 三層，SCADA 系統是一種以計算機為基礎的生產過程監視和控制系統，SCADA 系統以數據采集為基礎，以數據庫為信息存儲介質，以工業互聯網為數據傳遞媒介的工業系統。
FANUC 公司的 SCADA 系統主要的作用就是基于設備層進行機床數據采集和設備監控。其設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，其采用網線直連，內置 FTP Server 功能，VPN 功能。
(2)Smart NC Link 標注數據采集器，其內置 FOCAS 標準函數庫，是 BFM 開發的基礎軟件，可提供采集各種支持以太網通訊的 FANUC 數據系統數據采集，適用于 Windows、Linux 系統。
(3)FANUC MT-Link i 軟件可連接多種設備，提高了數據集成度，既可以連接 CNC、 Robot、OPC，又可以使用 MongoDB 操作命令從數據庫讀取數據。
圖 1 信息化構架網絡關系框圖
SCADA 信息化平臺主要有設備上的數據采集系統將數控機床上的信息上傳至實時型數據庫，不同的設備擁有不同的實時型數據庫，其主要根據設備通訊協議進行通訊傳輸，其開發語言屬于后端開發。關系型數據庫再根據面向對象的要求提取實時型數據庫中的信息進行存放，通過 C/S 構架和 B/S 構架實現人機交互。
設備組網
工業以太網是 SCADS 的基礎，只有實現設備組網才能實現數據的采集和傳輸。
在 TCP/IP 協議中要用 IP 地址來標識主機或路由器，IP 地址由網絡號和主機號兩部分來標識。在通訊時，首先要在同一網段內尋找，即需要網絡號相同。在同一網絡內要區分設備，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(地址數量 1600 萬以上)，B 類(地址數量 65334)，C 類(地址數量 254)。在設定設備 IP 地址時，應根據接入點的多少設置地址類型。如果地址類型的規劃數量大于實際地址數量，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，設置子網掩碼的方法，在一個網段中劃定一個使用區域，這樣就可以只不改變網絡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 臺數控設備，連接至工業以太網可使用 176.10.0.X-192.168.8.X 個地址位，一般而言，在一個頻段內有 255 個 IP 地址，除每臺設備占用的 IP 地址外，還要預留 20% 的 IP 地址給計算機、服務器和以后新增設備。
數據的提取
FANUC 系統在存儲區根據用途存有不同的數據，每個數據存儲的地址不同，當需要用計算機調取某個數據時按照 FOCAS 函數庫使用 API 協議程序進行查詢。API 接口定義分為連接方式、系統類型、函數功能三種方式，可以查詢比如坐標、狀態、方式、加工零件數、負載信息等。
除函數庫列表中提供的數據外，有的還需要使用 PMC 或宏程序輔助記錄數據，以加工零件數為例，數控滾齒機的加工零件數，這個數據為系統讀到加工程序中 M02，M30 程序結束語句時，就在工件計數器里 +1。有些滾齒機工作循環時，不會執行 m02 或 m30 結束加工程序，而是加工結束后通過跳轉返回程序起點位置，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 中通過參數執行宏程序跳轉到程序頭，這就導致零件計數不會變化，就需要在程序里添加標志位和宏程序來進行零件計數。
M28A0B1D0;
M20A1B0F1I1K1Q0R0S1T0U1Z1;
……
M23D100.000F2.500H2S400T5Z100.000;
#500=#500+1 通過全局變量 #500 進行累加計數
M24;
M29;
M30;
滾齒機一把滾刀的加工數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 總線傳輸到機床中，使用 PMC 輸入輸出完成信息交換。
圖 2 數據傳送 PMC 程序
PMC 中的 R1000 起始的 4 個字節地址中去，再通過 MOVE 指令存儲到 D 存儲區中，這樣計算機就可以通過 D 數據區來讀取刀具的身份認證碼。除了使用傳統的 PMC 外，FANUC 的新型數控系統同時支持 OPC 協議和 API 協議。
OPC 是工業標準 OLE for Process Control 的簡稱，用于過程控制，是基于微軟的 OLE 實現的即 OPC 標準。OPC 采用客戶 / 服務器模式，OPC 客戶端的作用是將提取的數據標準化，供系統平臺使用。
API 是應用程序編程接口，是一些預先定義的函數，或指軟件系統不同組成部分銜接的約定。目的是提供應用程序與開發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，或理解內部工作機制的細節。
FANUC 的一體化數據采集器將 OPC、API、FOCAS 等相關協議軟件預先設定在 DTU 中，可以針對已有的絕大部分數控系統和 PLC 設備，只需提前在設備中授權即可使用。
DTU 中使用的數據層如下：
(1)通訊協議層：可通過軟件或硬件的方式進行設備數據采集，支持豐富類型的通訊協議。
(2)采集層：采集服務將采集的數據提交到數據層，同時暴露對外的接口供外部系統對接使用。
(3)數據接口層：通過 Web API 將數據和分析結果開放給上層設備和第三方系統調用。
四、數據平臺
數據平臺主要有本地服務器和云端服務器。本地化方案主要優點是數據的應用沒有延遲，數據的安全性更有保證，但初始投入較高，運行系統的便利性、擴展性和維護及時性較弱;云端服務器正好與之相反。
SCADA 系統架構支持 B/S、C/S 以及混合架構。B/S 構架即瀏覽器 / 服務器，C/S 構架即客戶端 / 服務器。B/S 構架無需客戶端軟件，只要處于廣域網內即可訪問服務器，使用方便，初始投入成本少，由于使用 HTTP 協議因而安全性較差。而 C/S 構架更注重流程，可以對權限多層次校驗，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。
整個數據需沿用 ETL 抽取技術，擁有獨立的數據中心;主數據庫采集數據 ( 動態數據 ) 每天空閑時進行一次數據靜態化。可根據數據量情況靈活應用分數據庫方式;同時，根據管理需求設計過濾器，直接寫入上層數據庫;并將歷史數據和當前數據進行分離，將系統數據和業務數據分開部署，并將業務數據按規則進行拆分，并啟用靜態數據庫壓縮。
網絡系統必須能夠保障信息傳輸安全，防止設備被惡意病毒損壞。須以下幾個方面確保網絡系統的安全性：
(1)機床分配獨立網段，使公司局域網與設備網絡分離，服務器配置雙網卡，一塊與機床網絡通訊，使機床網絡保持在獨立的一個網段，另一塊與其他網絡通訊。
(2)設置通過域安全策略控制訪問服務器。
(3)在系統服務器上安裝防病毒軟件，并在內網中設立病毒文件升級服務器，保證病毒定義文件實時更新。
(4)在系統服務器與辦公網絡之間加裝防火墻，保證系統服務器與辦公網絡的隔離性。數據庫服務器采用 RAID1 磁盤陣列，提高數據可靠性，所有數據都只能登錄軟件系統后，才可對數據進行操作，而且針對不同人員可設定不同數據訪問權限。設備上增加 IP 白名單機制，過濾所有非法訪問，最大限度地保證了設備的安全性。
五、結語
在數據采集的過程中，應注意數控滾齒機的特異性信息采集的方式，根據其生產的特點靈活運用軟件，有時還要使用多平臺相互協調的方法提高數據錄入的正確性，避免誤差，同時應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，也可以采用多臺數據的綜合分析確保數據的真實性。
目前，國內對齒輪加工類機床的信息化數據采集研究剛剛起步，在引進國外 SCADA 系統的同時，也應該根據自身加工機床的工藝特點，開發適應自身企業發展的 SCADS 數據采集系統。
參考文獻略