CNC 数据采集与监控 — 车间 MES 数采中枢

行业: 机加工车间 / 精密模具 / 汽车零部件 工位规模: 中型车间 32 台 CNC 集中数采 + 实时监控 + MES 上报 数据规模: 32 台 × 20 点位 × 500 ms ≈ 1 280 点/秒 核心范围: 多协议采集 / 时序数据库 / OEE 实时 / MES 对接 / 刀具寿命 / 云端看板

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1. 设备简介

本工站作为车间级的数采中枢, 一台工控机同时接入 32 台不同品牌的 CNC, 按协议循环采集关键工艺指标, 本地落地时序数据库, 并向 MES / Grafana / DarraCloud 分发。

工站参数:

• 设备数: 32 台 CNC (发那科 31i × 12, 三菱 M80 × 8, 海德汉 TNC640 × 4, 广数 GSK × 8)
• 采集点: 主轴 RPM / 负载 / 进给率 / 刀号 / 程序号 / 状态 / 累计件数等 20 点
• 高频周期: 500 ms (RPM / 负载)
• 低频周期: 2 s (程序号 / 刀号)
• 存储: 本地 SQLite + 时序分区压缩, 保留 180 天
• 分发: OPC UA Server / HTTP API / MQTT / DarraCloud

设计目标:

1. 32 台全部稳定在线, 单台断线不影响其他
2. OEE 指标刷新 ≤ 5 s
3. 刀具寿命 80 % / 100 % 两级告警
4. 拔网线可断网离线缓存, 恢复后补传 MES

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2. 项目模块组成

本案例偏向纯软件 + 弱电, 机械子系统只是既有 CNC, 电气子系统只涉及机柜/交换机/UPS, 软件子系统是主体。

三层责任:

层	产出	关键点
既有 CNC	IP 地址清单 / 协议开通	CNC 侧开启以太网口与协议服务
电气	机柜 / 交换机 / 网线	工业级屏蔽超五类, 全车间网段隔离
软件	协议库 / 数据库 / 看板	纯软件实现, 无需数采网关

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3. 机械装配架构

本案例不涉及 机器人 / 伺服 / 传送带, 仅为机柜与网络装配, 物理拓扑如下:

布线规范:

• 全车间超五类屏蔽网线, 走桥架, 避开变频器动力线 ≥ 30 cm
• 交换机 4 × 10G 上联预留, 32 端口分给 CNC
• UPS 3 kVA 支撑工控机 + 交换机 30 分钟
• 4G 路由作出站备份, 宽带断线时自动切换

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4. 程序架构

Darra 的 OB 调度非常适合数采: 每个协议一个独立 OB, 互不阻塞, 某台 CNC 断线仅影响对应协议 OB 的一个 slot。

调度表:

OB	周期	功能
OB10	500 ms	FOCAS 采集 (Fanuc 12 台)
OB11	500 ms	OPC UA Client (海德汉 4 台)
OB12	500 ms	Modbus TCP (广数 8 台)
OB20	2 s	MTConnect HTTP (三菱 8 台)
OB21	2 s	低频点 (程序号 / 刀号)
OB1	1 s	OEE 计算
OB30	10 s	批量落库
OB31	10 s	MES 推送
OB32	30 s	云端同步

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5. 硬件选型 BOM

序号	类别	品牌 / 型号	规格	数量	单价 (¥)	小计 (¥)
1	工控机	研华 UNO-2484G	i7-12700 / 32G / 2TB NVMe	1	12 000	12 000
2	工业交换机	华为 S5720-52X-PWR-LI	48 口千兆 + 4 × 10G	1	8 500	8 500
3	KVM 切换器	普联	2 路	1	380	380
4	UPS	山特 C3KS	3 kVA 在线式	1	4 800	4 800
5	24″ 值班大屏	AOC	显示总览看板	2	1 200	2 400
6	4G 路由器	华三 MSR810	双 SIM, 备用出站	1	2 200	2 200
7	工业超五类屏蔽网线		全车间布线	1	2 500	2 500
8	机柜 + PDU	定制	22U 带散热风扇	1	3 200	3 200

硬件合计: ¥35 980

国产化率 ≈ 95% (工控机/交换机/UPS/4G/机柜均国产)

无需数采网关、无需额外协议转换器, 原 CNC 以太网口直接接入交换机即可。

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6. IO 模块配置

6.1 选择 IO 模块 (逻辑从站)

本案例不使用物理 DI/DO, "IO" 指向软件侧逻辑从站 (每台 CNC 视为一个通讯从站)。IDE 采用"通讯从站向导"而非 EtherCAT 从站。

[+] 通讯网络 (车间 TCP)
 ├─ [+] Fanuc 分组 (FOCAS)
 │    ├─ CNC-01 ~ CNC-12   192.168.10.11 ~ .22
 ├─ [+] 三菱 分组 (MTConnect)
 │    ├─ CNC-13 ~ CNC-20   192.168.10.23 ~ .30
 ├─ [+] 海德汉 分组 (OPC UA)
 │    ├─ CNC-21 ~ CNC-24   192.168.10.31 ~ .34
 └─ [+] 广数 分组 (Modbus TCP)
      └─ CNC-25 ~ CNC-32   192.168.10.35 ~ .42

配置流程 (IDE 通讯从站向导):

1. 新建通讯项目 → 添加分组 → 选择协议 (FOCAS / MTConnect / OPC UA / Modbus TCP)
2. 分组内 添加设备 → 填写 IP / 端口 / 超时 / 重连策略
3. 导入 采集点模板 (IDE 自带各协议常用点 CSV, 可导入)
4. 变量映射: 每台设备实例化一个 UDT_CncData, 名称形如 cnc01 / cnc02 / ... / cnc32
5. 协议级别独立 OB 运行, 单台断线不阻塞其他

6.2 IO 地址分配表

本案例以 UDT 变量替代物理地址, 每台 CNC 有一个实例:

变量名	协议	CNC 厂商点位	说明
cnc01.rSpindleRPM	FOCAS 9033	CNC_RDACTF	实际主轴转速
cnc01.rSpindleLoad	FOCAS 9068	CNC_RDSVLOAD	伺服负载
cnc01.rFeedRate	FOCAS 9022	CNC_RDSPEED	进给速度
cnc01.nToolNo	FOCAS 9045	CNC_RDTOFSR	刀具号
cnc01.sProgName	FOCAS 9003	CNC_RDPRGNUM	NC 程序号
cnc01.eMachState	FOCAS 9100	CNC_STATINFO	运行状态
cnc01.nAlarmCode	FOCAS 9071	CNC_RDALMSTAT	报警号
cnc01.nPartsTotal	FOCAS 9017	CNC_RDPARAM	累计件数
cnc13.rSpindleRPM	MTConnect	//Rotary[@name='S']/Velocity	XML XPath
cnc21.rSpindleRPM	OPC UA	ns=2;s=Axes.S.ActualVel	NodeId
cnc25.rSpindleRPM	Modbus	40001	保持寄存器
cnc25.nAlarmCode	Modbus	40100	报警区

6.3 IO 用途分工

数采场景没有物理机器人和安全组, 按数据流向分层:

阵营	归属	含义
采集组	所有 cnc01~32 高低频点	由各协议 OB 读取
计算组	OEE / 刀具寿命 / AI 异常	OB1_OEE 处理
分发组	MES / Grafana / DarraCloud 接口	OB31/32 向外推送

6.4 数据绑定到机器人

本案例无机器人, 该章节对应为"数据绑定到 MES/OPC UA Server":

逻辑名	绑定目标	协议
UaServer.Cnc01.Spindle.RPM	cnc01.rSpindleRPM	OPC UA Node
UaServer.Cnc01.Tool.No	cnc01.nToolNo	OPC UA Node
Grafana.metric.spindle_rpm{id=01}	cnc01.rSpindleRPM	HTTP JSON
Mes.Equipment[01].OEE	cnc01.rOEE	HTTP POST
MQTT topic shop/cnc01/state	cnc01.eMachState	MQTT Publish

IDE OPC UA Server 向导 勾选要发布的变量即可, 无需编码。

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7. 核心数据结构

// -------- 单台 CNC 采集数据 --------
TYPE UDT_CncData :
STRUCT
    sDevId         : STRING[16];     // CNC-01 ~ CNC-32
    eBrand         : E_CncBrand;
    sIp            : STRING[16];
    eProto         : E_CncProtocol;

    // 高频 500ms
    rSpindleRPM    : REAL;
    rSpindleLoad   : REAL;
    rFeedRate      : REAL;
    rFeedOverride  : REAL;

    // 低频 2s
    nToolNo        : INT;
    rToolUsedMin   : REAL;
    rToolLifeMin   : REAL;
    sProgName      : STRING[32];
    eMachState     : E_MachState;

    // 累计
    nPartsTotal    : DINT;
    nPartsGood     : DINT;
    nAlarmCode     : DWORD;
    sAlarmText     : STRING[80];

    // OEE 实时
    tRunTimeDay    : TIME;
    tPlanTimeDay   : TIME := T#16h;
    rAvailability  : REAL;
    rPerformance   : REAL;
    rQuality       : REAL;
    rOEE           : REAL;

    // 通讯诊断
    bOnline        : BOOL;
    nErrorCnt      : DINT;
    tLastOk        : DT;
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE E_CncBrand : (Fanuc, Mitsubishi, Heidenhain, Gsk); END_TYPE
TYPE E_CncProtocol : (FOCAS, MTConnect, OPCUA, ModbusTcp); END_TYPE
TYPE E_MachState : (Stop := 0, Run := 1, Pause := 2, Alarm := 3); END_TYPE

// -------- 车间总览 --------
TYPE UDT_ShopSummary :
STRUCT
    nOnline        : INT;            // 在线台数
    nRunning       : INT;            // 运行中
    nAlarm         : INT;            // 报警中
    rShopOEE       : REAL;           // 全车间 OEE
    nPartsDayTotal : DINT;           // 全车间当日产量
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL
    cnc  : ARRAY[1..32] OF UDT_CncData;
    shop : UDT_ShopSummary;
END_VAR

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8. 核心程序代码

8.1 OB10 — FOCAS 采集 (Fanuc 12 台)

PROGRAM OB10_Fanuc
VAR
    i     : INT;
    hLib  : DWORD;
    rc    : DINT;
END_VAR

FOR i := 1 TO 12 DO
    IF cnc[i].eProto <> FOCAS THEN CONTINUE; END_IF;

    rc := FOCAS_Connect(cnc[i].sIp, 8193, ADR(hLib));
    IF rc <> 0 THEN
        cnc[i].bOnline   := FALSE;
        cnc[i].nErrorCnt := cnc[i].nErrorCnt + 1;
        CONTINUE;
    END_IF;

    // 500 ms 高频点
    FOCAS_ReadSpindle(hLib, ADR(cnc[i].rSpindleRPM));
    FOCAS_ReadServoLoad(hLib, 0, ADR(cnc[i].rSpindleLoad));
    FOCAS_ReadFeed(hLib, ADR(cnc[i].rFeedRate));
    FOCAS_ReadFeedOvr(hLib, ADR(cnc[i].rFeedOverride));
    FOCAS_ReadStatus(hLib, ADR(cnc[i].eMachState));
    FOCAS_ReadAlarm(hLib, ADR(cnc[i].nAlarmCode), ADR(cnc[i].sAlarmText));

    cnc[i].bOnline := TRUE;
    cnc[i].tLastOk := DT_NOW();
    FOCAS_Close(hLib);
END_FOR;

END_PROGRAM

8.2 OB1 — OEE 计算

PROGRAM OB1_OEE
VAR
    i : INT;
END_VAR

shop.nOnline  := 0;
shop.nRunning := 0;
shop.nAlarm   := 0;
shop.rShopOEE := 0.0;
shop.nPartsDayTotal := 0;

FOR i := 1 TO 32 DO
    IF NOT cnc[i].bOnline THEN CONTINUE; END_IF;
    shop.nOnline := shop.nOnline + 1;

    // 可用率 = 运行时间 / 计划时间
    IF cnc[i].tPlanTimeDay > T#0s THEN
        cnc[i].rAvailability := TIME_TO_REAL(cnc[i].tRunTimeDay)
                              / TIME_TO_REAL(cnc[i].tPlanTimeDay);
    END_IF;

    // 性能率 = 实际件数 / 理论件数 (由 MES 反馈理论节拍)
    IF cnc[i].nPartsTotal > 0 THEN
        cnc[i].rPerformance := MIN(1.0, cnc[i].nPartsGood * 1.0
                                         / MAX(1, cnc[i].nPartsTotal));
    END_IF;

    // 合格率 = 合格 / 总数
    IF cnc[i].nPartsTotal > 0 THEN
        cnc[i].rQuality := cnc[i].nPartsGood * 1.0 / cnc[i].nPartsTotal;
    END_IF;

    cnc[i].rOEE := cnc[i].rAvailability
                 * cnc[i].rPerformance
                 * cnc[i].rQuality;

    // 刀具寿命告警
    IF cnc[i].rToolUsedMin / cnc[i].rToolLifeMin >= 1.0 THEN
        FB_RaiseAlarm(i, 801, 'Tool life EXPIRED, force change', Fault);
    ELSIF cnc[i].rToolUsedMin / cnc[i].rToolLifeMin >= 0.8 THEN
        FB_RaiseAlarm(i, 800, 'Tool life 80%, prepare change', Warn);
    END_IF;

    // 状态统计
    IF cnc[i].eMachState = Run   THEN shop.nRunning := shop.nRunning + 1; END_IF;
    IF cnc[i].eMachState = Alarm THEN shop.nAlarm   := shop.nAlarm + 1;   END_IF;
    shop.rShopOEE       := shop.rShopOEE + cnc[i].rOEE;
    shop.nPartsDayTotal := shop.nPartsDayTotal + cnc[i].nPartsTotal;
END_FOR;

IF shop.nOnline > 0 THEN
    shop.rShopOEE := shop.rShopOEE / shop.nOnline;
END_IF;

END_PROGRAM

8.3 OB30 — 批量落库 (10 s)

PROGRAM OB30_DB
VAR
    i    : INT;
    stmt : SQLITE_Stmt;
END_VAR

stmt.Prepare(
  'INSERT INTO cnc_timeseries(dev,ts,rpm,load,feed,state,parts) ' ||
  'VALUES(?,?,?,?,?,?,?)');

FOR i := 1 TO 32 DO
    IF NOT cnc[i].bOnline THEN CONTINUE; END_IF;
    stmt.Bind(1, cnc[i].sDevId);
    stmt.Bind(2, DT_NOW());
    stmt.Bind(3, cnc[i].rSpindleRPM);
    stmt.Bind(4, cnc[i].rSpindleLoad);
    stmt.Bind(5, cnc[i].rFeedRate);
    stmt.Bind(6, cnc[i].eMachState);
    stmt.Bind(7, cnc[i].nPartsTotal);
    stmt.Execute();
    stmt.Reset();
END_FOR;

stmt.Close();

END_PROGRAM

8.4 OB31 — MES 推送 (带离线缓存)

PROGRAM OB31_Mes
VAR
    i      : INT;
    sJson  : STRING[1024];
    http   : HTTP_Client;
    bOk    : BOOL;
END_VAR

FOR i := 1 TO 32 DO
    IF NOT cnc[i].bOnline THEN CONTINUE; END_IF;

    sJson := JSON_Build(cnc[i]);   // 内置序列化
    bOk := http.Post(
             'https://mes.local/api/equip/state',
             sJson,
             timeout := T#3s);

    IF NOT bOk THEN
        // 离线缓存到本地 SQLite, 下个周期重试
        DB_InsertPending(cnc[i].sDevId, sJson);
    END_IF;
END_FOR;

// 补传离线积压
FB_ReplayPending(limit := 500);

END_PROGRAM

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9. 运行与调试

9.1 上电步骤

1. 合闸 UPS → 工控机 → 启动 Darra Panel
2. 执行 通讯诊断: 32 台 CNC ping 全通
3. 逐台验证协议握手 (IDE 通讯监视器)
4. 观察 shop.nOnline 达到 32
5. 查看 Grafana 看板, 主轴 RPM 折线持续刷新

9.2 协议调通顺序

建议分批调通, 避免一次全上排查困难:

批次	协议	台数	备注
1	Modbus TCP (广数)	8	最简单, 先通
2	OPC UA (海德汉)	4	需导入 CNC Nodeset
3	FOCAS (发那科)	12	需 CNC 侧开通 HSSB/Ethernet
4	MTConnect (三菱)	8	需 CNC Agent 先启动

9.3 OPC UA Server 发布

IDE → OPC UA Server 向导 → 勾选要对外发布的变量:

Root
├── Shop
│   ├── OnlineCount       (UInt16)
│   ├── RunningCount      (UInt16)
│   └── ShopOEE           (Double)
└── Machines
    ├── CNC-01
    │   ├── SpindleRPM    (Double)
    │   ├── ToolNo        (Int16)
    │   └── OEE           (Double)
    ├── CNC-02
    │   └── ...

MES 使用任意 OPC UA Client 订阅即可。

9.4 告警规则

告警	条件	级别	推送
通讯断线	tLastOk 超 30 s	Warn	值班室大屏
CNC 报警	nAlarmCode <> 0	Fault	微信 + 大屏
刀具 80%	rToolUsed/rToolLife ≥ 0.8	Warn	班组长
刀具 100%	≥ 1.0	Fault	强制停机
OEE < 40%	持续 30 分钟	Info	工艺师邮件

9.5 常见问题

现象	原因	处理
FOCAS 断线频繁	CNC HSSB 超时	连接保活 10 s
MTConnect XPath 错	CNC 版本差异	导入对应 XSD
落库延时 > 1 s	SQLite WAL 关了	启用 WAL
Grafana 掉点	HTTP 接口压力	改 MQTT/InfluxDB

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10. Darra 功能对照表

工站需求	实现方式	IDE 位置
多协议采集	内置 FOCAS / MTConnect / OPC UA / Modbus / MQTT	通讯向导
时序数据库	内置 SQLite + WAL + 分区	项目属性
OEE 计算	FB_Availability/Performance/Quality	程序模块
刀具寿命管理	UDT 字段 + FB_RaiseAlarm	程序模块
OPC UA Server	勾选发布变量	UA Server 向导
Grafana 对接	HTTP 接口内置	通讯向导
离线缓存	DB_InsertPending + FB_ReplayPending	库函数
云端看板	DarraCloud 一键	项目属性

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11. 项目总结

数采中枢场景最能体现 Darra 作为"一体化软 PLC"的价值: 以 1 台工控机 + 1 套软件替代传统方案的 "32 个数采网关 + SCADA + 数据库 + OPC Server + MES 适配器", 硬件成本降低约一个数量级。

成果:

• 32 台全在线, 单台断线仅影响对应 slot, 整体不挂
• OEE 刷新 1 s, 数据库写入 800 条/秒
• 180 天历史占用约 45 GB, 2 TB SSD 可容 8 年
• 全部国产硬件, 机柜合计 ¥3.6 w
• MES / Grafana / 云端三条分发路径并行, 任一中断不影响其他

可复用: UDT_CncData / UDT_ShopSummary / 多协议 OB 模板 / OEE 计算 FB / OPC UA Server 发布方式, 可直接迁移到注塑机、压铸机、冲压机、立式加工中心等任意设备数采场景, 替换协议库即可。