齿轮制造企业普遍使用数控滚齿机作为主要的切齿设备，其作为数据采集的节点设备较为合适，是 SCADA 系统中比较值得研究的一类数控设备。
一、数据采集中 FANUC 数控系统的特点
目前，数控系统大体从构架上分为硬件型、软硬件结合型、软件型三大类，早期数控全部为硬件型系统，缺乏灵活性。目前，比较先进的 FANUC 数控系统如 30i 系列都是软硬件结合型，即设备前端应用计算机构架完成人机对话、数据存储、轨迹运算、指令分配等任务，硬件完成伺服控制、PMC 输入输出等动作控制。在数据采集中相应的数据均会记录在数据区中，外部计算机可以通过通讯协议便捷地读取到存储器里的数据。而软件型是今后数控系统的主要发展方向，其不需要专门的硬件系统，可以使用通用平台降低成本，使用开放平台，进一步增强了适用性。
二、数据采集中滚齿机的特点
数控滚齿机根据成形原理，按照两坐标圆弧插补对机床的刀架垂直进给运动和水平径向运动进给，进行数字化控制实现齿轮加工。滚齿机应具备的传动链：主传动传动链、展成运动传动链、垂直运动传动链、轴向运动传动链、径向进给运动运动链。在切削过程中，刀轴的转动、工件轴的转动、刀轴的垂直运动是主要切削运动，其信息化特征如下：
(1)滚齿机在加工过程中加工路径基本没有变化，在高效滚齿机中一直处于切削状态，加工程序始终循环，除换刀和设备维修外基本没有其他机床的长时间空闲时间，在采集数据时是要特别注意。
(2)刀具监控是金属切削机床信息化的重要一环。滚齿机在加工过程中只使用一把刀具;属于复杂刀具，且成本高。而滚刀信息采集的难点是如何让刀具信息跟随刀具一起流转。
(3)数控滚齿机一般都是低速重载多轴联动机床，所以数控滚齿机较易出现伺服故障，FANUC 系统中可以直接监控 28 种设备状态信息，如各轴的负载率，电机电流情况、电机温度等数值，这些数据的采集对数控滚齿机的预防性维修起到了很大的帮助。
三、数据采集的方式
制造企业信息化平台的开发流程顺序为：管理流——数据流——技术流。即首先梳理信息化管理流程、关键节点和需要采集的数据。然后，根据管理流梳理数据走向，哪些数据要采自哪里，要提供给谁，分析成什么样的报表，形成数据流。最后，根据数据流选择采用什么样的采集设备，使用哪种类型的网络传输方式，使用什么样的数据库，形成技术流。
工厂的信息化构架分为 ERP-MES-SCADA 三层，SCADA 系统是一种以计算机为基础的生产过程监视和控制系统，SCADA 系统以数据采集为基础，以数据库为信息存储介质，以工业互联网为数据传递媒介的工业系统。
FANUC 公司的 SCADA 系统主要的作用就是基于设备层进行机床数据采集和设备监控。其设备连接层具体可分成三部分：
(1)连接层，即机床上的采集装置 DTU，其采用网线直连，内置 FTP Server 功能，VPN 功能。
(2)Smart NC Link 标注数据采集器，其内置 FOCAS 标准函数库，是 BFM 开发的基础软件，可提供采集各种支持以太网通讯的 FANUC 数据系统数据采集，适用于 Windows、Linux 系统。
(3)FANUC MT-Link i 软件可连接多种设备，提高了数据集成度，既可以连接 CNC、 Robot、OPC，又可以使用 MongoDB 操作命令从数据库读取数据。
图 1 信息化构架网络关系框图
SCADA 信息化平台主要有设备上的数据采集系统将数控机床上的信息上传至实时型数据库，不同的设备拥有不同的实时型数据库，其主要根据设备通讯协议进行通讯传输，其开发语言属于后端开发。关系型数据库再根据面向对象的要求提取实时型数据库中的信息进行存放，通过 C/S 构架和 B/S 构架实现人机交互。
设备组网
工业以太网是 SCADS 的基础，只有实现设备组网才能实现数据的采集和传输。
在 TCP/IP 协议中要用 IP 地址来标识主机或路由器，IP 地址由网络号和主机号两部分来标识。在通讯时，首先要在同一网段内寻找，即需要网络号相同。在同一网络内要区分设备，即主机号要不同。
在 IP 地址中可以分为五类：A、B、C、D、E。
各类地址的表示范围是：
A 类：0.0.0.0——127.255.255.255
B 类：128.0.0.0——191.255.255.255
C 类：192.0.0.0——223.255.255.255
D 类：224.0.0.0——239.255.255.255
E 类：240.0.0.0——247.255.255.255
基本常用的为 A 类(地址数量 1600 万以上)，B 类(地址数量 65334)，C 类(地址数量 254)。在设定设备 IP 地址时，应根据接入点的多少设置地址类型。如果地址类型的规划数量大于实际地址数量，一方面，会造成地址资源闲置;另一方面，会造成地址表过于庞大，降低检索速度。也可以使用子网，设置子网掩码的方法，在一个网段中划定一个使用区域，这样就可以只不改变网络类型的情况下缩小检索范围，提高检索效率。以我公司为例，我公司共有 1667 台数控设备，连接至工业以太网可使用 176.10.0.X-192.168.8.X 个地址位，一般而言，在一个频段内有 255 个 IP 地址，除每台设备占用的 IP 地址外，还要预留 20% 的 IP 地址给计算机、服务器和以后新增设备。
数据的提取
FANUC 系统在存储区根据用途存有不同的数据，每个数据存储的地址不同，当需要用计算机调取某个数据时按照 FOCAS 函数库使用 API 协议程序进行查询。API 接口定义分为连接方式、系统类型、函数功能三种方式，可以查询比如坐标、状态、方式、加工零件数、负载信息等。
除函数库列表中提供的数据外，有的还需要使用 PMC 或宏程序辅助记录数据，以加工零件数为例，数控滚齿机的加工零件数，这个数据为系统读到加工程序中 M02，M30 程序结束语句时，就在工件计数器里 +1。有些滚齿机工作循环时，不会执行 m02 或 m30 结束加工程序，而是加工结束后通过跳转返回程序起点位置，如下面这段程序：
M28A0B1D0;
M20A1B0F1I1K1Q0R0S1T0U1Z1;
……
M23D100.000F2.500H2S400T5Z100.000;
M24;
M29;
M30;
此程序正常加工时不会运行到 M30，而是在 M24 中通过参数执行宏程序跳转到程序头，这就导致零件计数不会变化，就需要在程序里添加标志位和宏程序来进行零件计数。
M28A0B1D0;
M20A1B0F1I1K1Q0R0S1T0U1Z1;
……
M23D100.000F2.500H2S400T5Z100.000;
#500=#500+1 通过全局变量 #500 进行累加计数
M24;
M29;
M30;
滚齿机一把滚刀的加工数量要依照刀具定额进行控制，为了有效识别刀具，每把滚刀都有一个唯一的身份认证码，滚齿机要采集滚刀的身份信息需要将刀具的身份认证码通过扫码枪、RFID 使用 PROFIBUS 总线传输到机床中，使用 PMC 输入输出完成信息交换。
图 2 数据传送 PMC 程序
PMC 中的 R1000 起始的 4 个字节地址中去，再通过 MOVE 指令存储到 D 存储区中，这样计算机就可以通过 D 数据区来读取刀具的身份认证码。除了使用传统的 PMC 外，FANUC 的新型数控系统同时支持 OPC 协议和 API 协议。
OPC 是工业标准 OLE for Process Control 的简称，用于过程控制，是基于微软的 OLE 实现的即 OPC 标准。OPC 采用客户 / 服务器模式，OPC 客户端的作用是将提取的数据标准化，供系统平台使用。
API 是应用程序编程接口，是一些预先定义的函数，或指软件系统不同组成部分衔接的约定。目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件得以访问一组例程的能力，而又无需访问源码，或理解内部工作机制的细节。
FANUC 的一体化数据采集器将 OPC、API、FOCAS 等相关协议软件预先设定在 DTU 中，可以针对已有的绝大部分数控系统和 PLC 设备，只需提前在设备中授权即可使用。
DTU 中使用的数据层如下：
(1)通讯协议层：可通过软件或硬件的方式进行设备数据采集，支持丰富类型的通讯协议。
(2)采集层：采集服务将采集的数据提交到数据层，同时暴露对外的接口供外部系统对接使用。
(3)数据接口层：通过 Web API 将数据和分析结果开放给上层设备和第三方系统调用。
四、数据平台
数据平台主要有本地服务器和云端服务器。本地化方案主要优点是数据的应用没有延迟，数据的安全性更有保证，但初始投入较高，运行系统的便利性、扩展性和维护及时性较弱;云端服务器正好与之相反。
SCADA 系统架构支持 B/S、C/S 以及混合架构。B/S 构架即浏览器 / 服务器，C/S 构架即客户端 / 服务器。B/S 构架无需客户端软件，只要处于广域网内即可访问服务器，使用方便，初始投入成本少，由于使用 HTTP 协议因而安全性较差。而 C/S 构架更注重流程，可以对权限多层次校验，并且面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力很强，一般适用于保密性较高的场合。
整个数据需沿用 ETL 抽取技术，拥有独立的数据中心;主数据库采集数据 ( 动态数据 ) 每天空闲时进行一次数据静态化。可根据数据量情况灵活应用分数据库方式;同时，根据管理需求设计过滤器，直接写入上层数据库;并将历史数据和当前数据进行分离，将系统数据和业务数据分开部署，并将业务数据按规则进行拆分，并启用静态数据库压缩。
网络系统必须能够保障信息传输安全，防止设备被恶意病毒损坏。须以下几个方面确保网络系统的安全性：
(1)机床分配独立网段，使公司局域网与设备网络分离，服务器配置双网卡，一块与机床网络通讯，使机床网络保持在独立的一个网段，另一块与其他网络通讯。
(2)设置通过域安全策略控制访问服务器。
(3)在系统服务器上安装防病毒软件，并在内网中设立病毒文件升级服务器，保证病毒定义文件实时更新。
(4)在系统服务器与办公网络之间加装防火墙，保证系统服务器与办公网络的隔离性。数据库服务器采用 RAID1 磁盘阵列，提高数据可靠性，所有数据都只能登录软件系统后，才可对数据进行操作，而且针对不同人员可设定不同数据访问权限。设备上增加 IP 白名单机制，过滤所有非法访问，最大限度地保证了设备的安全性。
五、结语
在数据采集的过程中，应注意数控滚齿机的特异性信息采集的方式，根据其生产的特点灵活运用软件，有时还要使用多平台相互协调的方法提高数据录入的正确性，避免误差，同时应最大限度地使用自动录入的方式，避免人工录入带来的干扰因素，也可以采用多台数据的综合分析确保数据的真实性。
目前，国内对齿轮加工类机床的信息化数据采集研究刚刚起步，在引进国外 SCADA 系统的同时，也应该根据自身加工机床的工艺特点，开发适应自身企业发展的 SCADS 数据采集系统。
参考文献略