車間多源異構(gòu)裝備適配技術(shù)探究

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摘要:針對(duì)車間多源異構(gòu)裝備難以與物聯(lián)制造系統(tǒng)良好兼容的問題，設(shè)計(jì)一種裝備虛擬化模型架構(gòu)，將此模型作為連接底層裝備與制造系統(tǒng)的紐帶，制造系統(tǒng)直接與標(biāo)準(zhǔn)化模型交互，從而屏蔽了底層裝備的異構(gòu)性，通過模型實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備的遠(yuǎn)程控制、信息采集、功能拓展和邏輯優(yōu)化，使其能夠良好融入物聯(lián)制造系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該方法能顯著簡(jiǎn)化物聯(lián)制造系統(tǒng)架構(gòu)，提升車間自動(dòng)化、信息化和智能化水平。

關(guān)鍵詞:多源異構(gòu);物聯(lián)制造;適配;互聯(lián)互通

0引言

近年來，工業(yè)4．0的提出極大地推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展，車間底層裝備也更加多元化，如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)械手、AGV、自動(dòng)倉庫、檢測(cè)儀等［1］。種類繁多的自動(dòng)化裝備構(gòu)成了物聯(lián)制造的基礎(chǔ)，但同時(shí)也給物聯(lián)制造系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)帶來了如下難點(diǎn):1)車間底層裝備的互聯(lián)互通是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)制造的前提，但不同品牌裝備使用的通信協(xié)議也各有不同，雖然目前國際上提出了一些用于數(shù)控裝備互聯(lián)互通的通信標(biāo)準(zhǔn)，如MT－Connect和OPC－UA，我國也有由華中科技大學(xué)牽頭，聯(lián)合多家國內(nèi)知名數(shù)控、機(jī)床廠家研發(fā)出的NC－Link通信標(biāo)準(zhǔn)［2］，但目前支持MT－Connect、OPC－UA、NC－Link等標(biāo)準(zhǔn)的裝備并不多，這就給車間底層裝備的互聯(lián)互通帶來了巨大的阻礙。2)即使是同類型裝備，如基于PLC的磁導(dǎo)引AGV和基于嵌入式系統(tǒng)的激光導(dǎo)引AGV，其功能雖然相同，但控制邏輯卻有著很大的差異，很難與物聯(lián)制造系統(tǒng)良好兼容。3)物聯(lián)制造模式下，對(duì)車間信息化、自動(dòng)化、智能化水平要求顯著提高，但同時(shí)對(duì)裝備的遠(yuǎn)程控制、信息采集及智能化水平也有著更高的要求。而車間底層裝備控制邏輯各異，信息化和智能化水平參差不齊，很難與制造系統(tǒng)完美匹配。車間底層裝備的多源異構(gòu)性導(dǎo)致裝備難以直接接入物聯(lián)制造系統(tǒng)之中，而常見的適配技術(shù)通過通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換后，只能實(shí)現(xiàn)以單向信息采集為主的低水平車間互聯(lián)互通，難以滿足物聯(lián)制造系統(tǒng)無人化、智能化、機(jī)器協(xié)作等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景［3］。只有通過一種模型對(duì)裝備的功能、控制邏輯、通信協(xié)議等方面都進(jìn)行適配，使其滿足物聯(lián)制造系統(tǒng)接入標(biāo)準(zhǔn)，才能與系統(tǒng)良好匹配，充分發(fā)揮物聯(lián)制造的優(yōu)勢(shì)。

1裝備虛擬化模型基本架構(gòu)

1．1裝備虛擬化模型外部接口

裝備虛擬化模型是基于車間底層裝備的特征進(jìn)行開發(fā)的，可視作具有對(duì)應(yīng)裝備各種功能的虛擬裝備，模型對(duì)外主要提供4個(gè)接口(圖1)。1)制造系統(tǒng)接口裝備虛擬化模型的制造系統(tǒng)接口根據(jù)物聯(lián)制造系統(tǒng)使用的通信協(xié)議開發(fā)，用于模型與物聯(lián)制造系統(tǒng)的對(duì)接。裝備虛擬化模型作為對(duì)應(yīng)底層裝備的生產(chǎn)要素直接與物聯(lián)制造系統(tǒng)交互，制造系統(tǒng)各類指令使用統(tǒng)一的通信格式發(fā)送至模型，從而屏蔽了底層裝備的異構(gòu)性，如磁導(dǎo)引AGV和激光導(dǎo)引AGV的虛擬化模型在物聯(lián)制造系統(tǒng)都被視為AGV，并無任何區(qū)別。裝備虛擬化模型的制造系統(tǒng)接口可以接收兩種格式的命令，即控制型指令(如控制機(jī)床加工)和查詢型指令(如查詢AGV當(dāng)前位置)，都采取一問一答的通信方式。模型在接收到查詢型指令后實(shí)時(shí)回復(fù)查詢結(jié)果;收到控制型指令，則在完成該指令要求的操作后，回復(fù)其動(dòng)作完成或失敗。2)裝備控制接口裝備控制接口是基于底層裝備的特點(diǎn)和裝備本身的通信協(xié)議開發(fā)的，用于虛擬化模型與其對(duì)應(yīng)底層裝備的交互，通過裝備廠商提供的鏈接庫或通信接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層裝備的遠(yuǎn)程控制與信息采集。3)數(shù)據(jù)庫接口在物聯(lián)制造系統(tǒng)中每個(gè)裝備都在車間工控機(jī)或云端有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)裝備的各類狀態(tài)信息［4］。虛擬化模型通過數(shù)據(jù)庫接口讀取或存儲(chǔ)相對(duì)應(yīng)的底層裝備信息，如倉庫模型通過讀取倉庫數(shù)據(jù)庫表格判斷各個(gè)庫位的狀態(tài)，機(jī)床模型實(shí)時(shí)存儲(chǔ)機(jī)床狀態(tài)及加工信息用于后續(xù)分析。而其他外部程序也可以無視裝備本身的通信協(xié)議，直接通過訪問其數(shù)據(jù)庫獲取底層裝備各類狀態(tài)信息。4)人機(jī)交互接口人機(jī)交互接口用于實(shí)時(shí)顯示裝備虛擬化模型運(yùn)行過程中各類信息，便于技術(shù)人員調(diào)試與監(jiān)控，如各個(gè)接口連接狀態(tài)、制造系統(tǒng)與模型的交互信息、運(yùn)行過程中的異常信息等。此外還通過該接口接收技術(shù)人員的一些指令，如倉庫模型可根據(jù)技術(shù)人員輸入的零件類型和數(shù)量自動(dòng)進(jìn)行入庫操作。

1．2裝備虛擬化模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)都提供C#版本的鏈接庫或軟件開發(fā)包，因此該裝備虛擬化模型可基于C#語言進(jìn)行底層構(gòu)筑(圖2)。虛擬化模型一般具有3個(gè)基本模塊，即控制模塊、監(jiān)測(cè)模塊和數(shù)據(jù)庫模塊，以一臺(tái)車床模型為例。1)控制模塊控制模塊包含連接、控制對(duì)應(yīng)車床的一些基本功能，其中的函數(shù)對(duì)應(yīng)車床控制面板，形成虛擬按鍵，如程序啟動(dòng)按鍵、復(fù)位按鍵、夾具打開關(guān)閉按鍵，模型可以直接通過調(diào)用這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)按鍵功能。這些控制功能有些可以在廠家提供的鏈接庫中獲取，有的需要通過更改機(jī)床PLC梯形圖，通過加入遠(yuǎn)程控制點(diǎn)位來實(shí)現(xiàn)。2)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)模塊包含一些底層裝備信息采集、狀態(tài)監(jiān)控功能，如車床各軸機(jī)械坐標(biāo)、程序執(zhí)行狀態(tài)、機(jī)床警報(bào)信息等。這些信息有的可以通過廠家提供的鏈接庫采集，有的用來監(jiān)控特定的PLC點(diǎn)位狀態(tài)。除了這些可以從底層裝備中直接獲取的信息，監(jiān)測(cè)模塊中還加入了另一些功能，如根據(jù)當(dāng)前各軸機(jī)械坐標(biāo)判斷機(jī)床是否處于上料點(diǎn)位置，從而避免因機(jī)床不在上料點(diǎn)而和機(jī)械手發(fā)生碰撞的現(xiàn)象。3)數(shù)據(jù)庫模塊數(shù)據(jù)庫模塊包含了裝備虛擬化模型與車間或云端數(shù)據(jù)庫的連接、對(duì)數(shù)據(jù)庫表格進(jìn)行增刪改查的一些功能，用于虛擬化裝備模型數(shù)據(jù)庫接口的實(shí)現(xiàn)。除了這些基本模塊，還可根據(jù)裝備特點(diǎn)和制造系統(tǒng)需求，在模型中靈活地添加其他模塊，實(shí)現(xiàn)其功能拓展，如AGV模型中加入路徑模塊，實(shí)現(xiàn)AGV路徑文件的自動(dòng)生成與上傳;機(jī)床模型中加入NC模塊，實(shí)現(xiàn)系列化產(chǎn)品NC代碼的自動(dòng)生成與上傳;在模型中加入指令集，方便地生成和調(diào)用各類字符串格式的指令。

2裝備虛擬化模型主要功能

2．1裝備通信協(xié)議轉(zhuǎn)換

裝備虛擬化模型通過制造系統(tǒng)接口以物聯(lián)制造系統(tǒng)的通信格式接收制造系統(tǒng)指令，再通過裝備控制接口對(duì)應(yīng)底層裝備本身的通信協(xié)議對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和信息采集，從而實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議各異的車間底層裝備的互聯(lián)互通。

2．2裝備的遠(yuǎn)程控制與信息采集

對(duì)底層裝備的遠(yuǎn)程控制與信息采集是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)制造的基礎(chǔ)［5］。通過應(yīng)用裝備虛擬化模型，可以實(shí)現(xiàn)高水平的遠(yuǎn)程控制和信息采集。所謂的高水平，不再是由制造系統(tǒng)直接控制或監(jiān)測(cè)裝備PLC點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)控制或數(shù)據(jù)采集，而是通過向模型下發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化指令，由模型自動(dòng)完成一系列的控制或信息數(shù)據(jù)采集動(dòng)作。以銑床模型為例，其從制造系統(tǒng)獲取的命令只有兩個(gè)，加工和預(yù)估加工時(shí)間，當(dāng)執(zhí)行加工命令時(shí)，模型直接從加工命令中獲取NC代碼字段，或通過加工命令中的零件類型和尺寸自動(dòng)生成NC代碼。然后將NC代碼上傳至機(jī)床，通過控制模塊中的虛擬按鍵關(guān)閉銑床夾具和安全門，啟動(dòng)加工程序，之后持續(xù)監(jiān)測(cè)機(jī)床加工狀態(tài)。在機(jī)床加工完成后，打開夾具和安全門，并將各軸移動(dòng)到上料點(diǎn)，并向制造系統(tǒng)回復(fù)加工完成信息。而在收到預(yù)估加工時(shí)間命令時(shí)，則通過解析NC代碼自動(dòng)計(jì)算出機(jī)床加工時(shí)間并回復(fù)計(jì)算結(jié)果。通過模型內(nèi)部的邏輯控制和計(jì)算能力，可以顯著精簡(jiǎn)制造系統(tǒng)與底層裝備之間的指令數(shù)量，降低了制造系統(tǒng)與裝備的交互難度。

2．3裝備功能拓展

裝備虛擬化模型的控制模塊和監(jiān)測(cè)模塊除了包含對(duì)應(yīng)裝備的基本功能外，還可以根據(jù)物聯(lián)制造系統(tǒng)需求，靈活地在虛擬化模型中進(jìn)行功能拓展，從而在滿足物聯(lián)制造系統(tǒng)接入標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)降低對(duì)底層裝備本身的技術(shù)要求。如在機(jī)床模型中加入系列化產(chǎn)品NC代碼自動(dòng)生成功能，通過分析NC代碼，還可實(shí)現(xiàn)加工時(shí)間預(yù)估功能。而對(duì)倉庫模型，可以增加原料自動(dòng)入庫功能，技術(shù)人員通過人機(jī)交互接口輸入要入庫零件的類型和數(shù)量信息，倉庫模型便會(huì)自動(dòng)遍歷倉庫的數(shù)據(jù)庫找出空的庫位。技術(shù)人員只需按照人機(jī)交互界面的提示，將對(duì)應(yīng)的原料送至入庫口，倉庫模型便會(huì)自動(dòng)控制倉庫完成入庫動(dòng)作，并實(shí)時(shí)改寫倉庫數(shù)據(jù)庫信息，直至入庫結(jié)束。

2．4裝備控制邏輯統(tǒng)一與優(yōu)化

同一類型的不同裝備，其控制邏輯往往存在很大差異。以AGV為例，磁導(dǎo)引AGV是基于PLC開發(fā)的，通過地面鋪貼的磁條和RFID實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引和定位，而激光導(dǎo)引AGV是基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的，通過激光地圖和路徑文件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引和定位。這兩種AGV控制邏輯完全不同，如果直接接入物聯(lián)制造系統(tǒng)中，會(huì)導(dǎo)致制造系統(tǒng)復(fù)雜性大大增加。而通過裝備虛擬化模型對(duì)裝備控制邏輯進(jìn)行統(tǒng)一，不論是何種類型的AGV虛擬化模型，其與制造系統(tǒng)的交互都只有獲取當(dāng)前位置、運(yùn)行指定路徑、出貨、收貨這幾條標(biāo)準(zhǔn)指令，具體的命令實(shí)現(xiàn)由模型根據(jù)裝備特點(diǎn)完成操作。例如車間裝備開機(jī)時(shí)，往往需要一些復(fù)位操作，但不同品牌裝備的操作流程也存在差異。如SIEMENS機(jī)床需要松開急停，復(fù)位，按下主軸使能和進(jìn)給使能;FANUC機(jī)床則需要松開急停，按下選擇停(使機(jī)床控制面板按鈕無效)。而通過裝備虛擬化模型對(duì)裝備操作邏輯進(jìn)行優(yōu)化，在技術(shù)人員松開急停后，模型根據(jù)對(duì)應(yīng)裝備特點(diǎn)，通過虛擬按鍵自動(dòng)完成各種復(fù)位操作，這樣便可以屏蔽車間裝備的差異性，大大地簡(jiǎn)化車間開機(jī)流程。

3實(shí)例

基于多智能體技術(shù)的自組織物聯(lián)制造系統(tǒng)以物聯(lián)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過裝備的自治與協(xié)商方式，實(shí)現(xiàn)定制產(chǎn)品的自組織生產(chǎn)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訂單直接下發(fā)至車間，車間倉儲(chǔ)、物流、加工、檢測(cè)全自動(dòng)化，訂單的排產(chǎn)與車間調(diào)度智能化，裝備及車間狀態(tài)信息透明化。如圖3所示，車間內(nèi)有LNC、SIEMENS、FANUC三種品牌的機(jī)床，基于PLC開發(fā)的磁導(dǎo)引AGV、ABB工業(yè)機(jī)器人，基于PLC開發(fā)的自動(dòng)倉庫，車間底層裝備有顯著的多源異構(gòu)特征。制造系統(tǒng)通過使用多智能體技術(shù)，為車間中的每個(gè)設(shè)備配置相應(yīng)的Agent，所有設(shè)備的Agent組成Agent網(wǎng)絡(luò)，也就是一個(gè)虛擬車間［6］。當(dāng)訂單信息下發(fā)至虛擬車間后，各Agent會(huì)代表其設(shè)備參與交互協(xié)商，爭(zhēng)取工作任務(wù)。任務(wù)分配完成后，各Agent會(huì)相互協(xié)商，共同完成任務(wù)。該物聯(lián)制造系統(tǒng)使用一種基于TCP/IP協(xié)議，這是通過JSON格式封裝的語義化通信格式，具有可讀性好、拓展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，不同Agent之間及Agent與對(duì)應(yīng)底層裝備之間均使用該協(xié)議進(jìn)行通信。但由于底層裝備的多源異構(gòu)性，Agent與其對(duì)應(yīng)底層裝備的感知和交互是該制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最大難點(diǎn)。而在該制造系統(tǒng)中應(yīng)用了裝備虛擬化模型技術(shù)后，裝備虛擬化模型作為連接Agent與對(duì)應(yīng)底層裝備的紐帶，具有對(duì)應(yīng)底層裝備的所有功能并提供標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)用接口，能夠方便地與Agent直接交互，實(shí)現(xiàn)Agent對(duì)相應(yīng)底層裝備的控制和感知(圖4)。

4結(jié)語

本文針對(duì)車間多源異構(gòu)裝備難以與制造系統(tǒng)良好匹配、兼容的問題，提出了一種裝備虛擬化模型架構(gòu)，并通過應(yīng)用該模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)相應(yīng)底層裝備的遠(yuǎn)程控制、信息采集、功能拓展和邏輯優(yōu)化，從而屏蔽底層裝備的異構(gòu)性，使其能夠良好地融入物聯(lián)制造系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，該方法能顯著簡(jiǎn)化物聯(lián)制造系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)提升車間自動(dòng)化、信息化及智能化水平。

作者:伍健民 唐敦兵 朱海華 聶慶煒 單位:南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院