車間多源異構(gòu)裝備適配技術(shù)探究

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摘要:針對車間多源異構(gòu)裝備難以與物聯(lián)制造系統(tǒng)良好兼容的問題，設計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)直接與標準化模型交互，從而屏蔽了底層裝備的異構(gòu)性，通過模型實現(xiàn)對裝備的遠程控制、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)。實際應用表明，該方法能顯著簡化物聯(lián)制造系統(tǒng)架構(gòu)，提升車間自動化、信息化和智能化水平。

關鍵詞: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)控機床、工業(yè)機械手、AGV、自動倉庫、檢測儀等［1］。種類繁多的自動化裝備構(gòu)成了物聯(lián)制造的基礎，但同時也給物聯(lián)制造系統(tǒng)的實現(xiàn)帶來了如下難點:1)車間底層裝備的互聯(lián)互通是實現(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)互通的通信標準，如MT－Connect和OPC－UA，我國也有由華中科技大學牽頭，聯(lián)合多家國內(nèi)知名數(shù)控、機床廠家研發(fā)出的NC－Link通信標準［2］，但目前支持MT－Connect、OPC－UA、NC－Link等標準的裝備并不多，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的磁導引AGV和基于嵌入式系統(tǒng)的激光導引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，對車間信息化、自動化、智能化水平要求顯著提高，但同時對裝備的遠程控制、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、機器協(xié)作等復雜應用場景［3］。只有通過一種模型對裝備的功能、控制邏輯、通信協(xié)議等方面都進行適配，使其滿足物聯(lián)制造系統(tǒng)接入標準，才能與系統(tǒng)良好匹配，充分發(fā)揮物聯(lián)制造的優(yōu)勢。

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行開發(fā)的，可視作具有對應裝備各種功能的虛擬裝備，模型對外主要提供4個接口(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)的對接。裝備虛擬化模型作為對應底層裝備的生產(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，如磁導引AGV和激光導引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(如控制機床加工)和查詢型指令(如查詢AGV當前位置)，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時回復查詢結(jié)果;收到控制型指令，則在完成該指令要求的操作后，回復其動作完成或失敗。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應底層裝備的交互，通過裝備廠商提供的鏈接庫或通信接口，實現(xiàn)對底層裝備的遠程控制與信息采集。3)數(shù)據(jù)庫接口在物聯(lián)制造系統(tǒng)中每個裝備都在車間工控機或云端有對應的數(shù)據(jù)庫，用于存儲裝備的各類狀態(tài)信息［4］。虛擬化模型通過數(shù)據(jù)庫接口讀取或存儲相對應的底層裝備信息，如倉庫模型通過讀取倉庫數(shù)據(jù)庫表格判斷各個庫位的狀態(tài)，機床模型實時存儲機床狀態(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)人機交互接口人機交互接口用于實時顯示裝備虛擬化模型運行過程中各類信息，便于技術(shù)人員調(diào)試與監(jiān)控，如各個接口連接狀態(tài)、制造系統(tǒng)與模型的交互信息、運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)量自動進行入庫操作。

1．2裝備虛擬化模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于大部分數(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#語言進行底層構(gòu)筑(圖2)。虛擬化模型一般具有3個基本模塊，即控制模塊、監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)庫模塊，以一臺車床模型為例。1)控制模塊控制模塊包含連接、控制對應車床的一些基本功能，其中的函數(shù)對應車床控制面板，形成虛擬按鍵，如程序啟動按鍵、復位按鍵、夾具打開關閉按鍵，模型可以直接通過調(diào)用這些函數(shù)實現(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床PLC梯形圖，通過加入遠程控制點位來實現(xiàn)。2)監(jiān)測模塊監(jiān)測模塊包含一些底層裝備信息采集、狀態(tài)監(jiān)控功能，如車床各軸機械坐標、程序執(zhí)行狀態(tài)、機床警報信息等。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)測模塊中還加入了另一些功能，如根據(jù)當前各軸機械坐標判斷機床是否處于上料點位置，從而避免因機床不在上料點而和機械手發(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、對數(shù)據(jù)庫表格進行增刪改查的一些功能，用于虛擬化裝備模型數(shù)據(jù)庫接口的實現(xiàn)。除了這些基本模塊，還可根據(jù)裝備特點和制造系統(tǒng)需求，在模型中靈活地添加其他模塊，實現(xiàn)其功能拓展，如AGV模型中加入路徑模塊，實現(xiàn)AGV路徑文件的自動生成與上傳;機床模型中加入NC模塊，實現(xiàn)系列化產(chǎn)品NC代碼的自動生成與上傳;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應底層裝備本身的通信協(xié)議對其進行遠程控制和信息采集，從而實現(xiàn)通信協(xié)議各異的車間底層裝備的互聯(lián)互通。

2．2裝備的遠程控制與信息采集

對底層裝備的遠程控制與信息采集是實現(xiàn)物聯(lián)制造的基礎［5］。通過應用裝備虛擬化模型，可以實現(xiàn)高水平的遠程控制和信息采集。所謂的高水平，不再是由制造系統(tǒng)直接控制或監(jiān)測裝備PLC點位實現(xiàn)控制或數(shù)據(jù)采集，而是通過向模型下發(fā)標準化指令，由模型自動完成一系列的控制或信息數(shù)據(jù)采集動作。以銑床模型為例，其從制造系統(tǒng)獲取的命令只有兩個，加工和預估加工時間，當執(zhí)行加工命令時，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生成NC代碼。然后將NC代碼上傳至機床，通過控制模塊中的虛擬按鍵關閉銑床夾具和安全門，啟動加工程序，之后持續(xù)監(jiān)測機床加工狀態(tài)。在機床加工完成后，打開夾具和安全門，并將各軸移動到上料點，并向制造系統(tǒng)回復加工完成信息。而在收到預估加工時間命令時，則通過解析NC代碼自動計算出機床加工時間并回復計算結(jié)果。通過模型內(nèi)部的邏輯控制和計算能力，可以顯著精簡制造系統(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)測模塊除了包含對應裝備的基本功能外，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行功能拓展，從而在滿足物聯(lián)制造系統(tǒng)接入標準的同時降低對底層裝備本身的技術(shù)要求。如在機床模型中加入系列化產(chǎn)品NC代碼自動生成功能，通過分析NC代碼，還可實現(xiàn)加工時間預估功能。而對倉庫模型，可以增加原料自動入庫功能，技術(shù)人員通過人機交互接口輸入要入庫零件的類型和數(shù)量信息，倉庫模型便會自動遍歷倉庫的數(shù)據(jù)庫找出空的庫位。技術(shù)人員只需按照人機交互界面的提示，將對應的原料送至入庫口，倉庫模型便會自動控制倉庫完成入庫動作，并實時改寫倉庫數(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，磁導引AGV是基于PLC開發(fā)的，通過地面鋪貼的磁條和RFID實現(xiàn)自動導引和定位，而激光導引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現(xiàn)自動導引和定位。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，會導致制造系統(tǒng)復雜性大大增加。而通過裝備虛擬化模型對裝備控制邏輯進行統(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前位置、運行指定路徑、出貨、收貨這幾條標準指令，具體的命令實現(xiàn)由模型根據(jù)裝備特點完成操作。例如車間裝備開機時，往往需要一些復位操作，但不同品牌裝備的操作流程也存在差異。如SIEMENS機床需要松開急停，復位，按下主軸使能和進給使能;FANUC機床則需要松開急停，按下選擇停(使機床控制面板按鈕無效)。而通過裝備虛擬化模型對裝備操作邏輯進行優(yōu)化，在技術(shù)人員松開急停后，模型根據(jù)對應裝備特點，通過虛擬按鍵自動完成各種復位操作，這樣便可以屏蔽車間裝備的差異性，大大地簡化車間開機流程。

3實例

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，通過裝備的自治與協(xié)商方式，實現(xiàn)定制產(chǎn)品的自組織生產(chǎn)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)網(wǎng)絡訂單直接下發(fā)至車間，車間倉儲、物流、加工、檢測全自動化，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三種品牌的機床，基于PLC開發(fā)的磁導引AGV、ABB工業(yè)機器人，基于PLC開發(fā)的自動倉庫，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)，為車間中的每個設備配置相應的Agent，所有設備的Agent組成Agent網(wǎng)絡，也就是一個虛擬車間［6］。當訂單信息下發(fā)至虛擬車間后，各Agent會代表其設備參與交互協(xié)商，爭取工作任務。任務分配完成后，各Agent會相互協(xié)商，共同完成任務。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、拓展性強的優(yōu)點，不同Agent之間及Agent與對應底層裝備之間均使用該協(xié)議進行通信。但由于底層裝備的多源異構(gòu)性，Agent與其對應底層裝備的感知和交互是該制造系統(tǒng)實現(xiàn)的最大難點。而在該制造系統(tǒng)中應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與對應底層裝備的紐帶，具有對應底層裝備的所有功能并提供標準化調(diào)用接口，能夠方便地與Agent直接交互，實現(xiàn)Agent對相應底層裝備的控制和感知(圖4)。

4結(jié)語

本文針對車間多源異構(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)，并通過應用該模型實現(xiàn)了對相應底層裝備的遠程控制、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)。實際應用表明，該方法能顯著簡化物聯(lián)制造系統(tǒng)架構(gòu)，同時提升車間自動化、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:南京航空航天大學機電學院