基于MTConnect切削過程的在線實時監控方法

袁廣超, 鮑勁松, 鄭小虎

(東華大學 機械工程學院, 上海, 201620)

基于MTConnect切削過程的在線實時監控方法

袁廣超, 鮑勁松, 鄭小虎

(東華大學 機械工程學院, 上海, 201620)

制造設備間的廣泛互聯、互操作是制造領域實現廣泛物聯的重要前提. 對數控系統進行實時監測, 收集數控系統加工參數、刀具幾何參數、零件質量檢測等異構數據, 進行有效地關聯監控是目前研究的熱點. 基于OPC(object linking and embedding for process control) UA(unified architecture)連接數控系統, 建立基于MTConnect的“適配器-代理(adapter-agent)”通用數控系統實時監控體系. 研究實時監控數據模型、通信框架及其訪問策略, 給出了機床加工過程監控數據的標準數據模型. 開發的原型系統在某航空薄壁件的實際加工過程進行實時監控, 實現了加工過程數據、離線數據的綜合可視化表達, 驗證了所提出的數控系統信息集成方法的有效性. 該方法構建的數據模型清晰地表達了各加工要素, 具有很好的可擴展性.

數控機床; OPC UA; MTConnect; 刀具監測

當前我國正逐步邁入“智能制造2025”時代, 現有的數字化工廠需要與信息化技術及自動化技術進行深度整合, 不斷提高工廠設備間的互聯互通能力. 智能工廠中存在大量的工作, 如刀具設計、刀具路徑優化、加工參數優化、刀具切削力預測以及專家系統等, 都依賴于彼此之間數據的無縫連接. 隨著網絡技術和數控技術的發展, 為了滿足數字化車間的信息化需求, 基于網絡的開放式數控機床監控技術成為研究熱點. 本文采用(object linking and embedding for process control) UA(unified architecture)和MTConnect結合的方式, 圍繞數控機床刀具切削過程的加工狀態, 設計和研發一種通用的數控系統監控體系. 圍繞刀具使用狀況，把由異構機床和刀具在制品產生的繁雜零碎的數據源組織成為一個樹形拓撲結構的半結構化數據存儲模型. 結合OPC UA和MTConnect優勢將分散的資源整合在一起, 形成物理上分散、邏輯上集中的集成監控系統, 為解決機床加工過程中各異構信息的有效監控提供一種解決方案.

1 OPC UA協議介紹

目前大多數工控和軟件廠商采用OPC網絡化監控技術，把各個分離的設備或者系統集成到一個統一、關聯的系統中, 以實現各廠商設備之間的互操作. 最新的OPC UA協議為滿足工控領域以服務為導向的需求, 把不同規范定義的信息模型重新歸類設計成一系列服務集的形式供用戶使用, 實現了跨平臺互聯.

PLCopen中國組織名譽主席彭瑜教授認為， OPC UA是符合工業4. 0時代構建智慧工廠需求的一個重要的互聯網解決方案, 可以打破自動化網絡多層遞階的信息流, 并將多層遞階系統集成為一個自動化服務網絡[1]. 沈斌等[2]通過研究協同服務、網絡化制造的信息化制造技術, 引入云計算思想, 基于OPC UA技術構建了一個示范性協同服務平臺, 實現了企業高效的資源管理和成本控制. 原紅麗等[3]通過對EDDL(electronic device description language)和 FDT(field device tool)兩大設備集成技術的研究, 提出了在OPC UA客戶端/服務器模式下的設備集成方案, 對設備制造商和系統開發商都有很大幫助. Thanh等[4]在WCF(windows communication foundation)技術的基礎上, 用OPC UA的SDK(software development kit)開發了監控系統, 減少了開發時間并降低了成本.

OPC UA技術以其強大的傳輸能力、可靠的基礎數據類型以及各種其他服務，極大地方便了各種設備信息的采集. 但是面對不同行業需要語義互操作的信息模型問題, OPC UA就顯得力不從心. 例如, 印刷機可能同時屬于印刷行業、包裝行業、塑料行業等, 不同的行業對印刷機的語義描述側重點不同.

2 MTConnect標準介紹

車間各類異構信息源構成一個龐大的異構數據庫網絡, 隨著多任務數控加工機床銷量的增加, 對刀具管理的需求日益增長, 但一些多功能刀具和刀具組件卻很難定義. MTConnect是AMT(association for manufacturing technology)聯合數控領域主流生產商提出的一種新型數控設備網絡化采集標準[5], 定義了一種標準化的機床工具領域的信息模型, 有效解決了數控系統信息接口不兼容的問題. MTConnect通過HTTP協議傳輸目前互聯網通用的存儲格式文件——可擴展標記語言(XML). MTConnect規定了一種標準化的數控系統數據模型設計準則, 并采用ISO 13399對刀具進行了標準化描述[6].

劉日良等[7]設計了一個符合MTConnect要求的數控雕刻機遠程監控系統, 通過Internet實時收集了數控雕刻機的數據. 陸小虎等[8]提出了開放網絡環境中的數控設備信息集成方法, 建立了分層次可擴展的機床信息模型, 通過網絡傳輸數控系統的結構化信息. 盧林等[9]基于 MTConnect標準的開放式數控系統網絡采集接口, 提出一種可拓展的通用接口架構, 對相關時間延遲開展了測試與分析.

數控系統是數控機床的控制核心, 實時不斷地對影響刀具磨損參數進行監控, 為加工策略和加工參數的調整提供依據[9]. 實際機床加工過程中刀具的健康情況直接影響在制品加工質量以及機床性能, 因此，圍繞刀具健康狀況、在制品質量檢測情況，對數控機床運行狀態進行實時有效監控具有重大意義. 但現有關于MTConnect的研究多著眼于機床狀態數據的標準化存儲, 而忽略了對獨立于機床本體的刀具與在制品相關數據的集成研究. 因此, 迫切需要一種統一的、可擴展的數據模型來整合和存儲機床、刀具以及離線在制品信息.

3 基于OPC UA的數控監控框架

OPC UA采用一種典型的客戶端/服務器架構, 客戶端與服務器互為服務器或客戶端, 方便數控系統數據項的監控、讀寫. 服務器端把數控系統內各類數據源封裝在一個統一的地址空間內, 使得客戶端可以以統一的方式去訪問服務器. 地址空間是以一組用引用形式連接起來的節點構成的網狀結構, 節點是一個實際設備在地址空間中的映射, 節點包括了屬性和引用. 地址空間為不同的實際設備提供了一個統一的抽象模型, 利用這個統一的模型, 便于對節點進行管理, 并以統一的形式對服務集進行訪問. 同時基于引用可以通過基本的節點搭建出復雜的節點模型, 滿足實際設備多樣性的描述需求[10].

典型的客戶端及服務器體系結構如圖1 所示.客戶端首先通過自身的接口與客戶端通信棧交互, 客戶端通信棧再把消息傳達給服務器通信棧, 服務器調用相應的服務集(如節點管理服務集、監視服務集等)對服務器端通信棧傳入的請求進行分析處理, 對網狀結構的地址空間進行相應查詢、操作, 最后將結果傳遞回客戶端.

圖1 OPC UA客戶端/服務器體系結構Fig.1 OPC UA client / server architecture

4 基于MTConnect刀具加工過程的

實時監控通信架構與信息模型

4.1基于MTConnect的實時通信架構

基于客戶端/服務器模式, MTConnect通過HTTP請求與應答機制實現XML格式數據的交互. MTConnect通信體系由客戶端和代理兩個部分組成, 由于目前大多數數控機床廠家還未設計出針對MTConnect標準的數據采集接口, 故需要專門定制適配器作為數據轉換單元對目前采集接口的復用與擴展.

MTConnect基礎通信架構如圖2所示.由圖2可知，作為MTConnect的核心, 代理同時從多個不同數據源獲取數據, 各傳統接口采集的數據經過代理按照統一的信息模型進行編碼, 整合成符合標準規定的XML報文形式, 一個代理可以同時儲存多個數控系統信息, 通過不同數控系統的適配器IP地址進行區分. 代理將滿足MTConnect標準的數據保存在一個適當的緩沖存儲器中并為網絡提供接口, 等待應用程序提出讀取請求[11]. 緩沖存儲器內只存儲一定數量的數據信息, 以一種類似隊列的形式增刪數據. 數控系統的數據采集通過客戶端與代理間的請求/應答實現, 當應用程序向代理提出數據請求, 代理將返回相應XML數據流. 客戶端查詢請求由適配器IP、查詢類型及查詢約束組成, 其中查詢類型主要有probe、current、sample、asset 4種基本類型, 除此之外還有debug、version、store sample等查詢類型. 針對客戶端不同類型的查詢請求, 代理會返回4種XML數據流包括MTConnect Devices、 MTConnect Streams、 MTConnect Error、 MTConnect Assets.

圖2 MTConnect基礎通信架構Fig.2 MTConnect basic communication architecture

MTConnect只規定了機床工具數據的存儲規范, 而不做完全的標準約束, 即如果監控需求有變動, 開發者無需對源程序做太大改動，而只需更換一個滿足MTConnect語義要求的本地化設備參數描述文件, 以往的互聯程序如OPC UA則必須修改地址空間內數據的存儲結構, 所以MTConnect具有更好的通用性和靈活性.

與加工緊密相關的信息包括機床型號、主軸運行信息(轉速、加速度、驅動功率)、在制品信息、當前刀具號和刀具長度等, 按照不同變化頻率信息可以被分為連續型數據和非連續型數據兩種. 連續型數據(采樣型, 如xyz軸坐標值、主軸驅動功率等)變化頻率較高, 數值類型為實數. 而非連續型數據又可被分為狀態型和事件型兩種, 狀態型用于描述開關狀態和邏輯值, 事件型則用于描述取值跳變的狀態, 如加工程序名、主軸運轉模式以及報警信息等.

對于各種異構數據源的分類存儲必須解決信息間共有部分和差異部分的存儲問題, 目前對于數據共有部分的標準化研究已有很多, 但對于數據差異部分的標準化描述則缺少可行的規則. 采用一種面向對象的層次化數據模型來描述數控機床繁雜的異構信息, 針對各機床共有參數的描述，以MTConnect Devices數據流的形式存儲各機床設備及主要組件數據. 對于差異部分的參數描述, 引入資產概念. 資產雖不屬于設備本身的組件, 但在機床加工周期中需要用到, 與加工過程密切相關, 在不影響機床功能情況下可以移除, 刀具就是一種典型的機床資產[12]. 刀具磨損對機床實時數據以及在制品表面質量影響極大, 若按照常規組件的分類方法進行分類, 數據的邏輯關聯性較差, 采用ISO 13399《切削刀具數據的表達與交換》對數控刀具進行標準化描述. 該標準規定了用于識別和描述切削刀具組件的數字代碼的通用格式, 采用具有相同含義的相同術語和數字以減少模糊性[12]. 本文在MTConnect原有機床數據模型基礎上重新構建機床、刀具、在制品信息模型, 以滿足實際加工過程監控需求.

按照MTConnect Devices_1.3_1.0.xsd構造的一臺配備西門子840D型數控系統的DMG數控加工中心信息模型如圖3所示. DMG機床作為一個設備由軸組件、控制器組件和系統組件三部分組成. 其中, 控制器組件包含機床此時正在使用的刀具和在制品的索引, 用于關聯查詢機床本體以外的刀具、在制品資產的詳細信息.

圖3 DMG數控銑床數據存儲結構模型Fig.3 Data storage structure model of DMG NC milling machine

如圖4所示為本系統構建的刀具信息存儲模型. 為了檢測刀具生命周期, 模型把刀具信息分為兩部分描述, 即Description和Cutting Tool Life Cycle, 綜合了機床在線數據和刀具數據庫數據, 按照ISO 13399重點對刀具的生命周期進行描述.

圖4 數控銑刀刀具數據存儲結構模型Fig.4 Data storage structure model of NC milling cutter

按照MTConnect對資產的定義, 在制品應屬于資產類型, 但現有的協議內還沒有一套在制品信息的定義規則, 因此，本文依照資產定義規則構造了一個關于在制品信息的資產數據模型, 如圖5所示.在制品的描述圍繞加工工藝展開, 將每個工序結束后的在線檢測數據關聯到具體的工序, 同一機床上加工所需的NC程序段只需與相應的工步對應即可, 同一工序的工步可能會涉及到不同機床, 缺失的部分工步信息在后續機床加工后再填充到在制品模型內.

圖5 在制品數據存儲結構模型Fig.5 Work in product data storage model

5 實例與分析

本文系統針對配備了SIEMENS 840D型數控系統的DMG數控加工中心, 對某航天鈦合金薄壁件進行多品種小批量的銑削加工過程進行監控. 840 D型數控系統數據采集流程如圖6所示, 其中, 機床-在制品-刀具構成的異構信息源是系統進行數據采集的對象.

圖6 數控機床數據采集流程Fig.6 Data acquisition process of NC machine tool

基于. NET平臺實現OPC基金會提供的WCF客戶端工具包封裝接口, 通過OPC UA訂閱方式通過Add Data Monitored Item方法設定數據采樣間隔和顯示間隔并建立監控項, 采集西門子840D型數控系統OPC UA的服務器模塊數據. MTConnect客戶端與機床設備間的具體交互過程如下所述.

(1) MTConnect客戶端向OPC UA服務器發送監控請求, 通過OPC UA服務器接口發送給預定, 當預定制定的監視項探測到數據變化或者事件/警報發生時, 監視項生成的一個通知(比如報警、數據值變化、事件和程序的執行結果) 發送給預定[13], 由預定發送到Adapter中整合成MTConnect標準信息并緩存在Agent中;

(2) MTConnect客戶端發送URL服務請求, 前端PC偵聽到請求后, 根據請求類型把緩存在Agent中經過Adapter適配后的相關類型的實時變化數據不斷反饋給客戶端并顯示.

然而, 刀具、零件部分離線信息, 如刀具制造商、刃數、材料等，以及完全離線的在制品信息如規格尺寸、加工工序、質量檢測數據等, 無法通過OPC UA讀取, 只能從現有數據庫中讀取或從管理界面人工輸入獲得. 從OPC UA服務模塊可以讀取出數控系統報警內容、NC程序名、已加工時長、已加工代碼行數、主軸轉速、主軸功率、刀具號、刀具長度、刀具半徑等信息, 當數據發生變化立即觸發Client. Data Item Changed事件. 通過構建的轉換單元UA Client Adapter把變化數據綁定到本地的事先配置好的DMC1035v. xml文件上, 根據數據項ID與XML文件內各字段匹配關聯形成一個個XML數據流暫存在Agent緩沖區中, Agent啟動前需要配置好agent. cfg配置文件中監控設備的IP及端口號信息. 每個監控數據項需定義一個能被代理識別的符合本地XML文件內部定義的ID, 代理不斷偵聽來自客戶端的數據請求, 一旦收到請求代理會把相應緩沖區內的XML數據流通過網絡發送回客戶端. 通過增設的UA Client Adapter單元實現OPC基金會的WCF客戶端工具到佐治亞理工大學研發的dot_net_sdk工具包[14]的橋接, 完成了數控系統、刀具、零件數據庫數據的轉換.

以往以數據為中心的關系型數據庫存儲模式, 數據結構相對規整, 數據粒度精細, 而XML可充斥各種混合內容, 加之以各種標簽關聯信息, 對于機器和人都具有可讀性.

為了方便管理人員的直觀監控, 針對XML文件設計的數控系統XML數據解析后的可視化界面, 如圖7所示.

6 結 語

為了實現對數控加工過程實時、有效、便捷的監控, 本文提出一種基于MTConnect的在線數控系統刀具監控方法， 成功讀取了數控系統OPC UA服務模塊內所需數據源, 去除了大量冗余數據, 綜合考慮機床、在制品、刀具三方面因素后重構了標準化的銑削加工過程數據模型. 試驗表明, 該系統可以實時地對數控機床加工過程進行有效監控.

OPC數據支持寫入權限正好彌補了MTConnect現階段只能遠程顯示而不能控制的缺陷. 但目前MTConnect對刀具參數的描述還不包MTConnect現階段只能遠程顯示而不能控制的缺陷. 但目前MTConnect對刀具參數的描述還不包括詳細的分級分類結構, 只規定了可能出現在制造商工具目錄中的個別規格的標準格式, 所以對刀具的標準化模型還不夠豐富. 相信在不久的將來OPC UA-MTConnect的模式會像各個廠家的智能手機都配備藍牙功能一樣廣泛地融入工業自動化設備中, 成為不可缺少的功能之一.

圖7 OPC UA-MTConnect可視化界面Fig.7 Visual interface of OPC UA-MTConnect

[1] 彭瑜. 智慧工廠/智慧制造系統的核心標準和關鍵技術[EB/OL]. (2016-05-17)[2016-09-20]. http: //mp. weixin. qq. com/s? biz=MzA3MTA3MDQwMA==&mid=2651270586&idx=1&sn=c3106b0ac1fd83807655f7302925c180&scene=5&srcid=0517NCIPQwygQZEdsISldLe8#rd.

[2] 沈斌, 齊黨進, 樊留群, 等. 基于面向服務體系結構的制造企業協同化工程支持技術[J]. 計算機集成制造系統， 2011(4): 876-881.

[3] 原紅麗, 呂靜, 劉楓. 基于OPC UA客戶端/服務器的現場設備集成[J]. 西南師范大學學報(自然科學版)， 2012，37(3): 141-145.

[4] THANH T N T, QUYET T H. Development of an OPC UA SDK based WCF technology and its deployment for environmental monitoring applications[J]. Context-Aware Systems and Applications, 2013,109: 347-356.

[5] MTConnect Institute FANUCFA America, Georgia Tech Factory Information Systems Lab．MTConnectStandard[EB/OL]. http: //www. MTconnect. org/getting-started/developers/standards. Aspx, 2012.

[6] Vijayaraghavana A, Dornfeldb D. Automated energy monitoring of machine tools[J]. Annals of the CIRP, 2010, 59(1): 21-24.

[7] 劉日良, 張承瑞, 姜宇, 等. 基于MTConnect的數控機床網絡化監控技術[J]. 計算機集成制造系統, 2013(5): 1078-1084.

[8] 陸小虎, 于東, 胡毅, 等. 基于Agent的數控系統信息集成方法[J]. 吉林大學學報(工學版), 2015,45(6): 1980-1986.

[9] 盧林, 于東, 胡毅, 等. 開放式數控系統網絡接口技術研究[J]. 小型微型計算機系統, 2015(3): 621-626.

[10] 孫建華. OPC UA服務器數據管理與訂閱功能模塊研究與開發[D]. 北京: 華北電力大學控制與計算機工程學院, 2011: 65.

[11] The Association For Manufacturing Technology.MTConnectStan-dardPart4. 0- AssetsVersion1. 3. 0[EB/OL]. [2014-9-30] http: //static1. squarespace. com/static/54011775e4b0bc1fe0-fb8494/t/557f290fe4b09b7d71fc6c52/1434396943780/mtc_part_4_assets_v1. 3. pdf.

[12] 姜宇. 基于MTConnect的數控機床監測系統研究[D]. 濟南: 山東大學機械工程學院, 2012: 98.

[13] 蘇延召, 李艾華. 基于OPC UA的自動化系統集成技術研究[J]. 測控技術, 2011, 30(3): 68-71.

[14] Georgia Institute of Technology. MTConnect .NET Agent Software Development Kit. http: //www. mtconnect. org: 2009.

(責任編輯:杜佳)

OnlineMonitoringMethodforReal-TimeCuttingProcessBasedonMTConnect

YUANGuangchao,BAOJinsong,ZHENGXiaohu

(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Extensive interconnection and interoperability among manufacturing equipment are an important prerequisite for the realization of extensive association. It is the focus of the current research to monitor the NC(numerical control) system in real time, and collect the relevant processing data of the NC system, the geometric parameters of the cutting tools and the quality of the parts. NC system is connected via OPC(object linking and embedding for process control) UA(unified architecture). Then, the real-time monitoring system of "Adapter-Agent" universal CNC(computer numerical control) system based on MTConnect is established. The real-time monitoring data model, communication framework and access strategy are studied. Meanwhile, a prototype system is developed for real-time monitoring in the actual process of a thin-wall part of aircraft. The system can implement the processing data and off-line data integrated visual expression, and verify the validity of the information integration method of CNC system of the proposed data model, the scalable model can implement a clear expression of the processing elements.

NC machine tools; OPC UA; MTConnect; tool monitoring

TP 391

A

1671-0444 (2017)04-0503-07

2017-02-22

國家自然科學基金資助項目(51475301)

袁廣超(1993—)，男，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向為智能制造與測控. E-mail: 937601471@qq.com

鮑勁松(聯系人)，男，副教授，E-mail: bao@dhu.edu.cn