王 標，楊 艷，胡天亮，張承瑞

(1.山東大學 a.機械工程學院；b.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南 250061；2.山東大學 蘇州研究院，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

隨著中國制造業升級和《中國制造2025》的提出，智能制造得到重點推進，而智能制造的基礎是實現車間內信息的互聯互通[1]。現今，車間內設備以數控機床為主，相關學者已對數控機床的監控開展了許多研究，在單臺數控系統監控方面，有通過硬件[2]、嵌入式單元[3]、商業通信軟件[4]等形式采集數據；在數控系統的群控方面，有對于同種開放式數控系統的監控[5]、基于OPC協議的控制系統聯網[6]等。然而研究中未能有效實現將異構數控系統的監控柔性化、標準化，系統無法實現快速部署，可擴展性不強。

為解決此問題，本文根據MTConnect通信協議具有的標準化語義、輕量級等特點[7-9]，研究了基于MTConnect的具有高效性、開放性的柔性適配器，解決了由于各機床接口、通信協議不盡相同，異構控制系統在同一監控網絡下集成困難的問題；并提出了異構數控系統的監控方案，最后在某車企制造車間進行了應用驗證。

1 柔性適配器設計

MTConnect標準架構包含兩個元素：適配器(Adapter)和代理(Agent)。適配器將設備數據“翻譯”為標準格式，添加時間戳和標識符并封裝成報文，然后發送到代理；代理存儲數據，并將它們以XML格式發給客戶端[7]。圖1說明了體系結構元素之間的關系。

圖1 MTConnect體系結構

本文設計的柔性適配器可以兼容傳統信息采集接口，集成設備使用的不同通信協議，并進行協議解析與轉換，具有高兼容性和高拓展性。柔性適配器的架構如圖2所示。

圖2 柔性適配器架構

因為不同設備采用不同的數據格式和通信協議，所以要開發不同的通信驅動來支持適配器數據采集的功能，本文將通信驅動封裝成動態鏈接庫，只要動態庫支持柔性驅動接口，通信驅動就可以識別并加載到內存中。通過這種模式柔性適配器就可以訪問現場設備信息。

為保證系統的高擴展性，利用面向對象的程序設計思想，將柔性適配器分為Adapter類、DataItem類、Asset類、Interface類。Adapter類的功能包括Socket通信、心跳機制、對數據項的整合以及數據項的發送等，Adapter類函數示例見表1。DataItem類則按照MTConnect標準定義了事件(Events)、采樣(Samples)、條件(Conditions)、信息(Messages)、時間序列(Time Series)，形成封裝好的數據項類型，可以保證完整的數據項映射。柔性驅動接口類(Interface)的作用是對通信協議進行適配，保證適配器的可擴展性和通用性。通信驅動是指由機床廠家提供或用戶自行封裝的可用于采集設備數據的DLL(動態鏈接庫)，將其中相關的API(應用程序編程接口)添加到柔性適配器的對應接口中，即可實現對設備的監控。

柔性適配器處理流程如下：

(1) 適配器通過查詢控制器來發現路徑并確定設備配置信息，將代理端的配置信息與適配器端相匹配；

(2) 數據項映射，利用柔性驅動接口讀取動態庫，并將數據轉換成統一數據格式；

(3) 設置設備端的端口號，打開適配器；

(4) 設置數據采集時間間隔，定時采集數據；

(5) 適配器向代理端發送數據。

Adapter類提供的部分函數功能：

表1 Adapter類函數示例

1.1 柔性驅動接口設計

柔性接口將通信驅動中的函數進行封裝，包括通用的對于設備的連接與斷開、配置、初始化、獲取數據、重連、開始、結束等操作，還有保留的未定義函數接口，用于特殊情況的擴展；并將采集上來數據轉換成DataItem類中的統一數據格式。該接口主要包含的函數見表2。

表2 接口函數示例

1.2 數據項映射實現

首先為要監視的每個數據分類為MTConnect標準數據類型中的一種，并創建數據項，以采集坐標信息為例：

(1) 新建數據項，根據坐標信息的性質，將其劃分為Sample類數據，新建Sample對象，Sample中包括語義與值的對應，“position”是該數值的語義，添加到數據項集中；

Sample mPosition = new Sample("position");

mAdapter.AddDataItem(mPosition);

(2) 將數據采集協議中的對應坐標采集的函數添加到柔性接口類中的獲取數據接口中以實現采集原始數據；

(3) 采集到的坐標數據都會對應于“position”這個語義，將語義、數值及時間戳的組合被封裝成一個報文，發送到代理端。

mAdapter.SendChanged( )。

2 柔性適配器應用策略研究

柔性適配器適用于車間的數控機床、機器人等，當添加新的設備類型時，設計人員需要封裝一個與此柔性驅動接口函數一致的動態鏈接庫，并添加到適配器軟件的Drivers文件中，適配器就可以識別加載該動態鏈接庫，經過簡單的配置就能實現監控。

2.1 針對通用控制器接口的應用

目前機床的通信接口可分為PLC上I/O接口、串口和以太網口三種。以下將針對此三種類型介紹本文設計的柔性適配器的應用策略。

2.1.1 PLC信號點采集

利用數據采集模塊從PLC采集I/O點，再通過網口傳輸模塊與柔性適配器相聯。采集卡提供驅動程序以及SDK(Software Development Kit)函數接口，調用這些函數即可實現將模擬量輸入轉化為數字量輸出的功能，將I/O信號解析后送到柔性適配器中。將SDK中的函數針對柔性適配器中的接口進行二次封裝，生成動態鏈接庫并添加到柔性適配器中，即可直接通過柔性適配器采集PLC中的數據。

2.1.2 串口通信轉換

通過串口服務器可實現串口轉網絡的功能，其按照串口數據流的形式采集數據，并將數據轉換成符合TCP/IP協議的數據包在以太網中傳播，從而將串口通信設備轉換為以太網口的方式采集數據。

2.1.3 以太網口數據采集

具有以太網口的機床采集方法更加多樣化，目前數控系統的主要廠商都以提供API的方式，通過以太網或串口進行通信。由于各廠商通信接口不一致，所以需要按照柔性適配器中接口的規則，定義相同的接口，嵌入這個接口文件，就可在柔性適配器中使用這些函數實現數據采集。

2.2 針對OPC接口的應用

對于已經支持OPC規范但是不支持MTConnect協議的設備，例如車間機器人或者一些非標數控機床，柔性適配器可實現對于OPC規范的集成。OPC服務器中的命名空間與MTConnect中的設備信息模型功能相似，當其數據類型映射到MTConnect數據字典時， 將OPC數據類型轉換為MTConnect中數據結構的類型，同時為OPC枚舉類型的子類型創建所有枚舉。方法如下：

(1) 建立OPC服務器項

建立IOPCServer接口類型的服務器項，用于采集OPC服務器中的信息。IOPCServer接口中的方法可以獲取OPCServer的狀態信息、OPC的組對象，其中OPC所采集的所有進程變量OPCItem都保存在組對象中。

(2) 建立OPCItem類，包含OPC命名空間中的主要數據項屬性

由于OPC中的數據項統一采用VARIANT型表示，通過使用OPCItem類將其中的數據類型按照MTConnect的數據字典區分開；同時在適配器中建立DeviceDatum類，使之包含所有OPC協議轉為MTConnect協議的數據類型。

(3) 選擇想要采集的數據，建立新的數據項

通過AddDataItem函數將數據映射到數據項組中，完成OPC協議到MTConnect協議的轉換。

(4) 將從機床獲取數據的接口統一添加到通用的獲取數據接口，采用訂閱式的數據訪問方式，當服務器中數據發生改變后，就會觸發并傳回變化的句柄和數據，再通過SendChanged方法將數據項集發送到代理端。

3 車間監控系統開發與功能驗證

本文基于MTConnect的異構數控系統聯網方案開發了網絡監控系統，并成功應用于某汽車企業的機械加工車間，該車間布置的主要是Fanuc31i與西門子840D兩種數控系統的設備，現場如圖3所示。對每臺機床配置一個柔性適配器，整個車間配置一個代理服務器，客戶端與代理使用MTConnect協會提供的開發包進行設計。

圖3 車間現場

3.1 系統結構設計

監控系統的結構如圖4所示，柔性適配器從數控系統中采集數據然后轉換為MTConnect統一數據格式，發送到代理；工程中運行著一個數據庫，用作保存歷史數據。在客戶端層面，應用程序具有與代理聯系的URI(Uniform Resource Identifier)，數據的交互通過請求與應答機制實現[7]。首先客戶端發送probe指令來獲取設備的描述信息，包括設備組件的結構和其可用數據信息，然后客戶端可發送current指令來獲得最新的數據項。

圖4 監控方案結構

3.2 Fanuc系統在監控網絡的集成

3.2.1 連接機床數控系統

(1) 機床數控系統的連接

采用Fanuc公司提供的動態鏈接庫-FOCAS (Fanuc Open CNC API Specifications)，將Fwlib32.dll中的連接函數cnc_allclibhndl3加入適配器柔性驅動接口中的Connect函數中，建立通信鏈路并返回通信句柄，通信句柄將伴隨整個通信過程，直到應用程序通過調用函數cnc_freelibhndl斷開通信鏈路。

(2) 柔性適配器配置

在適配器柔性接口的Configure函數中，FOCAS庫函數中通過cnc_getpath來獲取機床的所有路徑，然后加入到柔性適配器中控制的path類。

3.2.2 數據采集與映射

首先根據要采集的數據類型新建數據項，加入到數據項組中，將FOCAS中的采集數據方法添加到GatherDeviceData方法內，以采集數控程序為例：

(1) 新建數據項，定義為Event類型；

(2) 通過AddDataItem(DataItem di)函數加入到數據項組中；

(3) 通過FOCAS中的cnc_rdexecprog( )獲取到正在運行的程序數據，再通過Event類的SetValue方法將程序內容填充到數據流stream中；

(4) 將獲取數據的方法加入到通用的獲取數據接口GatherDeviceData( )，再通過SendChanged( )方法將數據項集發送到代理端。

3.3 集成西門子系統

在西門子840D系統中配有OPC服務器，適配器可以采集OPC服務器中的數據并轉換為MTConnect協議標準的數據。本文采用了OPC基金會提供的自動化接口-OPCDAAuto.dll動態庫，可實現對于OPC服務器的訪問功能，使用OPCServer類、OPCGroup類、ItemValue類來分別實現了OPC中Server對象、Group對象和Item對象。

OPC與MTConnect數據映射：

(1) 建立OPC服務器對象；

OPCServer mOPCServer=new OPCServer();

(2) 連接到OPC服務器；

mOPCServer.Connect(”OPC.SINUMERIK.Machineswitch”);

其中，OPC.SINUMERIK.Machineswitch為西門子840D數控系統中OPC服務器的CLSID標識。

(3) 在服務器對象下添加OPC組對象；

OPCGroups mOPCGroups= mOPCServer.OPCGroups;

(4) 建立項對象并向各組添加項，舉例：

AddDataItem (mProgramName = new COPCItem(mOPCServer, ProgramName)); //程序名

AddDataItem (mWarningStatus = new COPCItem(mOPCServer, WarningStatus)); //報警狀態

(5) 采用訂閱式的數據獲取，再將數據項集發送到代理端。

mOPCGroups.IsActive=true;

mOPCGroups.IsSubscribed=true;

SendChanged()。

3.4 監控系統實現

基于上述方法實現車間監控系統，客戶端程序采用C#語言編寫，其中包含MTConnect客戶端的軟件模塊，該模塊啟動對MTConnect數據的所有請求。客戶端能同時實現多個數控設備的監控，單擊需要查看的設備，即能彈出對應數控設備的監控界面。監控內容包括數控系統的坐標、進給速度、主軸速率、程序名、運行模式等，在某一時刻客戶端得到如圖5、圖6所示的運行結果。

圖5 車間監控系統界面(安裝Fanuc31i數控系統的機床信息)

圖6 車間監控系統界面(西門子840D數控系統機床信息)

通過與當前時刻各數控系統顯示的實時數據進行比較驗證，結果表明該系統能夠準確地獲取聯網機床的運行信息，用戶根據顯示信息可遠程判斷數控機床的運行狀況，準確定位故障發生的部位，證實了方案的可行性；同時，柔性適配器簡化了機床的信息采集過程，讓監控系統中異構設備的添加快速高效，標準的信息模型保證了數據的正確性，為實現數字化車間奠定了基礎。

4 結論

本文針對目前車間信息化過程中存在的問題，基于MTConnect協議設計了具有高擴展性的柔性適配器，并標準化機床的信息訪問方法，降低了適配器軟件的開發和硬件通信驅動開發的耦合度，提高程序開發的效率；同時提出了異構數控系統監控方案，并成功應用在某汽車制造企業的自動化管理系統中，完成了對于異構數控系統運行數據的有效采集，實現設備監控和集中管理，提高了企業的管理效率。此外，由于MTConnect作為各種機床平臺的標準接口，因此可以使用相同的軟件工具集來捕獲不同機床類型的信息，這進一步減少了在工廠環境中實施的開發和部署時間。