基于MTConnect協議的數控機床數據采集方法

唐霞，邢嘉路，劉歡連

(1. 無錫科技職業學院，江蘇 無錫 214028； 2. 東南大學 機械工程學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

傳統的制造企業結構相對固定，產品類型單一，管理方式落后，這種管理模式已經不能適應目前個性化、小批量的市場要求[1]。數控機床作為離散型企業制造車間中最基礎也是最重要的制造單元[2]，與現代制造企業的運營有著極其密切的聯系，其性能對于整個企業的生產效率有著重要的影響。現代數控機床是集成了機械制造、計算機、自動控制、傳感器、信息處理等多種技術的一種靈活的、通用的自動化制造設備[3]，對車間中數控機床進行數據采集與監控管理，對于整個制造車間乃至整個企業的管理具有重要意義。

1 數控機床設備信息模型構建

要實現數控機床數據采集，首先需要對機床設備信息模型進行構建。本文以目標車間中三軸數控機床為例，基于MTConnect最新1.3.1標準構建設備信息模型。設備信息模型是對設備各類特性的描述，也是對物理空間中的設備在信息空間中的一個映射，通過設備信息模型能夠對物理空間中的設備在信息空間中進行還原，具體的信息包括：

1) 設備基本信息：包括設備ID、設備名稱、設備類型等信息；

2) 設備固件信息：包括執行器、控制器、傳感器等組成設備的固件信息；

3) 設備參數：包括軸數、行程、最大速度等設備的特性參數；

4) 實時數據：包括位置、狀態、轉速、進給、負載、報警信息等機床運行過程中產生的實時數據。

本文根據MTConnect標準，針對車間數控機床數據采集需求及機床的構成組件，建立了目標車間數控機床設備信息模型，如圖1所示。圖中矩形框表示的元素為DateItem元素。數控機床的設備信息模型主要包括軸、控制器和系統3個組件(component)，軸的子組件(subcomponent)包括一個旋轉軸主軸和3個進給軸X、Y、Z軸，控制器的子組件為加工路徑信息，系統的子組件為電氣系統信息。

圖1 數控機床MTConnect設備信息模型

2 數據采集適配器設計

a) 適配器與機床數據采集方法

根據MTConnect協議，適配器端負責與機床通信實現機床數據采集后發送給代理端。系統中使用FOCAS實現機床數據采集的流程，如圖2所示。

圖2 基于FOCAS機床數據采集流程

適配器端通過對FOCAS庫函數的調用實現與數控系統間的通信，其通信基于Socket進行，需要設置數控系統的IP地址和端口號，使其與計算機處于同一網段內。在軟件開發之前首先需要對機床端IP網址和子網掩碼進行設置，在機床端SYSTEM中進入以太網公共設置界面，填寫機床的IP地址，之后在FOCAS2設置界面將端口號設為8193，完成機床端TCP相關參數設置。設置完成后將FOCAS庫中Fwlib32.dll及相關的文件添加到工程中，與機床通信時系統首先調用FOCAS庫函數shortWINAPIcnc_allclibhndl3(constchar*ipaddr,unsignedshortport,longtimeout,unsignedshort*FlibHndl)獲取句柄，建立與機床的連接。其各項參數含義如下：Ipaddr為數控系統的IP地址，port為數控系統的端口號，timeout為連接時間，獲得的通信句柄存儲在FlibHndl中，當其返回值為EW_OK時表示通信建立成功，之后所有數據采集函數均通過調用該句柄實現，不同數控機床通過IP地址區分，可獲得不同的通信句柄。當連接結束時需要調用cnc_freelibhndl函數進行通信句柄的釋放，當返回EW_OK時表示句柄釋放成功。當FOCAS與機床建立連接后就能夠通過各類功能函數實現對機床的數據采集。以運動軸相對坐標位置數據采集函數為例對FOCAS機床數據采集方式進行說明。函數聲明如下：

FWLIBAPIshortWINAPIcnc_relative(unsignedshortFlibHndl,shortaxis,shortlength,ODBAXIS*relative);

其中輸入參數為FlibHndl、axis、length，FlibHndl為機床通信句柄，axis為需要讀取坐標的軸數，length為需要的數據塊長度，其計算方法為4+4×n，其中n為要采集的軸數目。其輸出參數為relative，該數據類型為一個ODBAXIS類型的結構體，要獲得坐標軸位置數據需要從該結構體中獲得，其定義如下：

typedefstructodbaxis{

shortdummy;

shorttype;

longdata[MAX_AXIS] ;

}ODBAXIS;

各軸相對位置坐標就存儲在data[MAX_AXIS]數組中，讀數組中各軸的值就能夠獲得各軸坐標。FOCAS中各功能函數的輸入輸出參數均不同，在采集不同類型的機床數據時需要根據其對應的數據采集功能函數定義，來進行逐個功能的數據采集。

b) 適配器與代理通信方法總體流程

根據MTConnect協議的規定，系統適配器Adapter與代理Agent通信采用Socket通信，其數據流格式為簡單的報文形式。Socket又稱套接字，是網絡上的兩個程序通過一個雙向的通信連接實現數據的交換，這個連接的一端稱為一個socket[4]，通過Socket能夠實現基于TCP/IP協議的網絡通信。Adapter發送的報文格式根據其數據項種類的不同可分為以下3種：

1)Sample和Event類型： | | ||，其中Timestamp為時間戳，其格式為ISO8601時間標準格式yyyy-mm-ddThh:mm:ss.ffffZ，key表示數據項的名稱，value為數據項的具體值。例如下列報文表示時間為2017-07-29T16:26:33.460470Z時X軸絕對坐標為168.423，Y軸絕對坐標為25.341：

2017-07-29T16:26:33.460470Z|Xabspos|168.423|Yabs|25.341|…。

2)Condition類型： | ||||||，其中level為Condition程度，code為設備的報警號，severity為狀態的嚴重級別，qualifier為造成Condition的范圍，text為描述Condition報警信息。

3)Message類型： | | |，其中message為信息內容。

對于一個Adapter采集多臺機床的情況，則需要在key中將設備名和數據項名稱用“·”分隔。因此在由FOCAS函數采集得到設備數據后系統將其處理成報文形式再發送給代理端，系統適配器數據采集總體流程如圖3所示，具體流程如下：

圖3 適配器數據采集總體流程

STEP1：適配器數據采集開始，讀取適配器配置文件Adapter.cfg，內容包括所有機床的名稱、IP地址、端口號，初始化適配器設備信息，建立設備列表；

STEP2：打開適配器服務器，綁定服務器地址，開始監聽等待代理連接，當代理發出連接請求后與代理建立socket連接；

STEP3：設備數據采集開始，設所有設備總數為n，建立與第i臺設備連接，連接成功后對該臺進行數據采集，遍歷所有設備；

STEP4：將所有設備數據轉換為報文格式，發送給代理，若收到“采集結束”指令則關閉服務器結束數據采集，否則繼續進行設備數據采集。

3 數據采集客戶端設計

系統代理Agent采用MTConnect協會提供的標準Agent[5]。代理與客戶端的數據交互主要通過RESTful接口實現，REST(representationalstatetransfer)定義了客戶端和代理如何對互相的通信狀態進行處理，其底層協議為HTTP協議，返回的數據采用XML進行傳輸。MTConnect代理支持probe、current、sample和asset4種類型的請求。

MTConnect客戶端可采用B/S或C/S架構，本文采用C/S架構進行客戶端開發。客戶端通過向代理發送請求獲得XML文件，解析XML節點內容就能夠獲得設備各數據項的內容。本系統客戶端工作流程如圖4所示，具體流程如下：

1) 連接數據庫，向代理發送probe請求來判斷設備的狀態，如果設備狀態為“AVAILABLE”則說明設備連接正常，可進行下一步數據請求，否則結束采集；

2) 向代理發送current請求，獲得設備的當前狀態數據，保存該xml文件為stream.xml；

3) 解析stream.xml，獲得各個元素對應的數據項名稱和值，保存到數據庫對應的表中；

4) 更新用戶界面控件顯示，若收到“采集結束”指令則結束采集，否則繼續發送current請求進行數據采集。

圖4 客戶端工作流程

4 數據采集監控模塊開發及運行實例

信息采集模塊界面主要包括機床列表對車間設備狀態進行總覽，如圖5所示，可以實現對機床狀態監控、數據庫連接管理、機床管理、各機床實時數據監控等功能。機床列表界面對機床編號、IP地址、名稱、加工狀態、急停狀態、報警狀態進行實時監控顯示。

圖5 信息采集界面

對于單個機床監控功能通過雙擊機床列表中對應的機床進入，單個機床監控界面如圖6和圖7所示，包括加工狀態、主軸控制、NC程序、參數設置、報警信息和系統信息6個類型，能夠實現對機床各類型信息的全面詳細監控。

圖6 單個設備監控

圖7 主軸控制監控界面

系統的部分系統監控界面與運行實例對比，如圖8、圖9所示，其中圖9(a)為監控系統界面顯示，圖9(b)為數控機床HMI顯示，可以看出系統能夠對機床數據進行準確地實時采集。

圖8 報警信息監控實例

5 結語

介紹了機床數據采集的基礎技術MTConnect通信協議和FOCAS數據采集開發包，構建了數控機床設備信息模型；基于FOCAS實現了數據采集適配器設計，并完成了數據采集客戶端設計。

圖9 參數設置監控實例