Agent(代理)是本文方法的核心, 采集机床信息并以统一的信息模型进行编码, 通过网络服务的形式提供数控设备的状态信息, 实现机床信息的网络集成。Agent由数据采集层、数据处理层、应用服务层组成, 如图1所示。数据采集层采集并存储设备的识别信息、设备中的部件信息、设备的特性信息以及设备中产生的实时数据等。数据处理层使用本文提出的信息模型对不同系统信息进行建模, 同时将信息进行打包, 为应用服务层提供数据报文。应用服务层通过响应请求的机制, 使用HTTP方式发布数控系统的数据, 提供从设备到车间更高级别的系统数据交换能力。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 Agent的结构Fig.1 Architecture of agent

现有的生产车间环境中的数控系统可以分为三种类型, 第一类属于开放式数控系统, 这一类系统具有结构开放的特性, 可以方便地增加功能模块; 第二类数控系统不属于开放式数控系统, 但是这一类数控系统可以通过厂商提供的软硬件方案实现信息的获取; 第三类数控系统不属于开放式数控系统, 同时也不具备直接信息获取的能力。对于开放式的数控系统, 将代理作为一个独立的扩展模块集成在数控系统中, 实现数控系统本身数据向信息模型的转换, 同时利用数控系统本身的网络硬件将转换之后的信息接入网络, 如图2中的方式1。针对结构不开放但能提供数据采集方法的数控系统, 通过一个专门的适配器采集数控系统的信息, 包括协议转换, 然后代理将适配器采集到的数据按照信息模型转换之后接入网络, 如图2中的方式2。针对不能提供信息采集接口的数控系统, 通过在机床上部署传感器, 结合适配器和代理实现机床信息的采集, 如图2中的方式3。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 信息采集方式Fig.2 Information acquisition methods

设备的运行状态是一个非常复杂的概念, 设备运行状态描述涉及到大量的传感器信息。本文使用一种面向对象的层次化方法对机床信息集成所需的异构信息进行建模。数据项和组件是信息模型的基础。数据项是用来描述机床最基本的信息单元的四元组, 包括数据项的编号、名称、单位以及采集方式和约束信息等。在机床的信息模型中, 用不同的数据项实例对机床信息进行封装。信息模型使用采样型的数据项描述机床信息中连续变化的物理量, 包括所有机床中连续变化的监控信息, 例如刀具位置、温度信息等; 使用事件型的数据项来描述机床的离散信息, 包括机床的开关量、逻辑值等; 使用状态型的数据项来描述机床的错误信息和报警信息等。

信息模型通过数据项表示单个物理量, 信息模型通过组件和组件之间的嵌套关系描述机床的结构特征和功能特征。组件将与功能相关的数据项封装在一起, 使具有逻辑关系的数据项形成机床的功能单元。组件包括了组件属性、组件所包含的数据项、组件的配置信息以及组件所包含的子组件等信息。组件表示信息模型中机床信息的组织方式, 组件实例代表机床的功能单元。典型的组件实例包括有轴类型、控制器类型、安全门类型等。其中轴类型是所有具有旋转和直线运动的设备组件集合。

Agent是本文方法的基础, 完成机床信息的格式化, 为机床信息网络化提供统一的接口。每一个Agent都对应一台数控系统, 具有一个固定的IP地址。本文采用XML语言来实现数控系统的信息模型。由于XML语言具有良好的结构性、可扩展性和自描述性, 在进行信息集成的过程中, 不需要预先定义信息的结构。

Agent和应用之间以http传输协议为基础, 基于请求/应答的方式的信息集成流程如下:首先向数控机床的代理发送一个NC_probe请求, 从返回的NC_Device文件中获得描述数控系统设备的和组件信息; 然后根据实际的需求选择NC_Sample请求或者是NC_Current请求, 从返回的NC_Stream文件中获取数控系统的状态信息, 请求和响应如图3所示。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 Agent与应用的通信机制Fig.3 Communication mechanism between Agent and application

本文试验的车间环境中, 有西门子系统, Fanuc系统和自主知识产权的系统开发式数控系统。分别采用以下3种方式实现这3种设备的网络接入:①在具有数据采集接口的Fanuc数控系统外加一个代理装置, 该装置按照数据采集接口采集Fanuc系统的状态信息, 并且进行转换, 然后将信息接入车间网络; ②在没有数据采集接口的西门子系统, 通过在机床上增加传感器和适配的方式实现机床的状态信息的采集, 然后通过代理实现这部分信息的网络接入; ③在具有自主知识产权的开放式数控系统中, 添加一个独立的代理模块, 以访问共享内存的形式采集数控系统的信息, 然后按照信息模型对数控系统信息进行转换, 然后发送到车间网络。

车间的数控设备包括车床、铣床和桁架机器人, 根据车间数据可视化的需求, 对车间的数控系统进行建模。图4为监控中一个铣床的信息模型, 该铣床的名称为GJ-301M, 结构上具有一个主轴和3个伺服轴, 每个轴上都有4个数据项。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 铣床信息模型Fig.4 Information model of milling machine

在车间联网监控和管理系统中, 给每台被监控的数控系统分配IP地址。车间监控和管理系统首先向IP地址绑定的Agent发送NC_Probe请求, Agent接收到请求之后查询到数控系统的结构信息。然后管理系统通过NC_Current请求获取数控系统的状态数据。监控管理系统通过分析信息模型中采样类数据, 实时地显示设备的加工信息, 包括系统的主轴信息、坐标轴位置信息等, 实现加工过程的可视化, 如图5所示。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 车间管理信息系统Fig.5 Workshop information management system

监控系统的设备效率统计模块通过查询机床数据模型中的condition类型数据计算机床处于各种状态的时间, 统计出机床在一段时间内的利用率, 提供给管理层进行决策。故障统计和分析系统中的设备报警管理模块通过对机床信息模型中的event类型数据进行统计分析, 对机床中已经发生的异常或者是潜在异常事件进行统计, 直观地反应机床的健康状态, 为机床的维护提供依据, 如图6所示。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 设备报警管理模块Fig.6 Device alert managment module