智能制造產(chǎn)線(xiàn)異構(gòu)設(shè)備通信研究

張 帥

(上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201325)

0 引言

隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)都迎來(lái)了急劇的變革，在智能制造生產(chǎn)線(xiàn)構(gòu)建與集成中，經(jīng)常面臨到需要將完全不同的設(shè)備集成在一起，互相通信，協(xié)同工作，而這些設(shè)備大多在不同時(shí)期，根據(jù)不同目的研發(fā)推出，甚至多數(shù)設(shè)備僅被設(shè)計(jì)用來(lái)進(jìn)行單機(jī)運(yùn)行，這就為異構(gòu)設(shè)備互聯(lián)通信帶來(lái)極大地阻礙。設(shè)備互聯(lián)互通是智能制造產(chǎn)線(xiàn)的一項(xiàng)必要條件，研究異構(gòu)設(shè)備通信技術(shù)對(duì)于智能制造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

文獻(xiàn)以MES系統(tǒng)為切入點(diǎn)對(duì)制造產(chǎn)線(xiàn)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)明地分析，其中對(duì)于控制層的分析中，講到了異構(gòu)設(shè)備采用各種協(xié)議進(jìn)行互聯(lián)互通，卻并未繼續(xù)深入研究。文獻(xiàn)中針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)基于數(shù)據(jù)交換服務(wù)器對(duì)異構(gòu)設(shè)備通信進(jìn)行了研究與仿真，但未能進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

本文依托于公司內(nèi)智能機(jī)加生產(chǎn)線(xiàn)建造集成項(xiàng)目，以其中的智能測(cè)量單元為對(duì)象，建立工作流程與通信協(xié)議，為三坐標(biāo)與產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的通信提供一種途徑，實(shí)現(xiàn)多種零件的自動(dòng)上下料與自動(dòng)測(cè)量。

1 智能測(cè)量單元概述

一條基礎(chǔ)的智能機(jī)加生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)當(dāng)包括存儲(chǔ)單元，機(jī)加單元，測(cè)量單元，物流單元。設(shè)備組成包括立體庫(kù)，數(shù)控銑床，工業(yè)機(jī)器人，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。本次研究生產(chǎn)線(xiàn)中智能測(cè)量單元?jiǎng)t由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)承擔(dān)，由工業(yè)機(jī)器人完成工件的自動(dòng)上下料，工件來(lái)自立庫(kù)或數(shù)控銑床，檢測(cè)完成后，放回立庫(kù)中。

在整個(gè)過(guò)程中，無(wú)需人工干預(yù)，智能測(cè)量單元能夠依據(jù)零件的不同，自動(dòng)進(jìn)行關(guān)鍵特征的檢測(cè)，以體現(xiàn)其柔性化，智能化。

2 智能測(cè)量單元信息傳遞機(jī)制與模型

2.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的自治模型構(gòu)建

傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)因在設(shè)計(jì)制造時(shí)并沒(méi)有智能制造的需求，本次使用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上位由PolyWorks軟件控制，利用PolyWorks軟件的二次開(kāi)發(fā)接口使用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了上位控制，由此，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具備了一定的自治能力，可以在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的上位系統(tǒng)中構(gòu)建一定的邏輯，實(shí)現(xiàn)單元的自治。

為實(shí)現(xiàn)多種零件的自動(dòng)測(cè)量，提前在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中預(yù)置選定零件的測(cè)量運(yùn)行腳本，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在新零件上料后，根據(jù)零件類(lèi)型，運(yùn)行不同的腳本，完成測(cè)量任務(wù)，測(cè)量結(jié)束后，向外發(fā)出信號(hào)，之后物流單元將完成下料。其控制流程如圖1。

圖1 智能檢測(cè)跨職能流程圖

2.2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的通信

在生產(chǎn)線(xiàn)集成中，異構(gòu)設(shè)備通信的實(shí)現(xiàn)途徑可選范圍較大，如OPC-UA，Profinet，Modbus-TCP，IO連接，Web Service，使用數(shù)據(jù)庫(kù)中間表完成數(shù)據(jù)傳遞等。

OPC-UA作為新一代的OPC標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在大多數(shù)的數(shù)控機(jī)床，PLC，機(jī)器人都已支持該協(xié)議，完成大量的數(shù)據(jù)通信，配置簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好。另外也有商業(yè)發(fā)售的OPC server軟件提供，使用極為方便。且OPC-UA協(xié)議基于TCP協(xié)議開(kāi)發(fā)，在產(chǎn)線(xiàn)集成中，幾乎不會(huì)增加額外的硬件成本。此次產(chǎn)線(xiàn)中主要的通信方式及產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)與上層系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換便采用了該協(xié)議，文獻(xiàn)中作者便使用了OPC協(xié)議解決了異構(gòu)PLC之間的通信問(wèn)題。

Profinet由PROFIBUS國(guó)際組織(PROFIBUS International，PI)推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)配置PROFINET IO可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的連接，完成數(shù)據(jù)的通信，進(jìn)行參數(shù)傳遞，數(shù)據(jù)交換等。筆者曾經(jīng)采用該協(xié)議打通機(jī)器人與西門(mén)子數(shù)控機(jī)床的通信，然而大多需要專(zhuān)用軟硬件來(lái)提供支持，若設(shè)備原先無(wú)支持，改造開(kāi)發(fā)工程量較大。

Modbus-TCP是一種較為傳統(tǒng)的通信方式，與OPC-UA相比，較為落后，數(shù)據(jù)傳輸速率及實(shí)時(shí)性均無(wú)法與OPC-UA相比，但是由于其技術(shù)更為成熟，目前大多數(shù)設(shè)備都可以支持該協(xié)議，包括在高級(jí)語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)該功能也極為方便，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量不大且實(shí)時(shí)性要求不高的通信需求，不失為一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

IO連接是依靠IO模塊，使用線(xiàn)纜進(jìn)行信號(hào)傳遞，需要通信雙方設(shè)備均帶有額外的IO點(diǎn)，用線(xiàn)纜連接后，分別配置，完成數(shù)據(jù)通信，這種通信方式是最為可靠的通信方式，也是最為萬(wàn)能的通信方式，但是需要硬件改造，且設(shè)備之間有大量線(xiàn)纜，不利于產(chǎn)線(xiàn)空間利用，顯得雜亂。

文獻(xiàn)中基于Web Service進(jìn)行了一定的異構(gòu)設(shè)備通信研究，該協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)Internet協(xié)議，上位系統(tǒng)之間通信極為方便，但是針對(duì)工業(yè)設(shè)備，其普適性較差，普通工業(yè)設(shè)備難以支持該協(xié)議，文獻(xiàn)中則開(kāi)發(fā)了1套多協(xié)議物聯(lián)中間件來(lái)解決產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備融合問(wèn)題，但其開(kāi)發(fā)工作量大，應(yīng)用效果顯著，最終成品定制化程度高，本產(chǎn)線(xiàn)中無(wú)法使用。

另外還有一種方式，則是依賴(lài)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的中間表進(jìn)行信號(hào)交互，由于連接數(shù)據(jù)庫(kù)的功能在各類(lèi)自動(dòng)化設(shè)備及軟件程序之間的應(yīng)用更加廣泛，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，結(jié)合本條產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)狀，主控系統(tǒng)下本身已構(gòu)建了1套數(shù)據(jù)庫(kù)用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，且三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的上位程序使用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，連接數(shù)據(jù)庫(kù)極為方便，該種通信方式則是所有的方式中代價(jià)最低的一種實(shí)現(xiàn)方式，因此采用該種通信方案。

表1 通信變量表

需要明確的是，通信方式只是信號(hào)傳遞交互的一種手段，在信號(hào)表及控制流程確定后，通信方式可以依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，不同的通信方式在性能上或有差異，但在可滿(mǎn)足需求的情況下，構(gòu)建成本和開(kāi)發(fā)速度也是選擇時(shí)應(yīng)該考慮的重要因素。

3 測(cè)量單元與機(jī)器人通信接口構(gòu)建與應(yīng)用

設(shè)置4個(gè)變量，分別代表測(cè)量單元狀態(tài)(ST)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)狀態(tài)(MS)，零件號(hào)(PN)，夾具狀態(tài)(TS)，變量類(lèi)型及數(shù)值說(shuō)明見(jiàn)表1。運(yùn)行時(shí)，MS和TS兩個(gè)變量根據(jù)實(shí)際情況變化，用于對(duì)動(dòng)作進(jìn)行預(yù)校驗(yàn)，防止發(fā)生碰撞，ST與PN則為控制流程主要變量。

在運(yùn)行過(guò)程中，檢測(cè)單元在完成自己的初始化后，表示進(jìn)入初始狀態(tài)，并將ST改寫(xiě)為20，代表檢測(cè)單元可以接受新零件，產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)檢測(cè)到該信號(hào)后，控制機(jī)器人抓取一個(gè)新的零件進(jìn)行檢測(cè)單元上料任務(wù)，上料完成后，將PN進(jìn)行修改，并將ST改寫(xiě)為10，代表檢測(cè)單元可以開(kāi)始執(zhí)行檢測(cè)動(dòng)作，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)依據(jù)PN的數(shù)值，選定相應(yīng)的測(cè)量程序進(jìn)行執(zhí)行，完成相應(yīng)零件的測(cè)量，期間對(duì)MS進(jìn)行相應(yīng)的更新，完成后，將ST改寫(xiě)為30，產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)檢測(cè)到該狀態(tài)后，控制機(jī)器人完成下料，下料完成后，將ST改寫(xiě)為0，回到最初狀態(tài)，完成單次循環(huán)，保證檢測(cè)單元開(kāi)啟后可以持續(xù)運(yùn)行，通信控制圖如圖2。

產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)基于WinCC開(kāi)發(fā)，控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接及各項(xiàng)操作均由WinCC完成。

圖2 智能檢測(cè)通信控制圖

三坐標(biāo)上位系統(tǒng)使用C++程序開(kāi)發(fā)，將此通信模塊作為類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通信模塊類(lèi)基于數(shù)據(jù)庫(kù)類(lèi)開(kāi)發(fā)完成，包含查詢(xún)與設(shè)置ST，查詢(xún)PN和TS，設(shè)置MS等方法。需要注意的是，ST的設(shè)置應(yīng)當(dāng)受到限制，根據(jù)圖2可知，測(cè)量單元對(duì)ST的更新僅包括由0更新為20，由10更新為30，在類(lèi)的實(shí)現(xiàn)中針對(duì)ST的當(dāng)前值與修改值進(jìn)行了一定的邏輯判斷，可以防止因自治模型內(nèi)部故障產(chǎn)生意外的修改行為，影響整條線(xiàn)的運(yùn)行。通信模塊類(lèi)如圖3所示。

以上模型與通信模塊開(kāi)發(fā)完成后，在產(chǎn)線(xiàn)中進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，可以自主完成2種選定零件的智能檢測(cè)，產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)下發(fā)指令后，自動(dòng)完成了上下料及兩種零件的自動(dòng)檢測(cè)，重復(fù)運(yùn)行良好，完成了預(yù)設(shè)功能，提高了效率，節(jié)約了人工。

圖3 通信模塊類(lèi)

圖4 智能檢測(cè)單元

4 結(jié)語(yǔ)

本次智能機(jī)加產(chǎn)線(xiàn)驗(yàn)證中，針對(duì)構(gòu)建檢測(cè)單元的問(wèn)題，建立信息傳遞機(jī)制，構(gòu)建自治模型，借助數(shù)據(jù)庫(kù)中間表實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)單元與產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種零件的自動(dòng)檢測(cè)，驗(yàn)證了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自治模型與數(shù)據(jù)庫(kù)中間表的可行性，而且，由于自治模型中可以很方便的擴(kuò)展更多種檢測(cè)零件，極大地提高了檢測(cè)單元的適應(yīng)性與柔性。但是，由于時(shí)間和產(chǎn)線(xiàn)條件限制，文中提到的其他通信形式與此次使用的方式的優(yōu)劣性有待進(jìn)一步研究。