面向物聯(lián)制造的車間多源異構裝備適配技術研究

伍健民，唐敦兵，朱海華，聶慶煒

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

近年來，工業(yè) 4.0 的提出極大地推動了制造業(yè)的發(fā)展，車間底層裝備也更加多元化，如數(shù)控機床、工業(yè)機械手、AGV、自動倉庫、檢測儀等[1]。種類繁多的自動化裝備構成了物聯(lián)制造的基礎，但同時也給物聯(lián)制造系統(tǒng)的實現(xiàn)帶來了如下難點：1)車間底層裝備的互聯(lián)互通是實現(xiàn)物聯(lián)制造的前提，但不同品牌裝備使用的通信協(xié)議也各有不同，雖然目前國際上提出了一些用于數(shù)控裝備互聯(lián)互通的通信標準，如MT-Connect 和 OPC -UA，我國也有由華中科技大學牽頭，聯(lián)合多家國內知名數(shù)控、機床廠家研發(fā)出的NC-Link通信標準[2]，但目前支持MT-Connect、OPC-UA、NC-Link等標準的裝備并不多，這就給車間底層裝備的互聯(lián)互通帶來了巨大的阻礙。2)即使是同類型裝備，如基于PLC的磁導引AGV和基于嵌入式系統(tǒng)的激光導引AGV，其功能雖然相同，但控制邏輯卻有著很大的差異，很難與物聯(lián)制造系統(tǒng)良好兼容。3)物聯(lián)制造模式下，對車間信息化、自動化、智能化水平要求顯著提高，但同時對裝備的遠程控制、信息采集及智能化水平也有著更高的要求。而車間底層裝備控制邏輯各異，信息化和智能化水平參差不齊，很難與制造系統(tǒng)完美匹配。

車間底層裝備的多源異構性導致裝備難以直接接入物聯(lián)制造系統(tǒng)之中，而常見的適配技術通過通信協(xié)議的轉換后，只能實現(xiàn)以單向信息采集為主的低水平車間互聯(lián)互通，難以滿足物聯(lián)制造系統(tǒng)無人化、智能化、機器協(xié)作等復雜應用場景[3]。只有通過一種模型對裝備的功能、控制邏輯、通信協(xié)議等方面都進行適配，使其滿足物聯(lián)制造系統(tǒng)接入標準，才能與系統(tǒng)良好匹配，充分發(fā)揮物聯(lián)制造的優(yōu)勢。

1 裝備虛擬化模型基本架構

1.1 裝備虛擬化模型外部接口

裝備虛擬化模型是基于車間底層裝備的特征進行開發(fā)的，可視作具有對應裝備各種功能的虛擬裝備，模型對外主要提供4個接口(圖1)。

圖1 裝備虛擬化模型外部接口示意圖

1)制造系統(tǒng)接口

裝備虛擬化模型的制造系統(tǒng)接口根據(jù)物聯(lián)制造系統(tǒng)使用的通信協(xié)議開發(fā)，用于模型與物聯(lián)制造系統(tǒng)的對接。裝備虛擬化模型作為對應底層裝備的生產要素直接與物聯(lián)制造系統(tǒng)交互，制造系統(tǒng)各類指令使用統(tǒng)一的通信格式發(fā)送至模型，從而屏蔽了底層裝備的異構性，如磁導引AGV和激光導引AGV的虛擬化模型在物聯(lián)制造系統(tǒng)都被視為AGV，并無任何區(qū)別。

裝備虛擬化模型的制造系統(tǒng)接口可以接收兩種格式的命令，即控制型指令(如控制機床加工)和查詢型指令(如查詢AGV當前位置)，都采取一問一答的通信方式。模型在接收到查詢型指令后實時回復查詢結果；收到控制型指令，則在完成該指令要求的操作后，回復其動作完成或失敗。

2)裝備控制接口

裝備控制接口是基于底層裝備的特點和裝備本身的通信協(xié)議開發(fā)的，用于虛擬化模型與其對應底層裝備的交互，通過裝備廠商提供的鏈接庫或通信接口，實現(xiàn)對底層裝備的遠程控制與信息采集。

3)數(shù)據(jù)庫接口

在物聯(lián)制造系統(tǒng)中每個裝備都在車間工控機或云端有對應的數(shù)據(jù)庫，用于存儲裝備的各類狀態(tài)信息[4]。虛擬化模型通過數(shù)據(jù)庫接口讀取或存儲相對應的底層裝備信息，如倉庫模型通過讀取倉庫數(shù)據(jù)庫表格判斷各個庫位的狀態(tài)，機床模型實時存儲機床狀態(tài)及加工信息用于后續(xù)分析。而其他外部程序也可以無視裝備本身的通信協(xié)議，直接通過訪問其數(shù)據(jù)庫獲取底層裝備各類狀態(tài)信息。

4)人機交互接口

人機交互接口用于實時顯示裝備虛擬化模型運行過程中各類信息，便于技術人員調試與監(jiān)控，如各個接口連接狀態(tài)、制造系統(tǒng)與模型的交互信息、運行過程中的異常信息等。此外還通過該接口接收技術人員的一些指令，如倉庫模型可根據(jù)技術人員輸入的零件類型和數(shù)量自動進行入庫操作。

1.2 裝備虛擬化模型內部結構

由于大部分數(shù)控系統(tǒng)都提供C#版本的鏈接庫或軟件開發(fā)包，因此該裝備虛擬化模型可基于C#語言進行底層構筑(圖2)。虛擬化模型一般具有3個基本模塊，即控制模塊、監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)庫模塊，以一臺車床模型為例。

圖2 裝備虛擬化模型架構圖

1)控制模塊

控制模塊包含連接、控制對應車床的一些基本功能，其中的函數(shù)對應車床控制面板，形成虛擬按鍵，如程序啟動按鍵、復位按鍵、夾具打開關閉按鍵，模型可以直接通過調用這些函數(shù)實現(xiàn)按鍵功能。這些控制功能有些可以在廠家提供的鏈接庫中獲取，有的需要通過更改機床PLC梯形圖，通過加入遠程控制點位來實現(xiàn)。

2)監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊包含一些底層裝備信息采集、狀態(tài)監(jiān)控功能，如車床各軸機械坐標、程序執(zhí)行狀態(tài)、機床警報信息等。這些信息有的可以通過廠家提供的鏈接庫采集，有的用來監(jiān)控特定的PLC點位狀態(tài)。

除了這些可以從底層裝備中直接獲取的信息，監(jiān)測模塊中還加入了另一些功能，如根據(jù)當前各軸機械坐標判斷機床是否處于上料點位置，從而避免因機床不在上料點而和機械手發(fā)生碰撞的現(xiàn)象。

3)數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊包含了裝備虛擬化模型與車間或云端數(shù)據(jù)庫的連接、對數(shù)據(jù)庫表格進行增刪改查的一些功能，用于虛擬化裝備模型數(shù)據(jù)庫接口的實現(xiàn)。

除了這些基本模塊，還可根據(jù)裝備特點和制造系統(tǒng)需求，在模型中靈活地添加其他模塊，實現(xiàn)其功能拓展，如AGV模型中加入路徑模塊，實現(xiàn)AGV路徑文件的自動生成與上傳；機床模型中加入NC模塊，實現(xiàn)系列化產品NC代碼的自動生成與上傳；在模型中加入指令集，方便地生成和調用各類字符串格式的指令。

2 裝備虛擬化模型主要功能

2.1 裝備通信協(xié)議轉換

裝備虛擬化模型通過制造系統(tǒng)接口以物聯(lián)制造系統(tǒng)的通信格式接收制造系統(tǒng)指令，再通過裝備控制接口對應底層裝備本身的通信協(xié)議對其進行遠程控制和信息采集，從而實現(xiàn)通信協(xié)議各異的車間底層裝備的互聯(lián)互通。

2.2 裝備的遠程控制與信息采集

對底層裝備的遠程控制與信息采集是實現(xiàn)物聯(lián)制造的基礎[5]。通過應用裝備虛擬化模型，可以實現(xiàn)高水平的遠程控制和信息采集。所謂的高水平，不再是由制造系統(tǒng)直接控制或監(jiān)測裝備PLC點位實現(xiàn)控制或數(shù)據(jù)采集，而是通過向模型下發(fā)標準化指令，由模型自動完成一系列的控制或信息數(shù)據(jù)采集動作。

以銑床模型為例，其從制造系統(tǒng)獲取的命令只有兩個，加工和預估加工時間，當執(zhí)行加工命令時，模型直接從加工命令中獲取NC代碼字段，或通過加工命令中的零件類型和尺寸自動生成NC代碼。然后將NC代碼上傳至機床，通過控制模塊中的虛擬按鍵關閉銑床夾具和安全門，啟動加工程序，之后持續(xù)監(jiān)測機床加工狀態(tài)。在機床加工完成后，打開夾具和安全門，并將各軸移動到上料點，并向制造系統(tǒng)回復加工完成信息。而在收到預估加工時間命令時，則通過解析NC代碼自動計算出機床加工時間并回復計算結果。

通過模型內部的邏輯控制和計算能力，可以顯著精簡制造系統(tǒng)與底層裝備之間的指令數(shù)量，降低了制造系統(tǒng)與裝備的交互難度。

2.3 裝備功能拓展

裝備虛擬化模型的控制模塊和監(jiān)測模塊除了包含對應裝備的基本功能外，還可以根據(jù)物聯(lián)制造系統(tǒng)需求，靈活地在虛擬化模型中進行功能拓展，從而在滿足物聯(lián)制造系統(tǒng)接入標準的同時降低對底層裝備本身的技術要求。如在機床模型中加入系列化產品NC代碼自動生成功能，通過分析NC代碼，還可實現(xiàn)加工時間預估功能。

而對倉庫模型，可以增加原料自動入庫功能，技術人員通過人機交互接口輸入要入庫零件的類型和數(shù)量信息，倉庫模型便會自動遍歷倉庫的數(shù)據(jù)庫找出空的庫位。技術人員只需按照人機交互界面的提示，將對應的原料送至入庫口，倉庫模型便會自動控制倉庫完成入庫動作，并實時改寫倉庫數(shù)據(jù)庫信息，直至入庫結束。

2.4 裝備控制邏輯統(tǒng)一與優(yōu)化

同一類型的不同裝備，其控制邏輯往往存在很大差異。以AGV為例，磁導引AGV是基于PLC開發(fā)的，通過地面鋪貼的磁條和RFID實現(xiàn)自動導引和定位，而激光導引AGV是基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的，通過激光地圖和路徑文件實現(xiàn)自動導引和定位。這兩種AGV控制邏輯完全不同，如果直接接入物聯(lián)制造系統(tǒng)中，會導致制造系統(tǒng)復雜性大大增加。而通過裝備虛擬化模型對裝備控制邏輯進行統(tǒng)一，不論是何種類型的AGV虛擬化模型，其與制造系統(tǒng)的交互都只有獲取當前位置、運行指定路徑、出貨、收貨這幾條標準指令，具體的命令實現(xiàn)由模型根據(jù)裝備特點完成操作。

例如車間裝備開機時，往往需要一些復位操作，但不同品牌裝備的操作流程也存在差異。如SIEMENS機床需要松開急停，復位，按下主軸使能和進給使能；FANUC機床則需要松開急停，按下選擇停(使機床控制面板按鈕無效)。而通過裝備虛擬化模型對裝備操作邏輯進行優(yōu)化，在技術人員松開急停后，模型根據(jù)對應裝備特點，通過虛擬按鍵自動完成各種復位操作，這樣便可以屏蔽車間裝備的差異性，大大地簡化車間開機流程。

3 實例

基于多智能體技術的自組織物聯(lián)制造系統(tǒng)以物聯(lián)技術為基礎，通過裝備的自治與協(xié)商方式，實現(xiàn)定制產品的自組織生產。該系統(tǒng)能實現(xiàn)網絡訂單直接下發(fā)至車間，車間倉儲、物流、加工、檢測全自動化，訂單的排產與車間調度智能化，裝備及車間狀態(tài)信息透明化。

如圖3所示，車間內有LNC、SIEMENS、FANUC三種品牌的機床，基于PLC開發(fā)的磁導引AGV、ABB工業(yè)機器人，基于PLC開發(fā)的自動倉庫，車間底層裝備有顯著的多源異構特征。制造系統(tǒng)通過使用多智能體技術，為車間中的每個設備配置相應的Agent，所有設備的Agent組成Agent網絡，也就是一個虛擬車間[6]。當訂單信息下發(fā)至虛擬車間后，各Agent會代表其設備參與交互協(xié)商，爭取工作任務。任務分配完成后，各Agent會相互協(xié)商，共同完成任務。

圖3 基于多智能體技術的自組織物聯(lián)制造車間布局圖

該物聯(lián)制造系統(tǒng)使用一種基于TCP/IP協(xié)議，這是通過 JSON格式封裝的語義化通信格式，具有可讀性好、拓展性強的優(yōu)點，不同Agent之間及Agent與對應底層裝備之間均使用該協(xié)議進行通信。但由于底層裝備的多源異構性，Agent與其對應底層裝備的感知和交互是該制造系統(tǒng)實現(xiàn)的最大難點。而在該制造系統(tǒng)中應用了裝備虛擬化模型技術后，裝備虛擬化模型作為連接Agent與對應底層裝備的紐帶，具有對應底層裝備的所有功能并提供標準化調用接口，能夠方便地與Agent直接交互，實現(xiàn)Agent對相應底層裝備的控制和感知(圖4)。

圖4 裝備虛擬化模型在基于多智能體技術的自組織物聯(lián)制造車間中的應用

4 結語

本文針對車間多源異構裝備難以與制造系統(tǒng)良好匹配、兼容的問題，提出了一種裝備虛擬化模型架構，并通過應用該模型實現(xiàn)了對相應底層裝備的遠程控制、信息采集、功能拓展和邏輯優(yōu)化，從而屏蔽底層裝備的異構性，使其能夠良好地融入物聯(lián)制造系統(tǒng)。實際應用表明，該方法能顯著簡化物聯(lián)制造系統(tǒng)架構，同時提升車間自動化、信息化及智能化水平。