基于MTConnect的裝備建模標(biāo)準(zhǔn)化與互聯(lián)互通互操作

周 涵，鄢 萍+，趙 楨，易潤忠，聞帥杰

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶海特克系統(tǒng)集成有限公司，重慶 400044)

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，新一輪工業(yè)革命強(qiáng)勢(shì)來襲，為抓住機(jī)遇彎道超車，實(shí)現(xiàn)制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，我國提出《中國制造2025》發(fā)展戰(zhàn)略，確定“智能制造”為主攻方向[1]。其中，作為打破數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、孿生化車間的重要途徑，設(shè)備互聯(lián)互通互操是智能制造發(fā)展的重要保障[2-3]。然而在現(xiàn)代工廠中，異構(gòu)系統(tǒng)的裝備需要共同協(xié)作完成產(chǎn)品生產(chǎn)，專用性的裝備互聯(lián)互通互操作解決方案存在信息語義無法統(tǒng)一表達(dá)與傳輸、信息重用和共享困難等問題，且成本巨大、效率低下[4-5]。因此，有必要提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)信息集成共享且普遍適用、低成本、語義標(biāo)準(zhǔn)化的互聯(lián)互通互操作解決方案。

標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備描述語義和信息模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備互聯(lián)互通互操作的基礎(chǔ)[6]。統(tǒng)一的語義、信息模型和傳輸協(xié)議可有效避免源數(shù)據(jù)異構(gòu)帶來的集成難度，使不同裝備系統(tǒng)間的信息集成更為方便快捷[7-8]。目前，眾多學(xué)者開展了構(gòu)建設(shè)備及數(shù)字化車間信息模型的研究。ALSHAYEB等[9]提出一種統(tǒng)一的圖形建模語言(integrated Unified Modeling Language graphical, iUML-g)對(duì)不同領(lǐng)域系統(tǒng)進(jìn)行建模；LI等[10]利用電子設(shè)備描述語言(Electronic Device Description Language, EDDL)分層次、分模塊地描述了制造工廠中的機(jī)械設(shè)備、電氣系統(tǒng)等，進(jìn)而分析制造場(chǎng)景中不同學(xué)科之間的依賴關(guān)系；張兆坤等[11]針對(duì)信息模型標(biāo)準(zhǔn)化問題，提出數(shù)字化車間標(biāo)準(zhǔn)信息模型的建模方法及實(shí)現(xiàn)信息模型統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化的模型映射方案；張映鋒等[12]基于多傳感器技術(shù)和Web技術(shù)提出一種從制造設(shè)備層進(jìn)行數(shù)字化建模的思想和方法；陸小虎等[13]提出基于Agent的數(shù)控系統(tǒng)信息集成方法，并采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言(eXtensible Markup Language, XML)建立了設(shè)備的信息模型。然而，上述傳統(tǒng)信息模型建模方法已無法滿足當(dāng)前智能制造高效率、高通用性、低成本的需求，所建立的信息模型除滿足信息模型完整性、一致性和可擴(kuò)性的基本要求外，還應(yīng)選用一種常見的集成通訊協(xié)議作為支撐，使所建信息模型能夠應(yīng)用于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下的互聯(lián)互通互操作建設(shè)。

作為一種可擴(kuò)展的、標(biāo)準(zhǔn)化的、支持互操作與開源的數(shù)據(jù)建模方法和標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議[14]，MTConnect提供了描述物理實(shí)體所需的必要信息，并通過XML描述，形成廣泛認(rèn)可、機(jī)器可讀、半結(jié)構(gòu)化的XML信息模型，具有非常好的兼容性和平臺(tái)無關(guān)性，能夠支持解決數(shù)據(jù)格式不兼容、設(shè)備異構(gòu)、數(shù)據(jù)共享等一系列問題[15]，也可以通過配套規(guī)范[16]與OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC Unified Architecture，OPC UA)集成，在數(shù)字化車間和智能工廠建設(shè)中擁有較多解決方案[17]，適用于建立數(shù)控裝備信息模型。應(yīng)用MTConnect，劉日良等[18]建立了數(shù)控雕刻機(jī)信息模型，并提供了可視化軟件模塊；唐霞等[19]建立了數(shù)控機(jī)床信息模型，并完成基于FOCAS的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集方法；袁廣超等[20]綜合考慮機(jī)床、在制品、刀具建立了銑削過程信息模型；LEI等[21]提出基于擴(kuò)展的MTConnect數(shù)據(jù)模型，并結(jié)合MTConnect代理和適配器，開發(fā)了基于Web的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。然而，要實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備模型的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性，還需明確裝備的數(shù)據(jù)項(xiàng)定義、元素定義等，并提供規(guī)范的建模規(guī)則和方法。

另一方面，在信息模型建立的基礎(chǔ)上，MTConnect也應(yīng)用于異構(gòu)系統(tǒng)的集成與互聯(lián)互通，MONNIER等[22]采用MTConnect將數(shù)控加工裝備的控制器數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來；LIU等[23]提出一種基于MTConnect的信息物理融合機(jī)床(Cyber-Physical Machine Tools, CPMT)，在機(jī)床與各類軟件應(yīng)用之間實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、互操作和高效的數(shù)據(jù)通信；王麗娜等提出一種“設(shè)備-Agent-Client”的三層架構(gòu)模型來實(shí)現(xiàn)沈陽高精不同數(shù)控系統(tǒng)的互聯(lián)互通[15, 24]；NGUYEN等[25]通過集成MTConnect與其他應(yīng)用程序，構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床數(shù)字孿生體；SUNNY等[26]提出一種適配器代理的通信方式，并結(jié)合MTConnect實(shí)現(xiàn)信息物理制造云(Cyber-Physical Manufacturing Cloud, CPMC)中各機(jī)床在制造過程中的相互通信；王標(biāo)[27]研究了基于MTConnect的機(jī)加車間異構(gòu)系統(tǒng)集成方法，并開發(fā)了可適配不同數(shù)控系統(tǒng)的柔性適配器。然而，就上述研究而言，MTConnect協(xié)議的應(yīng)用對(duì)象主要集中在數(shù)控機(jī)床，機(jī)床之外的數(shù)控裝備仍有待擴(kuò)展，另外，國內(nèi)大部分?jǐn)?shù)控裝備或系統(tǒng)沒有提供MTConnect建模工具和接口，對(duì)基于MTConnect協(xié)議的數(shù)控裝備集成和互聯(lián)互通存在一定阻礙。

本文針對(duì)數(shù)控裝備源數(shù)據(jù)異構(gòu)、集成和互聯(lián)互通成本高、普適性弱、共享難度大等問題，基于MTConnect協(xié)議提出一套包括數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、傳感器等多類型裝備的信息模型建模標(biāo)準(zhǔn)化和互聯(lián)互通互操作實(shí)施方案，彌補(bǔ)了我國在信息建模和互聯(lián)互通互操作協(xié)議/標(biāo)準(zhǔn)的空缺。首先采用統(tǒng)一的格式提出一套可擴(kuò)展的數(shù)控裝備信息模型建模標(biāo)準(zhǔn)化方法，解決了異構(gòu)裝備信息模型統(tǒng)一建模問題；進(jìn)一步開展了集成可配置Agent的互聯(lián)互通互操作中間件設(shè)計(jì)及相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)方法研究，解決了數(shù)控裝備集成和互聯(lián)互通難度大、效率低、成本高等問題；最后，通過搭建數(shù)控裝備互聯(lián)互通互操作試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)所建標(biāo)準(zhǔn)化信息模型和所提方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基于MTConnect的裝備互聯(lián)互通互操作技術(shù)架構(gòu)

1.1 MTConnect協(xié)議基本架構(gòu)

MTConnect協(xié)議構(gòu)建在互聯(lián)網(wǎng)超文本傳輸協(xié)議(Hypertext Transfer Protocol，HTTP)和XML之上，這些基礎(chǔ)協(xié)議保證了MTConnect的開放性和靈活性[28]，能夠解決數(shù)據(jù)跨平臺(tái)交換、數(shù)據(jù)格式不兼容等問題。基于MTConnect協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用如圖1所示的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，包括設(shè)備、適配器、代理、應(yīng)用程序和設(shè)備描述信息模型5部分。

(1)設(shè)備(Device) 包括車間進(jìn)行生產(chǎn)制造的設(shè)備或配套傳感器，攜帶與制造相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。

(2)適配器(Adapter) 是設(shè)備和MTConnect代理之間的聯(lián)絡(luò)人，其通過設(shè)備自身的通訊協(xié)議連接到設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)并過濾掉重復(fù)數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到Agent。

(3)代理(Agent) 是數(shù)控設(shè)備互聯(lián)互通架構(gòu)的核心技術(shù)，通用Agent可收集一個(gè)或多個(gè)Adapter數(shù)據(jù)，并以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)化方式(XML流)組織數(shù)據(jù)。

(4)應(yīng)用程序(Client) 包括用戶和車間設(shè)備交互的客戶端或系統(tǒng)，應(yīng)用開發(fā)者向Agent發(fā)送獲取數(shù)據(jù)的HTTP請(qǐng)求，通過解析返回的XML文檔獲取車間設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。

(5)設(shè)備描述信息模型 抽象地將設(shè)備提供的數(shù)據(jù)和功能組織成有信息意義的層次結(jié)構(gòu)，以便系統(tǒng)傳輸和調(diào)用，為Agent組織設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供規(guī)范的XML模板。

1.2 數(shù)控裝備互聯(lián)互通互操作實(shí)施架構(gòu)

為了指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間(橫向)及設(shè)備與上層系統(tǒng)(縱向)的集成和互聯(lián)互通互操作，提出裝備互聯(lián)互通互操作解決方案實(shí)施架構(gòu)，如圖2所示。該架構(gòu)是由設(shè)備、組網(wǎng)設(shè)施、協(xié)議集成層、應(yīng)用層四個(gè)模塊組成的縱向集成架構(gòu)，輔助實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)控裝備信息模型建模標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)和互聯(lián)互通互操作技術(shù)，具有裝備普遍適用、通訊語義一致、實(shí)施成本低等特點(diǎn)。

1.2.1 縱向集成架構(gòu)

(1)設(shè)備 包括不同廠商、異構(gòu)系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)接口、不同物理位置的制造裝備(數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等)，不同設(shè)備具有各自特有的數(shù)據(jù)采集和信息通訊方式。

(2)組網(wǎng)設(shè)施 支持實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間、設(shè)備與上層系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的器件和設(shè)備，如網(wǎng)線、交換機(jī)、服務(wù)器、無線站點(diǎn)等。

(3)協(xié)議集成層 包括集成Agent的可配置互聯(lián)互通互操作中間件與設(shè)備描述信息模型。中間件具有采集協(xié)議適配、數(shù)據(jù)獲取與緩存、源數(shù)據(jù)集成、Socket通訊、互操作交互等功能，可低成本地實(shí)現(xiàn)裝備異構(gòu)源數(shù)據(jù)面向MTConnect協(xié)議的映射集成；設(shè)備描述信息模型為中間件的數(shù)據(jù)組織和整理提供支持。

(4)應(yīng)用層 包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Executive System，MES)、企業(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning，ERP)等管理系統(tǒng)以及獲取數(shù)據(jù)客戶端軟件等，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)顯示和分析等功能。

1.2.2 數(shù)控裝備信息模型建模標(biāo)準(zhǔn)化與互聯(lián)互通互操作技術(shù)

在1.2.1節(jié)縱向集成架構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于數(shù)控裝備信息模型建模標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)構(gòu)建數(shù)控裝備信息描述元模型，并通過所提互聯(lián)互通互操作技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與應(yīng)用層系統(tǒng)的交互。

(1)數(shù)控裝備信息模型建模標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù) 通過定義數(shù)控裝備信息描述語義統(tǒng)一了設(shè)備源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)語義；結(jié)合描述語義、MTConnect信息模型映射規(guī)則、XML描述文檔構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的裝備信息描述模型。

(2)互聯(lián)互通互操作技術(shù) 包括互聯(lián)互通中間件設(shè)計(jì)、基于HTTP應(yīng)用層的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和基于Interface組件的互操作技術(shù)，為數(shù)控裝備信息模型建立、設(shè)備間互聯(lián)互通互操作、應(yīng)用層系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制等提供支持。

2 數(shù)控裝備信息模型建模標(biāo)準(zhǔn)化

2.1 MTConnect信息模型框架

MTConnect標(biāo)準(zhǔn)提供了大量組件和容器用以構(gòu)建MTConnect信息模型，該信息模型是一種自上而下的樹狀體系結(jié)構(gòu)，相鄰層級(jí)件為父子關(guān)系。其中，根組件Devices包括一個(gè)或多個(gè)Device，而Device又按照物理結(jié)構(gòu)和功能分為包括Controller(控制器)，System(系統(tǒng))，Axes(軸)、door(門)，Sensor(傳感器)，Interface(接口)在內(nèi)的不同組件，不同組件的描述內(nèi)容如表1所示。

表1 MTConnect組件類型和說明

每個(gè)組件包括多個(gè)子組件或數(shù)據(jù)項(xiàng)，其中Components為存放多個(gè)組件的容器，DataItems為存放多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的容器。為了描述各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，MTConnect的DataItem數(shù)據(jù)容器提供了units，id，name，type，subType，category，units等屬性元素，其中id，type，category是數(shù)據(jù)項(xiàng)描述必需的元素[29]。所形成的MTConnect設(shè)備信息模型如圖3所示。

2.2 數(shù)控裝備信息描述語義

裝備關(guān)鍵信息描述語義從信息的角度描述數(shù)控裝備，是指導(dǎo)建立裝備信息描述模型的依據(jù)之一。描述語義重點(diǎn)明確3方面內(nèi)容：① 包括哪些對(duì)象和數(shù)據(jù)的定義；②如何將這些對(duì)象和數(shù)據(jù)整理和組織成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)組；③如何定義數(shù)據(jù)格式。

從數(shù)控裝備的組成和功能出發(fā)，將設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等關(guān)鍵信息組織和整理為層次化的可擴(kuò)展對(duì)象樹，并對(duì)數(shù)控裝備各個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的索引、英文名稱、單位等屬性進(jìn)行規(guī)范化定義。其基本體系結(jié)構(gòu)由設(shè)備層、組件層、數(shù)據(jù)項(xiàng)層組成，如圖4所示。設(shè)備層包括設(shè)備信息集、軸組件集、控制器組件集、系統(tǒng)組件集4個(gè)子組件集，各組件集的描述和所包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)如下：

(1)設(shè)備信息集 用于描述設(shè)備的靜態(tài)屬性、配置屬性的基礎(chǔ)信息，包括設(shè)備名稱、設(shè)備類型、控制軸數(shù)、設(shè)備IP等數(shù)據(jù)項(xiàng)。

(2)軸組件集 用于描述與進(jìn)給直線軸、進(jìn)給回轉(zhuǎn)軸、主軸3個(gè)組件相關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，包括坐標(biāo)、負(fù)載等數(shù)據(jù)項(xiàng)。

(3)控制器組件集 包括功能屬性和控制程序兩個(gè)子組件集，功能屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)包括與控制器相關(guān)的狀態(tài)、時(shí)間、故障等信息，如上電時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)等；控制程序的數(shù)據(jù)項(xiàng)包括程序名、當(dāng)前行號(hào)、刀具號(hào)等。

(4)系統(tǒng)組件集 用于描述數(shù)控裝備的電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的相關(guān)信息，包括壓力、流速、溫度等數(shù)據(jù)項(xiàng)。

另外，描述數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)元素包括ID、名稱、語義描述、數(shù)據(jù)格式、工程單位等，相關(guān)定義如表2所示。

2.3 面向MTConnect的信息模型映射

數(shù)控裝備源數(shù)據(jù)面向MTConnect的映射過程實(shí)際是數(shù)控裝備信息描述語義與MTConnect信息模型的集成與綁定，使數(shù)控裝備源數(shù)據(jù)能夠通過MTConnect標(biāo)準(zhǔn)的框架進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)、訪問等。為實(shí)現(xiàn)對(duì)映射過程的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化定義，本文根據(jù)數(shù)控裝備信息描述語義與MTConnect信息模型框架之間的關(guān)聯(lián)性，提出語義結(jié)構(gòu)映射方法和數(shù)據(jù)項(xiàng)元素映射方法。

表2 數(shù)據(jù)項(xiàng)元素的定義

2.3.1 語義結(jié)構(gòu)映射

數(shù)控裝備信息描述語義的結(jié)構(gòu)與MTConnect信息模型的映射關(guān)系如圖5所示，映射規(guī)則如下：

(1)設(shè)備層映射 將數(shù)控裝備的設(shè)備元素(如數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人)映射到Device組件中。

(2)一級(jí)組件映射 將描述語義的軸組件集、控制器組件集、系統(tǒng)組件集分別映射到Axes，Controller，System容器；設(shè)備信息集在MTConnect中無組件對(duì)應(yīng)，因此將其靜態(tài)屬性和配置屬性包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)直接映射到Device的DataItems容器中。

(3)二級(jí)組件映射 將軸組件集中的子集——直線軸和回轉(zhuǎn)軸(含主軸)分別映射到Linear和Rotary；控制器組件集的控制程序映射為Controller的子容器Path，功能屬性包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)直接映射到Controller的DataItems容器中；系統(tǒng)組件的電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)分別映射為Electric，Hydraulic，Pneumatic，Coolant組件。

(4)父子集分支點(diǎn)映射 將父子集分支點(diǎn)映射為Components容器。

(5)數(shù)據(jù)項(xiàng)層映射 將各數(shù)據(jù)項(xiàng)映射到各組件DataItems容器中的DataItem元素。

2.3.2 數(shù)據(jù)項(xiàng)元素映射

根據(jù)與MTConnect中DataItem數(shù)據(jù)容器的關(guān)聯(lián)性，本文提出數(shù)控裝備數(shù)據(jù)項(xiàng)元素信息語義面向MTConnect映射的方法，如圖6所示，映射規(guī)則如下：

(1)語義屬性與MTConnect屬性元素存在一對(duì)一關(guān)聯(lián)的屬性映射，例如描述語義的數(shù)據(jù)項(xiàng)ID、英文名稱、工程單位、采用間隔、值分別映射為DataItem的id，name，units，sampleRate，value屬性。

(2)由于在描述語義中不存在與MTConnect必要元素type，subType，category的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立信息模型時(shí)不采用映射的方法，直接查MTConnect標(biāo)準(zhǔn)表獲取元素值即可。

(3)描述語義的數(shù)據(jù)格式、中文名稱、語義描述元素，在MTConnect標(biāo)準(zhǔn)中無對(duì)應(yīng)屬性，因此不進(jìn)行映射。

所構(gòu)建的數(shù)控裝備參考元模型架構(gòu)如圖7所示，元模型明確了模型結(jié)構(gòu)和id，name等屬性元素的取值，實(shí)現(xiàn)了描述語義與MTConnect信息模型的集成和綁定。

最終，將元模型架構(gòu)轉(zhuǎn)化為數(shù)控裝備的XML描述文檔，并通過XML Scheme(XSD)對(duì)所建裝備信息模型的語法、格式、內(nèi)容等進(jìn)行全面檢查，以確認(rèn)是否符合MTConnect要求。

3 基于集成可配置中間件開發(fā)的數(shù)控裝備互聯(lián)互通互操作

實(shí)施數(shù)控裝備信息模型標(biāo)準(zhǔn)化解決了數(shù)控裝備一致性表達(dá)的問題，但要實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝備一致性解析和互聯(lián)互通互操作，還需要有相應(yīng)的協(xié)議、硬件、軟件及相應(yīng)的技術(shù)作為支撐。為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)裝備間及與上層系統(tǒng)的交互，本文提出一種面向異構(gòu)數(shù)控裝備的集成可配置Agent的互聯(lián)互通互操作中間件。

3.1 可配置的互聯(lián)互通互操作中間件設(shè)計(jì)

3.1.1 互聯(lián)互通互操作中間件設(shè)計(jì)架構(gòu)

可配置的中間件架構(gòu)主要由協(xié)議適配前端模塊、映射與數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、MTConnect Agent 1.4和互操作交互模塊構(gòu)成，如圖8所示。

(1)協(xié)議適配前端模塊 解析配置文件中的協(xié)議類型和通訊參數(shù)等信息，實(shí)例化相應(yīng)的通訊協(xié)議，為中間件自動(dòng)適配并加載相應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library，DLL)通信協(xié)議驅(qū)動(dòng)文件。

(2)映射與數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 包括數(shù)據(jù)獲取子模塊、數(shù)據(jù)緩存接口和Socket服務(wù)器，在一定時(shí)間間隔獲取裝備數(shù)據(jù)并與已定義的DataItem進(jìn)行集成和綁定，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組織為Agent可識(shí)別的報(bào)文，通過Socket服務(wù)器發(fā)送。

(3)MTConnect Agent 1.4 集成MTConnectV 1.4協(xié)議的Agent模塊，采用XML流組織報(bào)文數(shù)據(jù)，生成XML響應(yīng)文檔響應(yīng)相應(yīng)的HTTP請(qǐng)求。

(4)互操作交互模塊 為服務(wù)數(shù)控裝備與其他設(shè)備或應(yīng)用層互操作的支撐模塊，包括服務(wù)子模塊和決策執(zhí)行子模塊。

3.1.2 中間件功能實(shí)現(xiàn)方法研究

實(shí)現(xiàn)架構(gòu)上層只需集成MTConnect Agent 1.4模塊，其包括通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊、XML解釋器和Socket客戶機(jī)等，通過配置文件可使Agent滿足個(gè)性化需求。因此，整個(gè)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于協(xié)議自適配和自加載模塊、映射與數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、互操作交互模塊，各模塊功能設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)協(xié)議自適配和自加載功能 通訊協(xié)議庫集成了Focas，Modbus，OPCUA等協(xié)議的DLL驅(qū)動(dòng)文件，DLL文件中的各函數(shù)接口根據(jù)描述語義進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義，并封裝了用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備通訊和數(shù)據(jù)采集的函數(shù)方法。為了實(shí)現(xiàn)中間件的高擴(kuò)展性、高柔性和低耦合性，采用“簡(jiǎn)單工廠模式+反射”的方式對(duì)協(xié)議的適配和加載方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)類圖如圖9所示。其中：ComProtocol接口是協(xié)議庫中所有通訊協(xié)議的父類，包括通訊方式和數(shù)控裝備相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)采集方法的公共封裝接口，協(xié)議庫的所有通訊協(xié)議DLL文件都繼承了該公共接口；ProtocolFactory為工廠類，包括基于反射機(jī)制的創(chuàng)建通信協(xié)議類實(shí)例方法，可用于新建配置文件要求的通信協(xié)議類實(shí)例。當(dāng)需要導(dǎo)入新通訊協(xié)議時(shí)，只需導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的DLL驅(qū)動(dòng)文件并修改配置信息，即可使中間件自動(dòng)適配和加載該新協(xié)議。

(2)映射與數(shù)據(jù)收發(fā)功能 數(shù)據(jù)獲取子模塊是調(diào)用各通訊協(xié)議DLL驅(qū)動(dòng)文件函數(shù)的結(jié)果，包括連接與斷開設(shè)備通信、獲取數(shù)據(jù)、中斷線程、啟動(dòng)和關(guān)閉映射等操作；數(shù)據(jù)映射接口是在獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)2.2節(jié)提出的數(shù)控裝備信息描述語義方法對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行聲明和定義，并采用Adapter開發(fā)包DataItem類中的setValue()函數(shù)對(duì)DataItem和裝備關(guān)鍵信息進(jìn)行綁定和集成，將設(shè)備數(shù)據(jù)的各屬性和值組織為以時(shí)間戳開頭且由字符‘|’分隔的簡(jiǎn)單純文本流并生成報(bào)文，如圖10所示。最后采用sendChanged()方法將報(bào)文通過Socket服務(wù)器發(fā)送到Agent。

(3)互操作交互功能 服務(wù)子模塊實(shí)際是服務(wù)于另一臺(tái)設(shè)備的微型HTTP客戶端，其采用訂閱的方式輔助設(shè)備獲取并解釋另一臺(tái)設(shè)備的Interface狀態(tài)；決策執(zhí)行子模塊根據(jù)該狀態(tài)決策是否執(zhí)行響應(yīng)，并驅(qū)動(dòng)中間件直連設(shè)備的控制器執(zhí)行相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作。綜上，互操作交互模塊的輸入是中間件Agent發(fā)布的Interface狀態(tài)，輸出是驅(qū)動(dòng)設(shè)備控制器執(zhí)行活動(dòng)的指令。

3.2 數(shù)控裝備互聯(lián)互通互操作

3.2.1 基于HTTP協(xié)議應(yīng)用層數(shù)據(jù)的獲取

中間件的Agent提供了RESTful接口，支持HTTP1.0并支持中間件使用統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符(Uniform Resource Identifier，URI)標(biāo)識(shí)從代理請(qǐng)求的特定信息，任何可理解HTTP應(yīng)用協(xié)議的組件、客戶端或系統(tǒng)均可采用標(biāo)準(zhǔn)化的接口，并與中間件的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)交互的步驟如下：①客戶端或系統(tǒng)向中間件發(fā)出讀取特定數(shù)據(jù)信息的HTTP請(qǐng)求；②作為響應(yīng)，XML生成器將對(duì)應(yīng)的數(shù)控裝備信息封裝并反饋給客戶端。因此，客戶端只需解析通過特定URI格式傳輸?shù)腦ML文檔，即可獲得統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)。根據(jù)使用需求與應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)置基于應(yīng)用層數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的HTTP請(qǐng)求類型主要有Probe，Current，Sample 3種，分別用于設(shè)備查詢、數(shù)值查詢和采樣查詢，采用URI格式可以從查詢結(jié)果獲取特定需求的數(shù)據(jù)。在應(yīng)用層和中間件進(jìn)行交互時(shí)，首先發(fā)起Probe請(qǐng)求，從返回的MTConnectDevices文檔中獲取描述數(shù)控裝備的組件和數(shù)據(jù)項(xiàng)信息；然后根據(jù)需求選擇Current請(qǐng)求或Sample請(qǐng)求獲取相應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)。Probe請(qǐng)求的實(shí)現(xiàn)過程如圖11所示，包括返回的文檔和經(jīng)瀏覽器解析后的結(jié)果。

3.2.2 基于Interface組件的裝備互操作

基于MTConnect的互操作交互方式類似于請(qǐng)求/響應(yīng)狀態(tài)機(jī)，請(qǐng)求方和響應(yīng)方的接口服務(wù)數(shù)據(jù)項(xiàng)的每一種取值對(duì)應(yīng)交互服務(wù)進(jìn)度的不同狀態(tài)，互操作交互正是通過相互監(jiān)測(cè)狀態(tài)變化判斷是否滿足任務(wù)執(zhí)行條件，來完成所謂的“請(qǐng)求”與“響應(yīng)”，這種交互機(jī)代替了傳統(tǒng)的直接控制方式，而且交互條件越多，安全性越高。請(qǐng)求方和響應(yīng)方的狀態(tài)含義如表3所示，其交互流程如圖12所示，為簡(jiǎn)化交互機(jī)制，不包括FAIL和NOT_READY狀態(tài)交互。當(dāng)裝備作為請(qǐng)求方時(shí)，其狀態(tài)機(jī)流程如圖12下半部分所示；當(dāng)裝備為響應(yīng)方時(shí)，其狀態(tài)機(jī)流程如圖12上半部分所示。請(qǐng)求方和響應(yīng)方的數(shù)據(jù)項(xiàng)狀態(tài)均從READY開始，最后返回到READY，具體步驟如下：①請(qǐng)求方數(shù)據(jù)項(xiàng)狀態(tài)從READY轉(zhuǎn)化為ACTIVE；②響應(yīng)方通過訂閱的方式監(jiān)測(cè)請(qǐng)求方數(shù)據(jù)項(xiàng)的變化；③經(jīng)過檢測(cè)，響應(yīng)方接口服務(wù)項(xiàng)的值READY轉(zhuǎn)換為ACTIVE，表示開始執(zhí)行互操作任務(wù)；④一旦操作任務(wù)完成，響應(yīng)方的接口服務(wù)數(shù)據(jù)項(xiàng)值即變?yōu)镃OMPLETE；⑤請(qǐng)求方監(jiān)測(cè)響應(yīng)方的服務(wù)數(shù)據(jù)項(xiàng)取值為COMPLETE；⑥請(qǐng)求方將數(shù)據(jù)項(xiàng)轉(zhuǎn)換回READY狀態(tài)，確認(rèn)服務(wù)已經(jīng)執(zhí)行完成；⑦響應(yīng)方通過訂閱的方式監(jiān)測(cè)本次請(qǐng)求方數(shù)據(jù)項(xiàng)是否已經(jīng)返回COMPLETE狀態(tài)；⑧確認(rèn)步驟⑦后，將響應(yīng)方數(shù)據(jù)項(xiàng)的狀態(tài)返回到READY。另外，用狀態(tài)值FAIL表示請(qǐng)求方和響應(yīng)方交互失敗，從而提升互操作的安全性。

表3 請(qǐng)求方和響應(yīng)方狀態(tài)的含義

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

為驗(yàn)證本文所提數(shù)控裝備建模方法及互聯(lián)互通互操作的可行性和合理性，搭建了數(shù)控裝備互聯(lián)互通及互操作試驗(yàn)平臺(tái)，如圖13所示。平臺(tái)設(shè)計(jì)了一條包括藍(lán)天數(shù)控(GJ)、凱恩帝數(shù)控(KND)、發(fā)那科數(shù)控(Fanuc)、西門子數(shù)控(Siemens)在內(nèi)的4種數(shù)控機(jī)床和一臺(tái)廣州數(shù)控機(jī)器人(GSK Robot)組成的模擬生產(chǎn)線，通過數(shù)控系統(tǒng)的通訊協(xié)議或通過傳感器和數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合的方式采集數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)控裝備互聯(lián)互通互操作中間件的開發(fā)

上述數(shù)控裝備關(guān)鍵信息的描述語義如表4所示，包括設(shè)備信息、主軸、進(jìn)給平動(dòng)軸、進(jìn)給回轉(zhuǎn)軸、功能屬性、控制程序、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。

根據(jù)數(shù)控裝備關(guān)鍵信息描述語義、映射方法及MTConnect標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)描述，建立數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人信息模型。圖14所示為參與互操作任務(wù)的西門子數(shù)控機(jī)床的信息模型。

本文根據(jù)中間件架構(gòu)和各個(gè)模塊的關(guān)鍵技術(shù)完成了中間件的開發(fā)，只需導(dǎo)入與通訊協(xié)議對(duì)應(yīng)的DLL文件，并通過配置裝備IP、加載信息模型路徑等內(nèi)容的方式，即可實(shí)現(xiàn)中間件對(duì)上述5種不同數(shù)控系統(tǒng)的通訊協(xié)議的自適配和加載。表5所示為DLL文件封裝的底層設(shè)備通訊協(xié)議表，圖15所示為中間件的配置文件信息。

4.3 數(shù)控裝備縱向集成驗(yàn)證場(chǎng)景

試驗(yàn)采用改進(jìn)的通用MTConnect遠(yuǎn)程客戶端獲取5種異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)，測(cè)試設(shè)備源數(shù)據(jù)面向MTConnect映射的可行性及映射方法的合理性。另外，采用“基于HTTP協(xié)議的應(yīng)用層數(shù)據(jù)獲取技術(shù)”開發(fā)某公司的數(shù)字化車間管理信息系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控模塊，測(cè)試該互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)監(jiān)控功能。

表4 數(shù)控裝備關(guān)鍵信息描述語義

表5 DLL文件封裝的底層設(shè)備通訊協(xié)議表

圖16所示為通用MTConnect遠(yuǎn)程客戶端的界面，其支持多類型設(shè)備切換、模型樹瀏覽、單個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)監(jiān)控及數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控等功能。所獲取的發(fā)那科數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)如圖16所示，映射后的數(shù)據(jù)滿足MTConnect和數(shù)控裝備信息描述語義的要求，證明采用本文所提映射方法將設(shè)備源數(shù)據(jù)面向MTConnect映射能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。圖17所示為某公司的機(jī)床齒輪制造數(shù)字化車間監(jiān)控與管理系統(tǒng)，無需關(guān)注設(shè)備底層協(xié)議，采用HTTP請(qǐng)求即可完全獲取設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)的設(shè)備信息管理模塊對(duì)車間設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.4 數(shù)控裝備橫向集成驗(yàn)證場(chǎng)景

本文采用西門子數(shù)控機(jī)床控制發(fā)那科數(shù)控機(jī)床開關(guān)門的場(chǎng)景來驗(yàn)證數(shù)控裝備間的互操作功能，采用“基于Interface組件的裝備互操作技術(shù)”進(jìn)行機(jī)床開關(guān)門任務(wù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，測(cè)試平臺(tái)的互操作能力。請(qǐng)求方和響應(yīng)方的互操作組件信息模型如圖18所示。

請(qǐng)求方和響應(yīng)方的狀態(tài)變換條件設(shè)計(jì)如表6所示(以開自動(dòng)門為例)，為簡(jiǎn)化互操作流程，驗(yàn)證過程不考慮FAIL和Not_READY兩種狀態(tài)。

得到的發(fā)那科數(shù)控機(jī)床(響應(yīng)方)中間件互操作模塊的部分代碼如圖19所示，表明應(yīng)用中間件設(shè)計(jì)架構(gòu)開發(fā)的互聯(lián)互通互操作中間件和所提“基于Interface組件的裝備互操作技術(shù)”能夠支持基于語義的互操作，相比直接驅(qū)動(dòng)的互操作，其互操作安全性更高。另一方面，該互操作實(shí)現(xiàn)方法支持自定義Interface接口，并可擴(kuò)展到任意數(shù)控裝備之間，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)床與機(jī)器人制造單元甚至生產(chǎn)線的自動(dòng)化。在其他方面，互操作設(shè)計(jì)和開發(fā)便捷、原理一致，能夠提高易用性，降低互操作的成本和難度。

表6 OpenDoor_Fanuc數(shù)據(jù)項(xiàng)狀態(tài)變換條件表

5 結(jié)束語

本文基于開源通訊協(xié)議MTConnect實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)數(shù)控裝備信息模型標(biāo)準(zhǔn)化及互聯(lián)互通互操作，解決了裝備集成過程中的源數(shù)據(jù)異構(gòu)、共享困難、成本高等問題。研究有如下創(chuàng)新：

(1)提出一種普適的數(shù)控裝備互聯(lián)互通互操作技術(shù)架構(gòu)，該架構(gòu)由設(shè)備層、組網(wǎng)設(shè)施、映射與協(xié)議集成層、應(yīng)用層、數(shù)控裝備標(biāo)準(zhǔn)化信息模型建模技術(shù)、互聯(lián)互通互操作實(shí)現(xiàn)技術(shù)組成，可有效降低實(shí)施設(shè)備集成和互聯(lián)互通互操作的難度和成本。

(2)建立了可擴(kuò)展的數(shù)控裝備信息描述語義一致性描述方法，以及描述語義面向MTConnect信息模型的映射規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了裝備信息模型的標(biāo)準(zhǔn)化和解析方式的一致性。

(3)針對(duì)裝備源數(shù)據(jù)異構(gòu)、通訊協(xié)議不一，難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的互聯(lián)互通互操作問題，提出基于集成可配置中間件開發(fā)的數(shù)控裝備互聯(lián)互通互操作策略，該中間件包括協(xié)議適配前端模塊、映射與數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、Agent、互操作交互模塊等，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)數(shù)控裝備間和裝備與上層應(yīng)用間的互聯(lián)互通互操作。

上述研究成果在所搭建的互聯(lián)互通互操作驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，證明了相關(guān)技術(shù)、方法、架構(gòu)等的可行性和有效性，相比直接驅(qū)動(dòng)的互聯(lián)互通互操作，具有更好的安全性、擴(kuò)展性和易用性。未來研究將在以下方面展開：① 豐富描述語義、映射規(guī)則、建模方法，進(jìn)而面向更多復(fù)雜數(shù)控裝備形成行業(yè)內(nèi)/國內(nèi)推廣的標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)國內(nèi)裝備互聯(lián)互通互操作協(xié)議/標(biāo)準(zhǔn)的空缺；②提升中間件的通用性、易用性和可擴(kuò)展性，豐富中間件功能和開發(fā)資源，推動(dòng)中間件與數(shù)控裝備/系統(tǒng)的出廠配套服務(wù)。