基于NC-Li nk的機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

賴權(quán)輝 唐林杰 鐘家明

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528255；2.佛山智能裝備技術(shù)研究院，廣東佛山 528255）

0 引言

隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)制造業(yè)逐漸開始向著智能制造過渡，其中智能制造的關(guān)鍵技術(shù)在于數(shù)控裝備與應(yīng)用系統(tǒng)的信息交互。由于數(shù)控裝備屬于多源異構(gòu)的系統(tǒng)，數(shù)控裝備之間通信具有非常大的差異，沒有統(tǒng)一用于通信的現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)設(shè)備之間的信息交互以及數(shù)控裝備與應(yīng)用系統(tǒng)的信息交互變得困難。目前，在數(shù)控裝備互聯(lián)互通方面，國內(nèi)外都進(jìn)行了一定的探索和研究，國外設(shè)備通信協(xié)議主要有OPC UA協(xié)議等，國內(nèi)設(shè)備通信協(xié)議有NC-Link協(xié)議[1]等。

本文采用國內(nèi)自主研發(fā)的NC-Link技術(shù)開發(fā)了一套機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以隨時(shí)訪問不同品牌的機(jī)器人，實(shí)時(shí)讀取機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息。隨著工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，工業(yè)設(shè)備也越來越復(fù)雜，設(shè)備之間采用的通信協(xié)議不一樣，增加了統(tǒng)一管理設(shè)備數(shù)據(jù)的難度，為了更好地提高設(shè)備之間的協(xié)同能力，尋求不同設(shè)備之間建立簡(jiǎn)單的通信方法成為當(dāng)前的緊急任務(wù)。NC-Link采集系統(tǒng)的核心在于如何設(shè)計(jì)NC-Link適配器，NC-Link適配器可以將底層設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程客戶端上，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能[2]。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而縮短停機(jī)時(shí)間，減少突發(fā)事故的發(fā)生，降低維護(hù)和維修成本，提高生產(chǎn)效率。

1 機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)架

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分成三層，如圖1所示，第一層為設(shè)備層，中間層為NC-Link層，最上層為應(yīng)用層。

圖1 工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要由兩臺(tái)機(jī)器人構(gòu)成，提供數(shù)控系統(tǒng)所有的原始數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行應(yīng)用層的指令。NC-Link層由NC-Link適配器與NC-Link代理器組成，是NC-Link互通互聯(lián)的最核心部分。其中，NC-Link適配器負(fù)責(zé)從機(jī)器人中讀取運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行格式解析和轉(zhuǎn)換，再將讀取出來的數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的格式發(fā)送到NC-Link代理器，NC-Link適配器還能夠接收從NC-Link代理器傳來的信息，然后將信息發(fā)送給指定的數(shù)控裝備。

整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)控裝備層、NC-Link層和應(yīng)用層組成，通過適配器與設(shè)備層的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行通信，適配器將數(shù)據(jù)上傳至MQTT服務(wù)器，路由器將信息傳輸至阿里云服務(wù)器端，通過阿里云服務(wù)器將工業(yè)機(jī)器人的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程的監(jiān)控面板。

2 工業(yè)機(jī)器人與遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的通信

工業(yè)機(jī)器人與遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端通信的工作原理如圖2所示，API Server是基于NC-Link適配器開發(fā)的一個(gè)微服務(wù)應(yīng)用程序，客戶端可以直接發(fā)送HTTP請(qǐng)求給API Server來實(shí)現(xiàn)和數(shù)控機(jī)床之間的通信功能。API Server和設(shè)備之間，通過MQTT服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，兩者需要分別與MQTT服務(wù)器建立連接。采用訂閱/發(fā)布的模式，設(shè)備和API Server會(huì)從MQTT Server訂閱相應(yīng)內(nèi)容的topic，MQTT Server接收到相應(yīng)的topic后推送相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容給發(fā)起訂閱的設(shè)備或者API Server。客戶端應(yīng)用從API Server通過HTTP請(qǐng)求/響應(yīng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最終實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的交互。

圖2 工業(yè)機(jī)器人與遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的通信工作原理

3 NC-Link適配器設(shè)計(jì)

適配器是客戶端和代理端與機(jī)器人進(jìn)行通信的橋梁。針對(duì)華數(shù)Ⅲ型機(jī)器人的二次開發(fā)接口進(jìn)行適配器設(shè)計(jì)，適配器從下到上分成三層：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)字典層、數(shù)據(jù)接口層。

3.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層是應(yīng)用層與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行通信的橋梁，本文以華數(shù)Ⅲ型機(jī)器人為例，應(yīng)用層發(fā)送連接請(qǐng)求，適配器收到請(qǐng)求后，調(diào)用華數(shù)Ⅲ型機(jī)器人的二次開發(fā)接口進(jìn)行連接。機(jī)器人調(diào)用華數(shù)Ⅲ型機(jī)器人的二次開發(fā)接口連接函數(shù)isConnected()，不同的機(jī)器人需要調(diào)用不同的網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)。機(jī)器人連接代碼如圖3所示。

圖3 連接機(jī)器人代碼

3.2 數(shù)據(jù)字典層

數(shù)據(jù)字典層是對(duì)機(jī)器人的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的定義，設(shè)備模型是設(shè)備實(shí)體在信息空間的信息化映射。設(shè)備模型的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)機(jī)器人主要部件的屬性信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)都應(yīng)該展現(xiàn)出來。機(jī)器人的設(shè)備模型應(yīng)該包含以下設(shè)備信息：設(shè)備ID、類型和名稱等識(shí)別標(biāo)志信息，設(shè)備組成部件及部件的下屬組件的相關(guān)信息，設(shè)備軸數(shù)、通道數(shù)、切削速率等相關(guān)信息。

一個(gè)完整的數(shù)控裝備信息模型包括以下五類對(duì)象，分別是根對(duì)象、設(shè)備對(duì)象、組件對(duì)象、數(shù)據(jù)對(duì)象以及采樣通道對(duì)象。根對(duì)象是模型中最外層的對(duì)象，包括其他的四類對(duì)象，根對(duì)象主要包含信息模型的基本信息，比如信息模型的名稱和唯一標(biāo)志；設(shè)備對(duì)象用于描述設(shè)備中的類型、配置等相關(guān)信息；組件對(duì)象用于描述設(shè)備下組件的參數(shù)；數(shù)據(jù)對(duì)象用于對(duì)數(shù)控設(shè)備的各類相關(guān)參數(shù)以及采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，其中包含可修改的數(shù)據(jù)和不可修改的數(shù)據(jù)，可修改的數(shù)據(jù)除了可以查閱外還可以修改，不可修改的數(shù)據(jù)只能用來查閱；采樣通道對(duì)象主要用于描述數(shù)控設(shè)備中可以進(jìn)行采樣的數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的采集周期。

根據(jù)信息交互模型和實(shí)際系統(tǒng)建立的工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)模型如圖4所示。

圖4 基于NC-Link的機(jī)器人數(shù)據(jù)模型

3.3 數(shù)據(jù)接口層

數(shù)據(jù)接口層的作用主要是與MQTT代理器或客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。將應(yīng)用系統(tǒng)、代理器、適配器之間的通信規(guī)則統(tǒng)一稱為NC-Link接口。NC-Link接口定義了8種通信接口，常用的有3種——模型偵測(cè)、數(shù)據(jù)查詢以及數(shù)據(jù)采樣[3]。機(jī)器人的模型偵測(cè)功能測(cè)試如圖5所示，數(shù)據(jù)查詢功能測(cè)試如圖6所示，數(shù)據(jù)采樣功能測(cè)試如圖7所示。

圖5 機(jī)器人的模型偵測(cè)功能測(cè)試

圖6 機(jī)器人的數(shù)據(jù)查詢功能測(cè)試

圖7 機(jī)器人的數(shù)據(jù)采樣功能測(cè)試

4 云端服務(wù)器與遠(yuǎn)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

本文選擇B/S架構(gòu)作為通信的開發(fā)架構(gòu)，應(yīng)用MySQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和提取報(bào)文數(shù)據(jù)。當(dāng)智能監(jiān)控模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)被云端服務(wù)器接收時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)直觀地顯示在客戶端的人機(jī)界面上，從而完成服務(wù)器和客戶端的交互。

通過C#語言編程遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端的界面如圖8所示，通過連接阿里云服務(wù)器，從阿里云服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端界面主要采集兩個(gè)機(jī)器人的位置信息和運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端

5 系統(tǒng)測(cè)試

在遠(yuǎn)程客戶端和適配器端增加時(shí)間戳，通過計(jì)算兩個(gè)時(shí)間戳之差測(cè)得單線程時(shí)延為3 ms。通過JMeter軟件進(jìn)行服務(wù)器的壓力測(cè)試，結(jié)果如表1所示。根據(jù)項(xiàng)目管理系統(tǒng)的需求，首先并發(fā)用戶數(shù)從1開始逐漸增加到100，最大并發(fā)用戶數(shù)為500，滿足系統(tǒng)的要求[4]。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于NC-Link協(xié)議的工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)不同的機(jī)器人協(xié)議到NC-Link標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同品牌的工業(yè)機(jī)器人工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本文通過對(duì)數(shù)據(jù)采集接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人不同協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，可以解決不同品牌機(jī)器人的差異性和協(xié)議的多樣性帶來的上位機(jī)多樣性問題[5]。除此之外，系統(tǒng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的時(shí)延為3 ms，滿足網(wǎng)絡(luò)的性能要求。