基于Ethernet／IP 協(xié)議的數(shù)字化車間設備標準化模型建立與應用研究

孫赫 劉蜜，2 劉林琳，2 石錦成，2 蔣度遠

（1 上海威克鮑爾通信科技有限公司， 上海， 200436；2 貴州航天電器股份有限公司， 貴州， 550000）

引言

“工業(yè)4.0” 指出數(shù)字化車間的建立是其必不可少的環(huán)節(jié)之一[1]。 為了實現(xiàn)車間管理層對生產過程數(shù)據(jù)的管控， 完成對車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、 處理及集成是重要的基礎之一， 信息集成／信息的互聯(lián)互通可消除孤島效應、 為工廠或車間實現(xiàn)數(shù)字化和網絡化提供保障和支持[2-3]。

智能工廠／數(shù)字化車間信息集成指的是網絡層次不同的設備、 系統(tǒng)之間能夠實現(xiàn)網絡聯(lián)通和信息互通， 本質上是實現(xiàn)一致性信息數(shù)據(jù)的傳輸與使用[4-5]， 其關鍵點在于： ①建立網絡使用通信協(xié)議支持， 將物理位置不同或者功能不同的設備或系統(tǒng)連接起來， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸； ②設備和系統(tǒng)能夠一致地表達所傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)， 必須明確所表述的數(shù)據(jù)類型或含義， 進而做到互聯(lián)互通。因此， 建立結構一致的信息模型是信息集成／處理的關鍵。 信息模型指的是對物理對象的抽象并形成的數(shù)據(jù)組織結構， 需要反映實際對象和數(shù)據(jù)之間的關系[6]。 采用信息模型實現(xiàn)對象映射， 完成信息／數(shù)據(jù)的轉換， 將對數(shù)字化、 智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息集成起到關鍵性作用[7]。

特種加工設備作為智能工廠／數(shù)字化車間的重要組成部分， 其從半自動化／自動化模式向信息驅動的網絡化集成控制模式方向發(fā)展非常關鍵， 然而其屬性定義繁雜， 內部軟硬件系統(tǒng)多種多樣， 造成了數(shù)字化車間集成的困難， 所以建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型結構進而規(guī)范設備程序標準體系至關重要。

文獻[8]指出， 標準化信息模型是打破信息孤島、 實現(xiàn)車間之間及其內部設備互聯(lián)互通的基礎。文獻[9]中， 統(tǒng)一構架建立了信息模型， 并定義了在開放性生產控制和統(tǒng)一架構 （OPC UA） 地址空間中的映射規(guī)則， 然后基于 OPC UA 服務器／客戶端實現(xiàn)信息模型數(shù)據(jù)存儲和交互。 文獻[10]基于B／S 架構進行數(shù)字孿生系統(tǒng)設計， 并給出與業(yè)務系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)及接口集成的方法。 在文獻[11]中對數(shù)字化車間參考模型進行了概述與分析。

上述論文論述了數(shù)字化車間的數(shù)據(jù)信息模型的建立是非常重要的環(huán)節(jié)， 信息模型的搭建會更好地縮短設備研制周期， 減少由于信息處理過程中引發(fā)的突發(fā)狀況而造成非必要的數(shù)據(jù)復檢與數(shù)據(jù)缺失。 本文基于Ethernet／IP 協(xié)議建立了統(tǒng)一的并具有很強適用性的數(shù)據(jù)模型， 對生產設備的關鍵數(shù)據(jù)進行了劃分、 歸類及處理， 在設備信息的映射關系上建立同一化標準， 縮短了設備的研發(fā)周期， 并確保了設備信息的完整性， 可有效地為設備信息后續(xù)的集成處理提供支持。

1 基于Ethernet／IP 協(xié)議的信息模型概念

1.1 基本概念

作為自動化控制總線之一的Ethernet／IP 協(xié)議由ODVA 所開發(fā)并得到羅克韋爾自動化公司的支持[12-13]， Ethernet／IP 協(xié)議廣泛應用于數(shù)字化車間，其具備以下幾個主要特征： ①由IEE 802.03 物理層標準、 標準TCP／IP 以太網和通用工業(yè)協(xié)議（CIP） 3 個部分組成Ethernet／IP 協(xié)議； ②符合工業(yè)要求的以太網物理介質和拓撲網絡都可以被Ethernet／IP 協(xié)議所使用， 應用層控制網DeviceNet／ControlNet 可以與Ethernet／IP 協(xié)議無縫集成； ③在高精度時間同步、 分布式伺服及過程控制要求很高的工業(yè)網絡中， Ethernet／IP 工業(yè)以太網都可勝任， 在Ethernet／IP 工業(yè)以太網中， 可以進行現(xiàn)場和遠程監(jiān)控， 并進行診斷與組態(tài)[14]。

模型是人們對客觀對象進行思維抽象后， 基于文字、 圖表、 符號、 關系式等的一種簡化形式[15]，設備數(shù)據(jù)模型是對設備信息、 設備程序及管控數(shù)據(jù)等的模型化， 基于設備本體屬性、 對象屬性及對象之間的關系搭建而成。

本文基于Ethernet／IP 協(xié)議搭建設備元件與設備控制系統(tǒng)間的映射關系， 完成子模型的建立，通過子模型間的關系模型搭建全局信息變量。 通過全局變量搭建設備系統(tǒng)， 完成數(shù)字化車間子設備模型的建立， 并通過搭建的子模型數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)的處理與應用。 建立功能模塊， 通過功能模塊的搭建完成子設備間的互聯(lián)， 最終集成至人機界面， 由使用者進行控制與處理。

1.2 信息模型建立原則

數(shù)字化車間設備信息模型， 首先應當能對具有特征屬性的設備元件進行準確定義， 其次對制造過程數(shù)據(jù)應具有統(tǒng)一的映射關系結構， 最后應具有良好的可拓展性。

設備元件準確定義： 包含伺服、 氣缸、 機械手和人機交互組件等的描述定義及程序結構， 應符合設備功能要求， 最大限度地表達豐富的設備信息。

統(tǒng)一的映射關系結構： 制造過程數(shù)據(jù)對設備單元數(shù)據(jù) （諸如： 設備類型、 設備名稱編碼、 設備生產狀態(tài)及生產件數(shù)等） 要有統(tǒng)一的映射結構關系， 統(tǒng)一的關系描述有利于完成信息模型的建立， 便于數(shù)據(jù)可視化及可靠表達。

良好的拓展性： 在數(shù)字化車間內， 設備對象可能會由于局部的特殊需求而發(fā)生改變， 因此其信息模型必須是開放的， 可以進行拓展升級的，以滿足數(shù)字化車間設備單元的變化。

2 信息模型的建模方法

2.1 信息模型的架構

基于Ethernet／IP 協(xié)議， 對設備單元模型進行數(shù)據(jù)規(guī)劃、 整合并建立標準化數(shù)據(jù)模型。 數(shù)字化車間由相應的功能模型（產品制造、 產品運輸、 產品質量等） 和實現(xiàn)各功能的生產要素 （人員、 設備、物料等） 構建而成。 在信息模型中， 將數(shù)字化車間的各個組成部分定義為組件。 數(shù)字車間內， 元件需要建立合理的數(shù)據(jù)結構和復用性極強的程序模型，且具有極好的拓展性。 基于Ethernet／IP 協(xié)議對數(shù)字化車間內設備進行信息數(shù)據(jù)分類， 并根據(jù)其具體屬性和組件或對象的關系建立屬性集。

在信息模型中， 信息數(shù)據(jù)可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)[16-17]。 靜態(tài)數(shù)據(jù)顧名思義， 指的是靜態(tài)的或者具有較弱的變化性， 如資產標識、 訂單數(shù)據(jù)、 物料編碼、 設備機構單元等。 動態(tài)信息指的是會隨著生產過程而變化， 在實際生產過程中會被消除或被替換的數(shù)據(jù)， 一般為設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、零件生產過程記錄數(shù)據(jù)， 如設備狀態(tài)、 產品尺寸、產品加工數(shù)量、 設備的加工停止時間等。 根據(jù)信息數(shù)據(jù)的靜態(tài)性和動態(tài)性， 將設備屬性進行劃分，靜態(tài)屬性形成靜態(tài)屬性集， 動態(tài)數(shù)據(jù)形成過程控制屬性集。 屬性集對元件內的固有屬性進行定義并通過模塊化數(shù)據(jù)結構進行描述， 具體信息模型樹樁層次圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)字化車間信息模型層次結構圖

車間信息模型由設備屬性集 （Q1， Q2， Q3，…） 構建而成， 每個設備屬性集包含靜態(tài)屬性集和過程控制屬性集， 靜態(tài)屬性集包含多種靜態(tài)子信息， 靜態(tài)子信息中包含設備的屬性對象， 屬性對象包含的基礎屬性與設備組件的實際屬性對應。 過程控制屬性集包含多種過程控制子信息， 過程控制子信息包含設備的屬性對象， 其基礎屬性與設備組件之間同樣相互對應。

基礎屬性： 構建單元屬性的基本單元是重要的屬性元素， 例如具有設備單元屬性的標簽、 名稱、數(shù)據(jù)類型等。 數(shù)據(jù)模型的建立需要確認設備基礎屬性的可選性， 以字母 Y 表示必要屬性， 在建模時必須包含該屬性， 字母 C 表示設備屬性可以有所選擇， 即表述該屬性可以使用， 也可以屏蔽。 屬性單元的具體定義規(guī)則見表1。

表1 基礎屬性定義

設備組件： 作為實體對象存在， 是構建設備物理特性或邏輯結構的一部分， 需要通過設備屬性集進行描述。 組件還可以有自身的子組件， 對于同一對象設備組件集由各個子組件構建而成。

設備單元屬性： 設備本身具有固有的性質和特性， 需要定義相應的數(shù)據(jù)進行描述。 設備單元屬性由多個基礎屬性構建， 但基礎屬性之間存在各自獨立的關系， 如設備某軸的定位位置是一個單獨的屬性， 該屬性及其包含的基礎屬性的示例見表1 第四列。

設備屬性集： 作為一系列設備屬性的集合，既可以由若干個子屬性集組合而成， 也可以由若干個設備信息對象的屬性進行組合。

數(shù)字化車間設備信息模型是一個支持拓展的數(shù)據(jù)結構， 設備屬性集和設備組件之間可進行相互嵌套。 設備屬性集、 設備組件構成了車間信息模型的結構化描述， 作為信息模型， 其具有代表性， 可以映射某個特定的設備組件， 也可以作為抽象的信息模型而存在。

2.2 信息模型的搭建

以數(shù)字化車間內設備的構成組件及基礎屬性元素進行功能模型的定義， 對設備內部靜態(tài)信息及其過程控制信息進行劃分， 搭建設備硬件信息模型， 適用于包含主要功能元件的數(shù)據(jù)結構及程序功能模塊。

靜態(tài)屬性集建立原則為： ①在生產過程中變化?。?②不因為時間或者空間變化而發(fā)生變化的數(shù)據(jù)。 過程控制屬性集建立原則為： ①隨著生產過程而發(fā)生變化； ②與設備的邏輯控制及加工過程相關聯(lián)。

搭建實體功能模型主要有伺服系統(tǒng)模型組件搭建、 氣缸系統(tǒng)模型組件搭建、 機器人系統(tǒng)模型搭建、 人機交互系統(tǒng)模型組件搭建等。 這些模型組件主要針對實體元素部分， 對實體組件進行設備單元屬性的劃分， 并定義其操作模式。 模型組件之間存在相互的映射關系， 比如伺服系統(tǒng)模型組件需要與人機交互系統(tǒng)模型組件之間形成映射關聯(lián)， 最終通過交互界面對設備單元進行操作處理。 其架構模型如圖2 所示。

圖2 基于EtherNet／IP 協(xié)議的數(shù)字化車間信息模型架構示意圖

伺服系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)組成結構及相關描述如圖3 所示。 對伺服系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)信息搭建靜態(tài)信息屬性集和過程控制信息屬性集， 靜態(tài)信息屬性集包含： 已使能、 已回零、 報警停止、 位置在席等； 過程控制信息屬性集包含： 使能、 點動、 手動位置、 速度模式等。

圖3 伺服系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)結構示意圖

氣缸系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)組成結構及相關描述如圖4 所示。 對氣缸系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)信息搭建靜態(tài)信息屬性集和過程控制信息屬性集， 靜態(tài)信息屬性集包含： 手動條件、 手動按鈕、 動位信號、 原位信號等； 過程控制信息屬性集包含：點位輸出、 手動中、 自動打開、 自動關閉等。

圖4 氣缸系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)結構示意圖

機器人系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)組成結構及相關描述如圖5 所示。 對機器人系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)信息搭建靜態(tài)信息屬性集和過程控制信息屬性集， 靜態(tài)信息屬性集包含： 機器人狀態(tài)、 報警、 當前位置等； 過程控制信息屬性集包含： 機器人停止、 程序復位、 程序啟動、 點位信息、 運行速度等。

圖5 機器人系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)結構示意圖

人機交互系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)組成結構及相關描述如圖6 所示。 對人機交互模型組件的數(shù)據(jù)信息搭建靜態(tài)信息屬性集和過程控制信息屬性集，靜態(tài)信息屬性集包含： 自動狀態(tài)、 手動狀態(tài)、 報警狀態(tài)等； 過程控制信息屬性集包含： 模式切換、操作按鈕、 各系統(tǒng)手動操作信息。

圖6 人機交互模型組件數(shù)據(jù)結構示意圖

圖3～圖6 對設備單元模型組件進行了數(shù)據(jù)結構的定義， 并且在數(shù)據(jù)結構定義的基礎上完成數(shù)據(jù)模型的規(guī)劃建設。 下面將基于Ethernet／IP協(xié)議對各模型系統(tǒng)組件進行模塊化實現(xiàn)。

3 應用實現(xiàn)

數(shù)字化車間特種加工設備信息模型為基礎框架， 在對實際的數(shù)字化車間進行建模時， 需要基于車間設備單元的實際功能， 按照其組件系統(tǒng)內的基礎屬性進行填充， 形成具有實際意義的信息模型對象， 文章將該過程定義為實例化過程。 信息模型組件具體實現(xiàn)過程中， 需要具體的編程方法和通信機制， 實現(xiàn)對實例化信息系統(tǒng)組件的組織。 在此提供一種基于Ethernet／IP 協(xié)議的信息模型實現(xiàn)方案。

采用硬件為 PC 機 （ win10 系統(tǒng)） 、Systemstudio （1.47 標準版） 、 昆侖通態(tài)屏幕（3.3.2.5166） 及其他組件基于Ethernet／IP 協(xié)議完成PLC 信息數(shù)據(jù)模型的實例化。

伺服系統(tǒng)模型組件變量組件結構及實現(xiàn)如圖7所示。

圖7 伺服系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)模型搭建及實現(xiàn)程序示意圖

氣缸系統(tǒng)模型組件變量組件結構及實現(xiàn)如圖8所示。

圖8 氣缸系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)模型搭建及實現(xiàn)程序示意圖

機器人系統(tǒng)模型組件變量組件結構及實現(xiàn)如圖9 所示。

圖9 機器人系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)模型搭建及實現(xiàn)程序示意圖

人機交互系統(tǒng)模型組件變量組件結構及實現(xiàn)如圖10 所示。

圖10 人機交互系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)模型搭建及實現(xiàn)程序示意圖

數(shù)字化車間應用場景如圖11 所示。 基于Ethernet／IP 協(xié)議建立網絡鏈路， 按照上述模型結構進行數(shù)據(jù)定義、 數(shù)據(jù)處理， 實現(xiàn)程序標準化框架搭建， 在降低設備研制周期的同時， 為后續(xù)可視化及產品質量管控平臺的建立提供支持。

圖11 某數(shù)字化車間局部產線示意圖

4 結論

分析某航天數(shù)字化車間的組織架構、 功能模型， 明確了數(shù)字化車間內設備單元的信息模型建設要求和建模方法。 將數(shù)字化車間設備單元模型按功能領域劃分為伺服系統(tǒng)模型組件、 氣缸系統(tǒng)模型組件、 機器人系統(tǒng)模型組件及人機交互系統(tǒng)模型組件， 提出了按靜態(tài)信息屬性集、 過程控制信息屬性集、 對象、 屬性和基礎屬性的信息模型架構方案， 對設備單元進行了結構化、 層次化及模塊化的信息模型構建。 基于Ethernet／IP 協(xié)議完成設備單元信息模型與人機交互系統(tǒng)組件的關系映射， 驗證結果表明該模型框架的建立是切實可行的。

文中所定義的信息模型具有很強的適用性，對于設備單元的信息模型搭建、 信息集成應用具有重要的參考意義， 本文中所建立的數(shù)字化車間設備單元信息模型可以靈活地拓展應用于其他機械加工或離散制造數(shù)字化車間單元中。 該模型可以有效地提升設備研制效率， 為底層信息集成的規(guī)范化、 標準化提供支持。