Interconnection and Integration of Numerical Control Devices
Interconnection and Integration of Numerical Control Devices
智能制造的主要任务是收集、共享和利用生产数据，工厂或车间中各种数字设备之间的互联和集成是实现这些目标的前提。然而，生产现场中来自不同供应商的数字化设备通常具有不同的数据结构和通信接口，由于接口不兼容导致设备之间无法实现通信互联，产生信息孤岛，从而导致设备利用率低，投资高和产出低。制造商已经采取了许多方法来实现其数字化设备和系统的数字化以及集成。但是，由于缺乏统一的标准，他们的解决方案主要取决于供应商，并且需要大量投资和成本。各种供应商的数字化设备的互连和集成仍然是一个悬而未决的问题。因此，需要一种能够有效实现数字化设备的互连和集成的通用且低成本的解决方案。
通过一致的信息模型与标准互联协议相结合是实现互联互通的理想方法。当前，OPC UA和MTConnect协议已经得到了很好的开发，并广泛用于设备互联领域。 OPC UA和MTConnect都可以用作标准通信协议，同时支持信息建模。基于OPC UA协议和MTConnect协议，本课题组提出了一种基于通用信息模型和模型映射的实现方案，并进行了实验验证。如图1所示，首先通过设备描述规范在各设备控制器本地端建立其信息模型，然后根据面向OPC UA或面向MTConnect协议映射的映射规则为各设备开发内置式模型映射接口或外接式映射适配器，通过映射接口或映射适配器根据规则将控制器收集的模型数据映射到符合使用协议的数字化设备信息模型，外部设备或应用层客户端通过映射接口与数字化设备交互，以通过网络访问数据，从而实现有关数字化设备的监视，分析和其他管理任务。
映射中间件充当设备与其他设备或系统进行通信的外部接口，并且通过中间件公开的数据符合所采用的通信协议的要求。映射中间件屏蔽了不同设备接口和数据结构的异质性，使系统或外部设备可以通过统一协议访问设备并获取信息模型数据。对于外部设备或系统，它们访问的映射接口均符合标准协议，而不用管原始设备系统和数据接口是否一致，都可以实现来自不同供应商的数字化设备的互连和集成。当设备数据发生变化时，信息模型将自下而上更新，以便上级客户端获取更新后的信息。为指导映射中间件的开发，在建立数字化设备信息模型描述方法及其数据字典的基础上，分别研究了面向OPC UA协议的数字化装备模型映射方法和面向MTConnect协议的信息模型映射方法，并详细定义了信息模型结构及其属性数据的映射规则，起草形成了《数控装备互联互通 面向实现的模型映射》推荐性国家标准草案。
最终，建立了实现流程方案并进行了试验验证。实现方案流程图如图3所示，其主要步骤包括：信息获取和建模，模型映射，基于映射模型的信息获取和应用。
1）信息获取和建模。首先，通过设备数字控制器或者外加的传感器获取各类数据，根据信息模型建模需求对数据进行清理，并将预处理后的数据分类和组织为不同类型，并与数据所属的对象相关。建模结构和规则对数据进行结构化和格式化，以建立数控设备的源信息模型。建立XML文件以描述和传输源信息模型。
2）模型映射。模型映射中间件访问数字化设备控制器进行通信，获得源信息模型的XML文件。映射中间件对源信息模型进行解析，并根据定义的面向OPC UA/MTConnect的映射规则来映射模型。获得数字化设备的OPC UA信息模型作为中间件的输出，并将其加载存储到数据库服务器中，此时数据库服务器将充当OPC UA服务器或MTConnect Adapter的角色，通过URL地址可被客户端访问。
3）基于映射模型的信息获取和应用。应用OPC UA/MTConnect客户端通过指定的通信方式访问数据库服务器，从而获得设备所需的信息并显示，实现对设备信息的可视化查看和监控。亦可以在客户端的基础上进一步开发人机交互界面，实现更加可视化的管理和监控应用。
Zhaokun Zhang, Zhufeng Shao, Liping Wang, Yong Luo. Integration of Digital Equipment Based on General Information Model and Model Mapping to MTConnect. // Proceedings of the ASME 2019 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 11-14 Nov 2019, Salt Lake City, UT, USA. DOI: 10.1115/IMECE2019-10732.