面向智能制造的OPC_UA总线桥通信系统研发_钟华.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 .：.本文引用格式：钟华，张宇，李鸣，等面向智能制造的 总线桥通信系统研发机床与液压，（）：，（）：收稿日期：作者简介：钟华（），男，硕士研究生，研究方向为控制工程。：.。面向智能制造的 总线桥通信系统研发钟华，张宇，李鸣，查仙明（南昌大学信息工程学院，江西南昌）摘要：各种异构信息源工业设备间通信是实现智能制造关键落地技术。针对此问题，研发一种基于 的总线桥通信系统。构建嵌入式总线桥，硬件上支持与 接口和 接口，软件上在 系统基础上移植 协议栈，实现传感器与 数控系统通信。实验结果表明：使用总线桥实现了底层设备与数控系统间的通信，具有跨平台性与简便性，使智能制造成为可能。关键词：智能制造；数控系统；技术；总线桥中图分类号：，（，）：（），：；前言智能制造技术如何辐射到传统制造业，是当前面临的难题。制造业设备如数控机床、工业机器人、传感器设备急需整合成一个整体，统一管理，但是设备通信协议与接口各不相同，这给信息集成与交互带来了极大的困难。随着工业.的提出，为工业车间内不同设备建立统一的通信模式为此问题提供了解决方案，成为目前研究热点。（）协议是当前工业领域通用的数据传输标准之一，它实现了智能制造车间各层之间的数据语义统一。技术己被国内外许多工业控制软件认可，其应用场景十分广泛。数控机床作为智能制造的核心设备，亟需建立一套标准高效的通信系统，架构提供了一种理想的实现方案，国内外学者对此进行了一些探索和研究。宋庭新、李轲提出智能制造车间数据通信构架，使用 技术，验证了 构架数据通信的可行性。谢春秋等通过对 数控机床内置的 服务器实现远程设备监控，实现了工业现场与实验室计算机之间的数据传输。夏文霞等通过研究 与 技术的融合，在机床加工现场进行实现。焦瑀阳等将嵌入式 客户端应用到锻造车间中，提出面向锻造车间的数据采集方案。胡飞等人基于 进行数控机床信息建模，在实际数控系统上进行验证。本文作者在分析 通信框架的基础上，运用 协议，研发数控机床通信总线桥，实现嵌入式设备与工业数控机床通信。通信基本构架与工作原理.的通信模式 是一种跨平台通信构架。该构架经过多次完善与更新，是国际认可的工业通信标准接口，是工业.时代智能制造产业的一种可行的通信解决方案。核心是通信机制和信息建模。模型能够覆盖数控系统，并以标准化方式进行通信。技术使用面向服务的体系结构（，）来实现数据交换，其体系结构首先是通过建模将数据转换为信息，接着客户端通过不同方式操作服务器地址空间中的信息。在 规范中，这些服务按照用例可以分为不同服务集。服务集的功能描述见表。表 服务集功能描述.服务集服务功能描述发现浏览节点读写 读 写属性订阅 发送订阅调用调用方法历史历史事件修改 增 删结构 实现上述服务集操作，使用通信栈进行通信，如图 所示。图 通信模式.通信栈是介于硬件和应用之间的一个软件模型层，它提供各种功能如编码解码、加解密发送接收消息。通信栈的存在使 服务器和客户端的数据交互，不需要考虑编码层、安全层和传输层而是专注于网络层。客户端与服务器连接由 表示。连接是有状态的，并存储部分接收的消息，连接包含指向底层网络实现的函数指针，同时封装了所有必需的网络功能。这使得嵌入式系统上的用户可以实现自己的网络插件，并具有与主 库的清晰接口。.通信系统架构通信的具体实现方法是将 客户端嵌入底层设备中，与数控机床自带的 服务器进行通信。客户端通过接口访问地址空间中的信息。所有通信都基于请求 响应模式。连接过程如图 所示由 个级别嵌套组成：原始连接、安全通道和会话。首先通过主机名与端口号进行 连接，接着请求打开安全通道。经过服务器安全校验后接受新通道，把原始连接与安全通道关联起来，建立安全通道连接，建立安全通道后，客户端发送创建会话请求，服务器创建会话后返回该响应。图 创建连接过程.的通信架构分为 层：（）底层设备层。在这一层，设备的基本数据和状态数据首先封装在 服务器中，本文作者使用机床自带的 服务器发布消息。（）通信层。通信层连接底层设备和上层管理信息系统。（）信息管理层。该层的作用是根据需要，通过 客户端收集设备层的数据，存储在数据库或其他应用系统中。目前的研究多为通过 端与底层设备实现 通信，本文作者提出使用总线桥实现数据通信。总线桥通信系统研发以西门子 机床数控系统为例开发 总线桥，实现嵌入式设备与工业设备的通信。的通信核心是通信栈，根据通信栈构建服务器与客户端有两种方式，即根据 目前的 种规范直接开发或者使用 间接开发。为了在开发应用时可以专注于网络层开发，提供了官方。本文作者选用以 为基础的 开发框架。该开发包是官方提供的规范版本，可用于嵌入式 系统下。通信的方案如下：（）确定底层设备需要传递的信息模型结构与信息内容；（）使用语言，调用 在嵌入式设备上使用 通信协议将底层传来的数据进行解析；（）上层界面进行数据显示。标准的机床信息模型在 数控系统自带的 服务器中已经构建好。使用移动端 操作系统的嵌入式设备实现通信与显示。.总线桥的硬件系统此总线桥的主要功能是将外置传感器与机床进行通信。官方提供了、三种，为便于嵌入式设备开发，选用第三种 语言。设计 系统的嵌入式硬件，总线桥选用 架构的 处理器，要组成最小系统还需要外接位宽为 的 芯片作为扩展内存，此外还需要外接 与 来作为程序存储空间。用户编写的程序存储在 芯片中，当机床与液压第 卷最小系统上电时，开始执行 芯片内部的引导程序。总线桥外设部分设计 接口与 接口分别连接传感器与机床，硬件系统见图。图 总线桥硬件系统.使用的网络通信包含了 层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。而最底层是数据链路层（层）和物理层（层）。处理器中己经集成有 层，只需要外接一片 芯片并连接 端口即可构成网络通信的硬 件 基 础。文 中 使 用 芯 片 内 部 的 层 加 然后外接网络变压器和 端口实现通信的接口。设计好硬件之后，完成启动加载器、根文件系统和内核三部分工作后就能在嵌入式硬件平台上顺利运行 系统。剩下的工作就是应用程序的编写，即在应用层上通过 编写具体与机床数控系统通信的功能。.总线桥工作流程 构架的总线桥与数控机床通信流程如图 所示。机床内部信息通过 文件存储。这是一种可扩展标记语言，通过提供统一的方法来描述和交换结构化数据，用户可自定义新的标识及属性名。服务器发布机床信息，服务器通过 协议进行通信，使用 语言代码构建 客户端，使用 客户端获取服务器数据，通过设计好的界面显示。图 基于 构架的总线桥与数控机床通信方案.编程时，客户端通过网络地址中服务器的 地址和端口号进行连接，成功后使用 协议格式进行通信。具体的通信流程如图 所示。图 基于 架构的总线桥通信流程.在嵌入式设备上运行后就成功实现外置传感器与机床的通信。实验验证.实验设置根据实验设置框图描述实验计划。在机床上设置传感器，采集温度数据。总线桥与西门子 数控系统机床进行通信，实验设置如图 所示。图 实验设置.具体实验操作根据提供的数控机床端口号与 地址，客户端通过调用 服务来初始化，通过 端口与 服务器所用的 以太网接口通信。图 显示了服务器连接到嵌入式设备的机床控制面板界面。该界面显示机床服务器已经成功连接客户端，建立了安全通道。图 服务器成功连接客户端.总线桥通过以太网口与数控机床通信。读取温度数据后，通过客户端的写入功能，将数据发送给 变量并显示，如图 所示。第 期钟华 等：面向智能制造的 总线桥通信系统研发 图 变量界面.上述内容显示此次连接是否成功，以及每次访问的时间、步骤、地址空间等信息。结束语本文作者基于嵌入式系统，研发了一套 通信架构总线桥，实现了数控铣床中外加底层设备与 数控系统的通信交互。基于 的通信架构，并不单局限于某种嵌入式设备，同时又兼顾可扩展性。总线桥能使数控机床与底层设备以标准化、统一化的方式进行通信，为智能制造提供参考。参考文献：王眇，张振明，李龙，等数控技术发展状况及在智能制造中的作用航空制造技术，（）：，（）：，：，：宋庭新，李轲基于 的智能制造车间数据通信技术及应用中国机械工程，（）：，（）：谢春秋，余淑荣，许正军，等基于 的数控机床远程监控系统研究机械设计与制造工程，（）：，（）：夏文霞，庞伶俐，李冬冬，等 与 融合在工业测试床的应用制造业自动化，（）：，：，（）：焦瑀阳，李丽，聂华，等采用 统一架构的锻造车间能耗数据采集与监管系统中国机械工程，（）：，（）：胡飞，胥云，廖映华，等基于 的数控机床信息建模与通信研究机床与液压，（）：，（）：丁国龙，汤明俊，邱兆祥，等基于西门子 的轧辊磨削软件开发机床与液压，（）：，（）：叶佩青，张勇，张辉数控技术发展状况及策略综述机械工程学报，（）：，（）：王立平，张兆坤，邵珠峰，等机床制造加工数字化车间信息模型及其应用研究机械工程学报，（）：，（）：，：，：刘丹，赵艳领，谢素芬基于 的数字化车间互联网络架构及 开发实现中国仪器仪表，（）：，（）：王立萍基于 标准的数据存取客户端应用开发机床与液压，（）：，（）：禹鑫燚，殷慧武，施甜峰，等基于 的工业设备数据采集系统计算机科学，（）：，（）：机床与液压第 卷