基于MTConnect的数控设备网络化监控系统Agent架构的设计与实现

王丽娜, 杨东升, 张 展, 廉梦佳, 张 翔

1(中国科学院 沈阳计算技术研究所有限公司, 沈阳 110168)2(中国科学院大学, 北京 100049)

1 引 言

给在智能制造车间，实时监控数控设备的运行状态，反馈设备的加工状态信息，可以预测设备的加工轨迹，调整加工参数和加工策略以避免机器故障，减少因停机造成的损失，提高生产效率[1].在快速发展的国内外形势下，数控设备的多元化导致数控系统内数据格式存在很大的差异，数据采集时产生了一些"数据孤岛"，难以实现异构设备之间的数据信息共享，因此屏蔽数据差异性的数控设备网络化监控是国内外科研工作者的研究热点.如陆小虎等提出了基于Agent的数控系统信息集成方法[2]，毕筱雪等提出了基于CPS架构的蓝天数控设备智能监控系统[3,4]，该系统充分发挥了物理信息融合的特性，在开放式网络平台实现数控机床的智能监控技术，Torrisi等提出了CyberOPC的远程监控方法，以实现数控机床的集成化、网络化监控[5].

美国制造技术协会(AMT)提出了设备之间数据交换标准MTConnect[6,7]，允许不同的实体在一个制造系统及其相关的嵌入式设备以统一的格式共享数据.MTConnect标准基于XML(可扩展标记语言)，提供广泛认可的、灵活交互的、半结构化机器可读的数据，采用互联网协议，并通过网络传输数据实现数控系统、设备和应用软件之间更广泛的互操作.袁广超等建立了基于MTConnect的"适配器-代理(Adapter-Agent)"通用数控系统实时监控体系[8].

基于"适配器-代理"模式的监控系统，实现过程需要针对不同类型的数据设备设计专用的Adapter完成数据采集与格式转换工作，并通过Socket接口通信将数据传送给Agent，增加了数据传输的次数，对数控设备远程监控的实时性要求造成一定的影响，并且在网络中传输的次数越多对数据的完整性和安全性问题影响越大.为了减少因传输造成的时延及可能存在的数据丢失和数据安全性问题，本文基于MTConnect标准协议，提出了一种通用的采集和规范数控设备信息格式的Agent架构，可以直接在Agent实现对数控设备信息的采集，通过对不同类型设备建立的信息模型解析采集到的数据并转换为规范化的XML文件以响应客户端请求.明确了网络化监控信息流程，实现数控设备的网络化监控，并以开放式蓝天数控系统为应用对象进行系统实验与验证.

2 MTConnect 概述

2.1 MTConnect标准协议

MTConnect标准提供了一种从低层设备到车间以及更高级别的设计等的系统数据交换的解决方案，它为不同设备、系统之间的相互连接提供了一种通信协议，解决了数据跨平台交换、数据格式不兼容的问题，提高了企业的生产效率[9,10].MTConnect采用XML描述设备数据，并采用XML Schema(XML Schema Definition, XSD)格式定义设备的信息模型.

2.2 MTConnect Agent

MTConnect Agent是进行数控设备信息采集的核心，作为一个软件或应用程序从设备或者适配器中采集和处理数据.适配器[11,12]是一组软件或硬件设备，专用于从机床或传感器中进行数据采集并将数据格式转换为Agent[13]可读的格式，为Agent提供结构化数据.Agent作为控制程序的一部分，其功能包括：

1)按照MTConnect协议规范的格式实现对设备数据的描述；

2)Agent作为连接设备和客户端应用程序的桥梁，快速响应客户端的请求和应答；

3)为了使应用程序对设备的监控满足实时性的需求，Agent支持客户端应用程序根据需求请求数据，返回指定数据，减少数据传输时间.

Agent对下列命令分别做出响应：

Probe：设备查询，返回设备文件，包括组件和数据项；Current：数值查询，返回数据匹配路径参数，其他所有数据；Sample：采样查询，返回在位置和(或)间隔之间缓冲区的特定数据；Asset：资产查询，返回资产文件(工具等).

3 基于MTConnect的数控设备网络化监控关键技术

3.1 网络架构

根据数控系统连网方式和数据采集能力，Agent和设备之间的连接方式分为3种：

1)内置Agent方式，对于具有采集能力的开放式数控系统，将Agent作为一个独立的可扩展模块集成到数控系统中，直接获取数控系统信息.

2)通过网络连接，对于提供网络采集能力的数控系统，将Agent配置在数控系统外，通过数控系统提供的网络采集接口采集数控系统的信息.

3)通过串口连接，对于提供串行总线采集能力的数控系统，需要建立相应的串口信息实现与设备的通信.

图1 基于MTConnect的网络架构Fig.1 MTConnect-based network architecture

以上3种方式采集到数控设备信息数据后，按照相应的信息模型生成XML文件，解析封装为规范格式供客户访问.如图1，为基于MTConnect的数控设备互联和监控的网络架构，其中客户端监控系统主要完成对数控设备信息的监控、分析以及决策等工作，客户端监控系统可从多个Agent中获取数据.每个Agent可同时采集一个或多个数控设备的数据信息，以结构化的方式组织数据，并通过响应结构化文档的形式来响应客户端监控系统的数据请求.

3.2 设备信息模型

MTConnect提出了专用的术语来描述设备的信息模型，不同的数控设备按照相同的样本描述设备信息，实现异构设备之间的互操作，MTConnect协议定义的标准化信息模型包括设备集(Devices)、设备(Device)、组件集(Components)和组件(Component)等部分.其中，设备集可以包含一个或多个设备，设备可以是一台机床或一个具体的设备，具有唯一的标识信息；设备可由若干组件集组成，组件集由若干组件组成，组件是被用于组织与组件相关的底层结构元素和数据元素的容器类型，底层的结构元素一般描述为父组件的子组件元素，子组件元素的集合被称为一个组件集.

3.3 设备信息交互Agent的设计与实现

为减少适配器与Agent之间的数据交换，本文对Agent进行了以下功能的扩充：

图2 Agent的架构图Fig.2 Agent architecture diagram

1)Agent必须为不同类型的数控设备提供相应的接口实现数控设备信息的采集；

2)Agent必须支持对采集到的不同类型的数据信息进行数据的解析与格式转换.

Agent作为数控设备网络化监控系统的重要组成部分，其主要任务是采集数控设备信息，并将采集到的信息按照规范的信息模型进行编码，以供客户端请求访问，实现数控设备的网络化监控.本文设计的Agent的架构如图2所示，主要包括数据采集模块、数据处理模块、通信模块、决策与智能控制模块、知识库和基础信息等模块.

基础信息部分主要包括设备配置信息和接口配置信息，提供与不同数控设备通信的接口配置参数信息.知识库模块中针对不同类型的数控设备，建立符合各自设备信息特点的XML Schema设备信息模型，以及根据不同数控设备特点建立的符合MTConnect标准的设备的信息模型.任务表中主要包含读取到的设备任务订单信息，以及Agent的需要完成的任务和功能信息.

数据采集模块主要实现对不同数控设备的信息采集工作.在接口函数中封装了不同接口函数的调用机制，首先，根据设备配置信息以及接口的配置信息，确定通信的方式和协议，连通设备并确保通信可用，如通过网络进行数据采集时，通过调用NetInit()接口函数对网络进行初始化，包括IP、端口号信息等的配置；然后，调用不同的接口函数实现对设备不同数据信息的周期性采样，如调用GetAxis()函数时，系统以100ms的采样频率采集数控设备运行中轴的信息，可以根据数据的实时性要求设置采样频率；最后，将采集到的数据进行初步解析并传送到数据处理模块进行下一步的处理.

数据处理模块由XML生成器、XML映射器、XML封装/发送器三部分组成，主要完成对采集到的数控设备信息描述格式的转换处理过程，首先获取数据采集模块采集的数据信息，解析采集到的数据信息，XML生成器依据采集到的数据类型，结合相应的XML Schema信息模型将数据转换为XML文档，然后XML映射器解析XML文档，获取XML文档中的各个属性，根据相应的设备信息模型进行数据映射，生成规范化的XML文档；最后在XML封装/发送器完成对规范化的XML文档的封装工作，然后发送数据.

通信模块与客户端应用程序之间通过HTTP传输协议进行数据交互.采用请求响应机制响应客户端的请求，传输封装的XML报文信息，便于客户端应用解析，实现数控设备的网络化监控.对于侦听到的客户端请求，首先进行解析，然后到数据处理模块进行数据处理和封装，最后响应给客户端.

决策和智能控制模块作为Agent的智能模块，根据知识库中的信息对数据处理模块处理后的信息进行分析判断，结合任务表中的信息选择适当的任务给相应的模块处理，或者将处理后的信息发送给通信模块实现进一步的通信.执行模块主要是根据决策与智能控制模块发送的任务订单信息或其他的命令，向设备中发送命令.

Agent中进行数据采集和处理时，首先需要确定Agent与设备的连接方式，调用接口配置信息对采集接口进行参数配置，实现Agent与设备的通信，设置采样周期，采集设备信息；然后XML生成器解析采集到的数据并结合相应的XML Schema信息模型将数据转换为XML文件；在XML映射器解析XML文件，获取封装规则定义的各个属性，读取XML文件，实现与设备信息模型的映射，生成规范化的XML文件，并在XML封装/发送器完成XML封装与数据发送.通信模块对于侦听到的客户端请求，首先进行解析，然后到数据处理模块进行数据处理和封装，最后响应给客户端.

3.4 Agent与客户端交互流程

Agent和客户端应用之间以HTTP协议为基础，使用请求/应答机制实现数控设备的网络化监控.客户端首先向Agent发出Probe请求，从返回的设备文件中获取描述设备的组件及数据项信息；然后客户端根据实际需求发出Current请求或Sample请求，从返回的流信息文件中获取数控设备的状态信息或某段时间间隔内的特定数据；最后客户端向Agent发出Asset请求，从返回的资产文件获取设备的资产信息.其会话流程如图3所示.

图3 Agent与客户端会话流程Fig.3 Agent and client session flow

4 系统实验与验证

在验证本文监控方法的可行性时，使用Windows 7操作系统，在VS2013开发环境下进行Agent和客户端监控系统的开发，并将其部署到车间环境，访问自主研发的开放式蓝天数控系统的共享内存[2]以采集系统设备信息，实现对车间数控设备的网络化监控.

4.1 蓝天数控系统设备信息建模

本文以X, Y, Z三轴联动的开放式蓝天数控系统-GJ-301M为例，根据铣床的组成和被采集数据的格式要求，建立铣床设备的信息模型，如图4所示，设备集中定义的一个设备，称为GJ-301M，包括轴、控制器、系统等组件，其中轴组件由一个主轴和三个伺服轴组件构成，每个组件都有多个数据项来描述该组件的主要信息属性，轴组件包括速度、实际位置、指令位置、进给率和执行器状态等相关属性；控制器组件包括工具号、系统状态、程序名称、执行状态、程序块、程序行号和加工进给率等相关属性；系统组件包括电源等相关属性.本文根据MTConnectDevices_1.3.xsd模式对铣床信息模型进行具体描述，其中添加了一些必要的数据项属性如id, category, type等，以下是对旋转轴C的实际旋转速度的XML文件的描述，其数据值的单位为REVOLUTION/MINUTE，id标识数据项且具有唯一性，Rotary标识旋转轴，category标识数据变化样式(SAMPLE标识数据为连续变化)，name标识数据名称，units、nativeUnits标识数据的单位和本地单位，type、subType标识数据的类型和子类型，其中ACTUAL标识为实际值.

图4 铣床信息模型
Fig.4 Milling machine information model

4.2 网络监控与性能分析

客户端监控系统主要完成对数控设备信息的实时采集与显示，包括系统的运行状态、运行时间、加工工件中各坐标轴的实时位置、进给速度等信息.设备的进给速度是加工工件过程中的一个重要的参数，它影响加工工件表面的质量以及加工过程所花费的时间.监控系统通过采集数控铣床GJ-301M的实际加工数据，绘制了如图5所示的60s内进给速度的变化情况.工程师可以根据监测到的设备进给速度设计刀具的路径，跟踪从过程规划阶段到实际加工阶段的信息流，更好的估计加工时间.

图5 进给速度监测Fig.5 Feed rate monitoring

图6 请求设备运行状态时间延迟Fig.6 Time delay for requesting device operation status

为了验证本文设计的数控设备网络化监控的有效性与实时性，对监控系统监控数控设备信息过程进行了时间性能测试.试验记录监控系统每次发出请求到系统返回数据的时间延迟，反应监控系统的实时性.为了更准确的测量时间延迟，Agent和客户端监控系统分别部署在两台计算机上，客户端监控系统设置请求时间间隔为100ms，记录100组请求(设备运行时)各个轴实际位置信息所产生的时间延迟，测试结果如图6所示，响应的延迟时间平均在3.6ms内，满足数控设备信息网络化监控的实时性要求.

5 结束语

本文基于MTConnect标准，建立设备信息模型，设计了一个通用的采集与处理数控设备信息的Agent架构，实现了车间数控设备的网络化监控，通过在自主研发的蓝天数控系统的数控设备信息建模、采集与监测测试，验证了网络化监控的有效性和实时性.本文设计的Agent架构，可以应用到多种数控系统网络化监控中，确定数控系统类型，设计相应的采集接口实现类，创建设备XML Schema信息模型并保存到知识库中，连通设备便可实现对数控设备信息的采集、封装，屏蔽了数控系统数据的差异性，实现数控设备之间的信息共享.因此，本文设计的基于MTConnect标准协议框架的数控设备网络化监控系统具有良好的扩展性.