基于构件的数控群物联网改造*

朱文琦，王臻卓

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

基于构件的数控群物联网改造*

朱文琦，王臻卓

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

为了对现有数控群进行物联网改造，实现企业由自动化孤岛到物联网集成制造系统的转换，文章研究了基于构件的数控群物联网改造技术和实施方法。首先探讨了数控体系的物联网架构的分解与重构，构件库表示以及基于刻面的构件分类。并基于此以双面铣液压车床、液压点胶机和全自动剥线压线端子机为例做了构件检索和建模的示例分析，最终建立了新的基于构件的数控群。这种方法避免了对大多的数控硬件的重新设计和大大减少了数控软件工作量，使整体改造成本减少了2/3，改造周期缩短了1/2，且完全实现了数字化和网络化的改造目标，同时模块化的设计也可满足未来进一步扩展的需求。

重构；数控群；物联网

0 引言

随着互联网技术的高速发展，装备制造业也迅速向网络化，智能化，集约化方向发展。在德国推出工业4.0，美国提出智能制造的同时，中国科技部也在“十三五”战略研究中对先进制造技术领域提出了“互联网+”高新技术战略[1]。目的是通过融合先进制造技术、信息系统、互联网络依靠科技创新实现生产制造的透明工厂和智能车间，打造中国版的“工业4.0”，实现符合我国国情的制造企业现状拓展和升级[2]。

针对我们目前企业车间的生产现状，大部分数控机床还处在自动化孤岛阶段[3]，数据传递需要人工拷贝，设备信息、数控代码、工程图纸等软件信息难于统一管理，互相孤立，不能重复利用。因此建立一个基于物联网的数控群可以建立设备与设备之间，以及设备，工程师PC和管理PC之间的桥梁，完成信息的交互和互通，同时也是实现全自动生产线的基础，最终实现无纸化车间，真正建成数字化、网络化、智能化的制造企业的有益尝试。

图1 基于软件总线信息流的数控物联网体系

针对某校企的生产车间，目前大量的数控机床的自动化孤岛现状，如何对其进行有效的物联网改造呢？当前常用的解决方案是对数控机床首先进行硬件的升级，更换支持通信模块(如Ethernet, CAN等)的处理器，然后移植数控软件到新的平台，最后基于新的硬件和软件建立物联网。但这样的方法并不适合我们现存的很多中小企业。第一，成本过高，几乎要完全摒弃旧的硬件设备，中小企业难以承担如此巨大的投入。第二，周期过长，不管是重新设计硬件还是移植软件到新的平台都会经历较长的周期[4]。针对以上难题，本文提出了基于构件的物联网改造方案。下面做具体研究和分析。

1 需求分析

由于该车间生产的产品经常变更，日常工作的加工对象繁多，该车间目前包含双面铣液压车床，半自动液压钻孔车床，升降式六轴扩、攻、镗组合机床，升降式扩、攻组合机床，液压点胶机，全自动剥线压线端子机等多达十多种不同种类的数控机床。该车间五年前曾经经过一次换代升级把80年代的纯手工操作车、铣、刨、磨等旧式机床换成一批新的半自动或全自动的数控机床，大大提高了工作效率。目前假如再升级成带有网络互连功能的新型数控机床，一者成本太高；二者旧的数控系统目前并未被淘汰，假如换新一代的数控机床，旧的数控将被闲置，浪费太大。经过可行性分析，最终我们决定对现有的数控群进行物联网改造，在原有的数控系统中加入通信模块使原来的数控机床具有通信互联和信息共享的功能使其接入物联网络。

针对如此繁多的数控机床改造对象，不同的数控芯片，不同的软件，不同的加工对象，不同的用途，假如分别研制和改造，各自开发其通讯模块，然后集成，最后联调，必然会使整个开发周期拖得很长，而且也会增加很多的人力成本和开发成本，难以达到预期的目标。因此我们采用了基于构件的重构技术和重用开发来实现短时间内的多个目标对象的相同功能模块的扩展和补充。

2 可重构的数控体系

在实际构件数控群物联网络的架设过程中，我们根据还原论的原理，经由对数控体系进行组成元素、数据结构、通信方法和工作机制的分析，得出了如图1所示的基于软件总线信息流的数控体系结构。

数控的构成无非是硬件设备和软件信息流转的组合。硬件包括控制硬件和机械结构，用于保证数控机床能完成高强度和高精度的物理加工动作，如车、铣、刨、磨等。而软件信息流是促成整个加工动作的连贯，加工精度的量化，实时加工状态的监控等复杂的加工流程所需的控制信息的监视和调控。信息流包含事件流和数据流，事件流包含制造系统中传递的控制信息，而数据流包含制造系统中传递的制造参数、实时数据和诊断信息等[5]。通过对事件流或者数据流的层层追踪和逐层分析，可以解析出可重构体系的基本构件。如图所示，不同的层次其实可由多个事件流或数据流组成，而某个子信息流的元素又可以继续分解为子事件流或子数据流，便于做更深一层次的构件分析，鉴于，篇幅这里不做信息流的具体讨论。下面基于以上结构对车间的数控机床进行分解和重构。

3 数控机床的分解与重构

3.1 数控系统的分解

由于目前制造设备的多样性，传统制造系统功能和实现上的专用性和局限性，外设接口的单一性和封闭性，这些都使得体系结构缺乏可重构的能力。对于每个数控系统的改造，假如开发人员都要从源代码级重新开发，将存在大量的低水平重复和工作量的浪费[6]。

首先基于方法论剖析一下数控系统重构过程。图2即为基于方法论的数控系统分解与重建流程。在现存的数控系统1开发中，R1(Requirement 1)反映了已有系统应用的具体需求。不同功能水平的制造系统其所控制的轴数，加工的精度等性能参数都具有很大的差别。

图2 基于方法论的数控系统分解与重建流程

传统上来说人们对于标号M1(Method 1)的工作主要是定义所要开发的制造对象的具体种类，如机床的联动轴数、驱动性能要求、I/O控制数量和对象等，结合具体的制造设备的特征要求进行细化，从而形成多个基础应用的设计、开发和分类[7]。

标号A1(Application 1)和A2(Application 2)是组织开发的多个专门应用。从智能制造系统的实现上来看，数控系统具有统一性和类似性，因此不同功能的制造设备其分解的模块都具有拓扑相似性。但不同数控系统又具备各自的特殊性，这些特殊性表现在其控制的规则等方面，比如对于车床而言，需要在平面上做插补运动和主轴方向的旋转运动；而对于钻床而言，系统则需要一个垂直于加工方向的直线运动和主轴的旋转运动[8]。

传统的标号S1(System 1)的内容是旧的功能系统，它是包含不同子系统的面向多种类的特定应用的封闭式数控系统。因为设备需求不同，功能也不同，设计和接口实现也大不相同。而由于这些模块缺乏通用性，其所生成的数控系统通常扩展能力比较差。这使制造开发商和机床生产商以及终端用户之间相互脱离。智能数控系统的开发是基于特定系统需求的基础上通过分解差别构件生成新的构件模块，从工程组织上复用传统的低层次的应用或方法，比如说函数、程序段、编程约定等方面，改造其接口，移植新的需求，实现新的功能，最终重构实现新的系统S2(System 2)。

3.2 构件库表示

基于以上的重构过程，基于物联网的可重构数控系统 RCNC_IoT(Reconfigurable CNC based on IoT) 领域构件库是收集数控机床针对物联网的专用构件库，其包含RCNC_IoT领域构件的分类表示、动态检索以及适应性分析处理，其构件类模型包含RCNC_IoT领域构件分类表示模型、动态检索模型和适应性分析模型，它们与构件库交互作用，如图3所示。

RCNC_IoT领域构件类模型的方法包含构件管理子系统、构件查询子系统、构件配置子系统、构件适应性分析子系统。系统通过 RCNC_IoT构件表示模型对领域构件的特征进行提取和抽象，同时也包括领域构件库构件的添加、修改、分类、检索和删除等操作。配置子系统基于具体的应用需求对从构件库中匹配出来的具体构件进行正确的参数配置、修改和属性设定等等。适应性分析子系统需要对匹配到的待选构件做方案适配度分析，并最后通过专家系统做出决策判断，给出采用与否或者有条件采用的结论或方案。构件的适应性分析方案和结果可用于辅助用户决定是否采用以及如何通过子构件实现满足要求的可重构[9]。

图3 RCNC_IoT领域构件库表示

3.3 基于刻面的构件分类

重构流程是基于刻面分类的模型示例和分类编码来实现的。刻面分类是一种提取构件特征的方法，它通过选择产品某个方面的特定属性来表述构件的差异化特点，使产品易于定义、分类和描述。这样便于解决在构件结构复杂、刻面繁多的情况下单一关键词难以描述的构件复杂性问题，不仅细化了构件描述，而且不同刻面之间的正交性得以充分体现。这种方法建立的构件库更加易于理解和扩展，具有更好的延展性和便于维护。如表1是我们采用的刻面分类法对RCNC_IoT领域构件分类的建模示例。

表1 RCNC_IoT领域构件刻面分类模型示例

4 实例研究

4.1 对象分析

选取车间中较具代表性的双面铣液压车床、液压点胶机和全自动剥线压线端子机作为重构研究示例。具体三种设备的需求如下：

(1)双面铣液压车床是传统机械加工机床的代表，它采用两个电机对加工对象的正对的两个平面进行铣削加工，同时采用液压系统进行机械固定和轴向运动控制。

(2)液压点胶机较为复杂，它采用二轴数控系统，半自动的实现对三维空间的点、路径点胶。需要精确定位胶枪，精准控制液压系统控制点胶用量。它可用于实现打点、画线、各种形状或弧型等加工工艺要求。其通过机床工作台固定胶枪，根据用户输入的数控指令在数控装置的驱动下，带动胶枪做二维平面运动和垂直运动，以实现点胶加工。同时还需控制液压系统对胶枪的点胶用量，开闭，路径以及调压阀的设定与控制，最终实现对流胶的用量的自动控制，将流胶点滴或者喷涂在产品对象表面或者腔壁内部。

(3)全自动剥线压线端子机是一种全自动的多功能线束处理设备。它集合电线自动开线、剥皮、压接、绕卷、组装、检测等等功能来完成线束全自动或半自动加工。其包含的加工工序、流程非常多，涉及的电机执行部件也比较复杂。从线束加工的工艺工序来分析构件，可分解为线端处理构件(包括前端构件和后端构件)和刀处理构件。线端处理构件的功能包括对线端(前端和后端)的所有加工处理，包括定位、开线、剥皮、端子压接、裁剪电线(仅后端)剥皮检测以及端子压接检测的功能。刀处理构件负责对电线的剪断以及配合线端构件协同实现电线的开线、剥皮以及换刀等等功能。

4.2 构件检索与建模

基于模式识别中的树匹配方法，RCNC_IoT领域构件库的刻面描述分类与特征如图4所示，构件描述是一棵多叉树，构件检索可采用快速树表检索方法。构件匹配完全简化为如图所示的树形结构的刻面特征之间的匹配，可以方便找出RCNC_IoT领域构件的最优检索路径。

图4 构件刻面描述树

对于RCNC_IoT领域构件库中的构件，根据前面所述的刻面描述方法，多叉树中对应的父节点、子节点分别表示构件中的父刻面、子刻面。如图4中采用了基于物联网的三层架构中的刻面模型来分类，其关键刻面也涵盖了应用层、网络层和感知层的代表构件。具体构件与刻面描述树之间相互匹配，可采用树表的快速匹配方法和前文所述的针对构件的混合检索方法实现快速检索。加以不同的约束条件还可以优化或者限制以满足多样需求或不同种类的映射获得智能的匹配结果[10]。RCNC_IoT领域构件刻面描述树的根节点是一个虚拟节点。其中有许多公用的节点就是可以构成重用的构件，如Linux、MiniGUI、行程开关、计数器等构件。再结合连接两种系统中具有独立特征的硬件设备，如双面铣选择铣刀；点胶机选择胶枪，活塞室，调压阀等；端子机选择压线器，剥线器，卷线器等硬件装置，即可分别重构成不同需求的制造系统。

4.3 基于构件的数控群

对于整个系统的通信，采用串口(包含RS232/RS422)的方案，其原因是因为现有很多的数控是基于Modbus通信的，其介质采用的是串口，所以我们重用了原来的线路，新增加定义了额外的通信协议来传输新的物联网络管理信息(如数控ID，数控描述等)。对于和PC机的通信则采用工业Ethernet这样只需要在数控系统一端增加以太网通信模块，或者以太网转串口的模块，物理层上的变动最小[11]。

最终改造后的基于构件的数控群结构如图5所示。多数的机床重用了原数控机床的串口，原有的数控机床基本都包含了调试用的串口，只有少数一两个机床，我们加装了串口。串口数据通过串口服务器进行转发。在经过串口协议转发时修改了原有modbus协议，新定义了每个机床的地址，使得数控机床在整个网络里具有唯一的ID，可以进行识别。串口数据通过解析和重新封装成基于TCP和UDP的以太网数据通过交换机传输到个人PC，同时也可基于构件库进行状态监控数据的生成和仿真数据的生成。由于构建库的建立，仿真时只需调用相应的子构件对象，即可方便生成某个数控机床运动轨迹的仿真，而无需针对个别机床重复开发仿真系统。

图5 基于构件的数控群结构

由于软件的重构和对原硬件配置的尽可能保留，节约了开发时间，原本预期一年的改造工作在半年内完成，也节省了设备成本和开发人员成本，总的开发成本降为原来的1/3。基于构件的数控群物联网改造相比传统方案更加快捷、高效，适用于大多数中小型企业的物联网改造和升级。

5 总结与展望

本文研究了基于构件的数控群物联网改造技术和实施方法。首先探讨了数控体系的物联网架构的分解与重构，构件库表示以及基于刻面的构件分类。并基于此以双面铣液压车床、液压点胶机和全自动剥线压线端子机为例做了构件检索和建模的示例分析。基于构件的方法可以重用子构件的软件信息建立比如监控系统，轨迹仿真等，大大节省了开发人员的工作量。而通信系统的重用可以统一通信接口，不同层次的基于规范的接口协议可以实现硬件模块的集成和互操作，使用规范的接口协议来保证设备的独立性，通过标准化的模块应用接口访问和使用不同的终端设备，而无需根据它们的具体物理形态而重复开发，有利于实现多样数控系统的集成。基于重构的数控群改造方法使原有需要十个甚至更多的工程师完成的工作内容最终由三个工程师完成，且更快的实现了预期的数字化和网络化升级的目标。

本文的理论探索和方案实施对如何在中小企业进行快速的物联网改造提供了可行的范例。在面对复杂多样的数控系统情况下，通过构件重用，保留多数原有硬件配置的情况下，软件进行模块化分解和重构，成功实现了对现有制造体系物联网升级和集成。相比传统方案，它更加快捷高效的达到现代制造系统数字化和网络化的目标。在未来的研发中，可以进一步把整个通信方案构件化和模块化，使其作为一个管道子构件，方便的连接到不同类型的自动化孤岛间，实现快速互通互联。

[1] 孔凡超，窦志武,能琪.第三方物流视角下物流金融风险评估研究[J].物流工程与管理，2013,35(3):61-62.

[2] D Guinard, V Trifa, E Wilde.A resource oriented architecture for the web of things[M].in Proc. of the Internet of Things (IoT 2010). SAP res., ETH Zurich, Zurich, Switzerland, 2010.

[3] 梁红艳，王健. 物流业与制造业的产业关联研究——基于投入产出表的比较分析[J]. 福建师范大学学报 (哲学社会科学版)，2013(2):70-78.

[4] 建红，汪标. 物流业与制造业联动发展研究综述[J]. 生产力研究，2012(2):246-248.

[5] Barry & Associates, Inc. “Web Services, Service-Oriented Architectures, and Cloud Computing”, URL: http://www.service-architecture.com/, 2016.

[6] 王自勤. 制造业与物流业联动发展内涵与理想模式研究[J]. 物流技术，2012(15):27-31.

[7] 陈春晖. 基于灰色关联的福建省制造业与物流业联动发展研究[J].中国市场，2012(2):15-18.

[8]黄晶涛，檀朝东，沐峻丞，等.物联网技术在石油装备制造业中的应用[J].中国石油和化工，2010(10): 67-68.

[9]讯九，余海，房利国，等.基于物联网的能耗检测系统解决方案[J].信息安全与通信保密，2012(1) :67-69,71.

[10] Junyi Chai, James N K Liu, Eric W T Ngai. Application of decision-making techniques in supplier selection; A systematic review of literature[J]. Expert Systems with Applications,2013, 40(10):3872-3885.

[11] 何雪云，潘林，彭伟刚.从技术角度谈物联网对相关产业的推动作用[J].广东通信技术，2011 (3) :27-28.

StudyonCNCGroupTransformationforIoTBasedonComponents

ZHU Wen-qi，WANG Zhen-zhuo

(Henan Polytechnic Institute，Nanyang Henan 473000，China)

In order to carry on the IoT transformation in the existing CNC group, realize the upgrade of the enterprise from the automation island to the IoT integrated manufacturing system, this paper has a study on the transformation technology and implementation method of CNC group for IoT (Internet of Things). Firstly it discusses the decomposition and reconstruction CNC architecture from IoT point of view, component library representation and component classification based on facets. Secondly, it makes a case study for component retrieval and modeling taking the double milling lathe, the hydraulic hydraulic dispenser and automatic stripping line terminal machine as an example. Finally it builds up the new CNC group based on components. This method can avoid to redesign of CNC hardware, and mostly and greatly reduce the workload of CNC software, the overall transformation cost is reduced by 2/3, the transformation period is shortened to 1/2 of original, and it can full realize the goal of the digital and network transformation, while modular design can also meet the future demand for further expansion.

reconfigurable;CNC group;IoT

TH122;TG506

A

1001-2265(2017)12-0085-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.021

2017-01-25；

2017-02-26

河南省科技厅科技攻关项目：基于PAC的柔性工业生产线物流控制系统研制(122102210381)

朱文琦(1984—)，女，河南南阳人，河南工业职业技术学院讲师，研究方向为机电一体化技术，(E-mail)zhuwenqi12@126.com。

(编辑李秀敏)