基於 NC － Link 協議的數控係統適配器設計-刀具網-數控機床市場網

您現在的位（wèi）置：數（shù）控係統網> 技術前（qián）沿>基於 NC － Link 協議的數控係統適配器設計

基於（yú） NC － Link 協議的數控（kòng）係統適配器設計

2018-8-8 來源（yuán）：武漢華中數控股份有限公（gōng）司作者（zhě）：江哲夫，劉濤

摘（zhāi）要: 介紹了（le） NC － Link 機床通信，將其與主流通信（xìn）協議進行比較，並分析了各自的（de）優缺點。提出了基於 NC －Link 協議的數控係統適配器軟件設計思路（lù），設計（jì）數據驅動（dòng）層、數據（jù）字典層、數據接口層三層架構作為（wéi）適配器軟件框架，以華中 8 型數控係統為例說明適配器各層次的具體（tǐ）設計思路和方法。

關鍵詞: 數控機床通信協議 NC － Link 適配器數據（jù）字典

隨著計算機和互聯網技術的高速發展，傳統的製造業也發生了根本性改變。從數字製造到智能製造，是製造業發展的必然趨勢。實現智能（néng）製造的重（chóng）要前提（tí）之一就（jiù）是設備的互聯互通（tōng）。以柔性生產線為例，需要實現（xiàn）車間管理（lǐ）係（xì）統( MES) 、總控係統( SCA-DA) 、數控機床、機器人、物流小車之間的互聯（lián）互通。目前應用比（bǐ）較廣泛的設備通信協議主要有 MT－ Connect 協（xié）議和 OPCUA 協議，但是（shì）這（zhè）兩種通信協議各自存在一些缺（quē）陷，不能完全滿足智能製造的需（xū）求。NC － Link 協議是由華中科技大學牽頭，聯合多（duō）家國內知名（míng）數控、機床廠家研發的（de）機（jī）床互聯互通（tōng）協議。NC － Link 協議具有高效、易用的（de）特點，並且綜合了 OPCUA 協議和 MT － Connect 協議的優點。本文設計並實現基於 NC － Link 協議的適配器軟件，並（bìng）將其用於生產現場，驗證軟件（jiàn）的數據傳輸穩定性（xìng）及效率（lǜ）。

1、 NC － Link 機床通信協議（yì）

目前國際上用於（yú）數控機床互聯互通的標準（zhǔn）主要有 MT － Connect 和 OPC － UA 兩個標準（zhǔn）。MT － Con-nect 和 OPC － UA 協議提供了數控設備互聯互通的能力（lì），但是這兩種協議（yì）都有一（yī）些缺陷。

MT － Connect 基於 XML 技術，導致數據量較大，對網絡（luò）帶寬提出（chū）了（le）嚴峻的挑戰。MT － Connect基於Ｒestful 技術，它隻能用於單向的讀取設備狀態實現監視功能（néng），無法勝任（rèn）雙向控（kòng）製的任務。在柔性生產線中，MES 會通過 SCADA 向機床（chuáng）發送生產指令，這是 MT － Connect 協（xié）議所不支持的。

OPC － UA 協議在機床（chuáng）模型定義上比較（jiào）薄弱，雖然引入了 MT － Connect 作為其補充（chōng），但是由於 OPC－ UA 針對的設備覆蓋麵太過於（yú）廣（guǎng）泛，為了滿足這種泛（fàn）化的需求，導致模型定義（yì）語（yǔ）言過於複雜，應用起來很（hěn）不方（fāng）便。目前，西門子、海德漢等數控機床支持OPC － UA 協議。用戶在使用其服務的時候，不但（dàn）要了解 OPC － UA 運行（háng）機理，同時必（bì）須配合廠家提（tí）供的數據定義手冊，否則就無法進行設（shè）備的數據采集工作。無論是 MT － Connect 還是 OPC － UA，都無法滿足高頻數據（jù）采集的要求。然而，數控機床智能應用需要高頻的信號作為其輸入，例如振動分析、溫度測量與補償等。

針對這些問題，NC － LINK 協議采用了 Json( Ja-va － Script Object Notation) 字符串傳輸、訂閱發布的數據（jù）傳輸方式、機床模型定義等（děng）設計，使得 NC －Link 在多方麵優於 MT － Connect 和 OPC － UA(表（biǎo）1) 。

表 1 MTConnect，OPC － UA，MT － LINK 比對（duì）

2 、適配（pèi）器的（de）設計（jì）

數控係統廠家通常會（huì）提供其專有通信協議，不（bú）同品牌的數控係統通信協議一般不（bú）會相同。如果需要開發支持多家數控係（xì）統的上位機軟件( 如 Sca-da) ，就需要學（xué）習其中每一種數控係統的（de）專有通信（xìn）協議。由此帶來（lái）的開發難度和工作量是相當驚人的。如（rú）果數控係統支持 NC － Link 協議（yì），那麽開發者僅（jǐn）需學習 NC － Link 協議即可（kě）進（jìn）行開發（fā），極大地降低了開發難度。

圖 1 NC － Link 架構

NC － Link 總體架構（gòu）如圖 1。NC－ Link 架構中，適配（pèi）器的功能是將控（kòng）製（zhì）器的通信協議轉為 NC － Link 標準協議（yì）。適配器是NC － Link 協議與數控係統之間的橋梁（liáng），客戶（hù）端和代理器（qì）( Agent) 必須通過適配器才能與數控係統進行通信（xìn）。對於一些比較簡單的應用，客戶端可以直接連接適配器進行通信，無需通過代理器。因此適配器是 NC － Link 協議互聯互通的關鍵。針對不同廠家的數控係（xì）統，需要根據其（qí）專有通信接口的情況設計適配器。在設計上，適配器自下而上分為三層: 數據驅動層（céng）、數（shù）據字典層、數據接口層。

2. 1 數（shù）據驅（qū）動層

不同品牌的數（shù）控（kòng）係統擁有各自的通訊接（jiē）口，有的通過 TCP/IP 進（jìn）行通信，有的通過 modbus 協（xié）議通信，有些係統甚至不支持網絡通信（xìn），隻支持在數控係統上進行二次開發。因（yīn）此，根據數控係統通信接口的情況以及軟硬件條件，適配（pèi）器（qì）可以嵌入到數控係（xì）統中，也可以放在上位機（jī）。

圖 2 適配（pèi）器的集成

數據驅（qū）動層是上層應（yīng）用與 NC 通信的橋梁。以代理（lǐ）器連接華中 8 型係統為例，適配器在收到連接請（qǐng）求後，需要建立機床對象，然後調用華中 8 型二次開發接口（kǒu）進行連接。示例代碼如圖 3、圖 4 所示。在這個例子中，Machine 類的 Connect 成（chéng）員函數調用（yòng）了（le）華中 8 型二次開發接口的連接函（hán）數 HNC_Net Connect( ) ; 如果是其他廠家的數控係統，則需要調（diào）用（yòng）該（gāi）廠家提供的網絡（luò）接口函數。

圖 3 連接消息響應

圖 4 機床定義

2. 2 數據字典層（céng）

數據字典層對數控機床的數據進行統（tǒng）一的定義。將部分機床數據抽象成為機床部件對象，如通道（dào）、軸、IO 模塊等; 另（lìng）一部分數據則（zé）定義（yì）為對象的屬性或者變量，如進給速度、實際位置、刀（dāo）具長度等(圖 5) 。圖 4 中的 machine 類就是一（yī）個機床對（duì）象，IP 地址和端口（kǒu）號就是對象的（de）兩個屬性。IP 地址和端口號這兩個屬性比較特殊，是（shì）由代理器或者（zhě）客戶端指定的。其他的對象數據，如機床位置、電流、刀具壽命（mìng）等，都是通過數據驅動層從 NC 端獲取。以華中 8型係統適配器為例，軸和通道部件的設計如圖 6。其中 Axis、Channel 類都繼承自 Component 類，需要實現 OnＲeceive Data 接口，以完成數據分發（fā）.

圖 5 機床部件定義

圖 6 部件類以及派生類定義（yì）

適配器讀取 NC 端數據采用訂閱/發布的方式。代理器讀取數據時，需要先向適配（pèi）器（qì）發送數據訂閱請求，適配器收到請求後建立訂閱列（liè）表，並根據訂閱列表調用數據驅動層的接口獲取 NC 數據。獲取到數據後，將數據分發到數據字典中的各個對象進（jìn）行填充。此後代理器通（tōng）過訪問數據字典獲取數據（jù）。訂閱（yuè）發布（bù）流程如圖 7。

圖 7 訂閱/發布數據流

NC － Link 架構中，數據（jù）更新（xīn）周期由代理訂閱時決定。一般作如下分類:

1 ) 設備標示、屬性數據，如機床（chuáng）的型號、編號、插補周期、主軸額定電流等。這類數據在（zài）機床上電後（hòu）不會發生變化，隻需采集（jí）一次。

2 ) 部分設備狀態、特性，如刀具數目（mù）、刀具壽命以及係統參數。這類數據不容易發生變化，可每間（jiān）隔較長的時間( 如 10 min) 采集一次。

3) 實（shí）時數據（jù），如當前速度，位置，溫度，電流，程序行號等。這類數據需要持續的（de）高（gāo）頻率采集。

4) 非結構化數據，如 G 代碼文件、日誌文件等。對於這類數據，上位機通常隻（zhī）在需要（yào）的時候獲取。數據字（zì）典的訂閱列表由若幹個數據節點（diǎn）組成。收到訂閱請求時，適配器創建或激活相應節點; 收到取消訂閱請求，則刪除節點（diǎn）; 如果節點長時間沒有數據交互，則將其（qí）休眠.

圖 8 訂（dìng）閱節點

2. 3 數據接口層

數據接口層負責與 NC － Link 代理或者客戶端進行數（shù）據（jù）交互（hù）。數據交互采用（yòng）二進製流的方式進行數據（jù）傳輸。MT － LINK 中數據流格（gé）式包（bāo）括 Json，二進製。Json 類型數據需滿足亞秒（miǎo）級需求，二進（jìn）製（zhì）數（shù）據滿足（zú）亞微秒（miǎo）級需求。數據格式應用場景如表 2。

表 2 數據格式應用場景

代理需（xū）要向數控係統寫數據時，會發送寫數據請求給適配（pèi）器接口層，並注冊（cè）一個回調函數( 委托) 。適配器通知數控係統執行寫數據操作，之（zhī）後將執行結果反饋給代理，代理收到反饋消息後會調用對（duì）應的回（huí）調函數進行處理。流程如圖 9。

圖 9寫數據流程

由於通信（xìn）接口的不統一（yī），不同的數控係統需要（yào）專用的適（shì）配（pèi）器。這些適配器的不同之（zhī）處主要在數據驅動層和數據字典層，對於數據接口層的設（shè）計是一

致的。因此在開發適（shì）配器數據接口層時（shí），可以參考NC － Link 提供（gòng）的適（shì）配器（qì） demo 程（chéng）序（xù），也可以參考已經開發完成的適配器程序。

3 、實際應用情況

NC － Link 協議已經在某智能工（gōng）廠項目中得到應用。項目基於 NC － Link 協議，實現了支持 7 ×24h 數據采集的大數據中心，以及斷刀檢測、健康保證等智能應用。項目中（zhōng）的機床產線－適（shì）配器－ Scada －雲端大數據中心的架構符合 NC － Link 規範，如圖 10。本（běn）次現場應用中，NC － Link 協議的傳（chuán）輸效率和傳輸穩定（dìng）性都（dōu）表（biǎo）現出了較高的水準，能夠（gòu）滿足（zú）智能工廠需求.

圖 10 智（zhì）能工廠應用

4 、結語

NC － Link 機床互聯互通協議對提高我國數控機床的競爭力，促進我國製造業轉型升級，保護國家安（ān）全等方麵有重（chóng）大意義。本文提出了基於 NC －Link 協議的數控係統適配器軟件的設計思路，設計了由數據驅動層、數據字典層和（hé）數據接口層（céng）組成的適配器軟件（jiàn），並且根據本思路實現了一款基（jī）於華中8 型數控係統的適配器軟件開發，在生（shēng）產現場進行應用（yòng）並（bìng）取得了良好（hǎo）的效果。本文提出的適配器軟件設計方法思路清晰，層次結構合理，值得借（jiè）鑒參考。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進（jìn）行資訊合作（zuò），歡（huān）迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更（gèng）多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多