黃云鷹 翁師道 邱明勇

（1.沈機(上海)智能系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計有限公司 上海市 200433）

（2.沈陽機床（集團）設(shè)計研究院有限公司上海分公司 上海市 200433）

很多工業(yè)設(shè)備只能獨立運行，缺乏能夠接入的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，也缺乏支持接入平臺的模塊，無法在設(shè)備間的實現(xiàn)協(xié)同工作，同時也拒絕了很多在聯(lián)網(wǎng)情況下才能實現(xiàn)的擴展應(yīng)用。沈機智能在i5OS系統(tǒng)上針對這些問題開發(fā)了和iSesol工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺之間聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)服務(wù)并拓展了聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

1 硬件設(shè)備選型

配備采用J1900主板的工控機，安裝支持Ethercat現(xiàn)場總線的傳感器接入到i5OS工業(yè)操作系統(tǒng)，支持各種工業(yè)應(yīng)用APP。

2 軟件環(huán)境搭建

2.1 部署i5OS工業(yè)操作系統(tǒng)

i5OS 就是基于i5運動控制核心技術(shù)的智能化操作系統(tǒng)，是基于 Linux系統(tǒng)的Ubuntu發(fā)行版進行開發(fā)、擁有運動控制核心技術(shù)的工業(yè)軟件操作系統(tǒng);它將i5運動控制核心技術(shù)進行模塊化封裝，形成標準的API，以軟件平臺的形式向裝備制造業(yè)提供運動控制核心技術(shù)，幫助用戶專注高價值應(yīng)用開發(fā)。

在工控機上安裝i5OS系統(tǒng)鏡像，然后根據(jù)實際的機床型號以及機床類型配置實際的CNC運行模式。為便于開發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧以及工業(yè)APP，在本地開發(fā)環(huán)境中部署i5OS虛擬機，在開發(fā)完成后再部署到實際的工控機中運行。

2.2 實現(xiàn)iPORT基礎(chǔ)協(xié)議棧

2.2.1 iPORT簡介

iPORT作為一套開放的標準協(xié)議，需要對其標準及其規(guī)范做出一些說明和限制。通過iPORT協(xié)議，iSESOL平臺可以實現(xiàn)廣泛的接入能力，同時對接入的各類設(shè)備進行監(jiān)控和管理。

2.2.2 iPORT組成結(jié)構(gòu)

2.2.2.1 主體

iPORT通信系統(tǒng)由Agent、Adapter和Machine三個基本部分組成。Agent代表服務(wù)端，負責與設(shè)備端的交互，是應(yīng)用與設(shè)備通信的主要節(jié)點，在本案例中部署在工業(yè)云平臺。Adapter是iPORT的適配器，用于連接Agent和Machine，存在于Machine內(nèi)，也是需要開發(fā)的主要內(nèi)容之一。Machine指設(shè)備端，部署了i5OS工控操作系統(tǒng)的設(shè)備。

2.2.2.2 通信流程

在本案例中iPORT采用了直連模式。通信的主要流程：設(shè)備認證：設(shè)備攜帶設(shè)備信息向iSESOL發(fā)送HTTPS請求申請認證。申請成功后獲取認證Token和建立MQTT通信連接的用戶名和密碼以及AES密鑰。認證失敗后，設(shè)備會重新發(fā)起認證申請。建立通信連接：在設(shè)備認證通過的前提下，通過獲取的用戶名和密碼向iSESOL工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺申請建立MQTT連接，初始化訂閱、啟動監(jiān)聽服務(wù)。啟動心跳機制：發(fā)送心跳包，并實時監(jiān)聽心跳狀態(tài)。心跳異常會重新發(fā)起認證申請，保障通信連接的穩(wěn)定。發(fā)布注冊消息：向iSESOL工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送設(shè)備注冊信息，包含認證Token和設(shè)備版本信息。接收訂閱命令：啟動MQTT監(jiān)聽線程，等待處理iSESOL工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)的訂閱命令或其他命令。發(fā)布采集消息：訂閱命令接收成功后，設(shè)備按照訂閱內(nèi)容進行數(shù)據(jù)采集，按要求向iSESOL工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送采集結(jié)果。斷開連接：設(shè)備與MQTT Broker之間連接斷開，Broker會將遺言發(fā)送給iSESOL工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。

2.2.3 協(xié)議棧實現(xiàn)

iPORT協(xié)議底層是基于MQTT協(xié)議的，其通信過程是通過MQTT通信實現(xiàn)的。MQTT包含兩個角色，一個是MQTT Client，一個是MQTT Broker。 Client根據(jù)消息的處理方式不同分為Producer和Consumer。 Client之間通過Topic向Broker進行發(fā)布和訂閱，Broker根據(jù)Topic進行轉(zhuǎn)發(fā)。Client內(nèi)部都具有一個MQTT Listener的實例，用于發(fā)布消息和監(jiān)聽Broker轉(zhuǎn)發(fā)過來的消息。

2.2.4 iPORT服務(wù)APP

2.2.4.1 http通信模塊該模塊主要通過http請求和通信，獲取建立常連接所需的驗證信息并進行文件的上傳下載時使用。

2.2.4.2 mqtt通信模塊

該模塊主要通過調(diào)用mqtt通信接口建立常連接進行通信，隨時接收服務(wù)器發(fā)來的命令對機頭數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息進行采集和操控并即時將信息上報至服務(wù)器。

2.2.4.3 sqlite數(shù)據(jù)處理模塊該模塊主要以庫的形式對外提供接口，完成數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的記錄，更新，修改和刪除操作。在離線情況下確保數(shù)據(jù)的不丟失。

2.2.4.4 CNC數(shù)據(jù)處理模塊

由于iPORT服務(wù)是運行在i5OS操作系統(tǒng)中，所以需要建立和i5OS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互通道，轉(zhuǎn)換成iPORT協(xié)議定義的數(shù)據(jù)格式，最終形成報文和iSESOL工業(yè)云平臺進行交互。CNC數(shù)據(jù)處理模塊處理的數(shù)據(jù)分為三類：i5CNC數(shù)據(jù)，i5OS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用戶自定義數(shù)據(jù)。i5CNC根據(jù)i5OS提供的接口進行讀寫訪問。

2.2.4.5 消息處理模塊

該模塊為APP的核心控制模塊，負責各種消息的處理和任務(wù)的執(zhí)行以及數(shù)據(jù)的采集周期控制，該模塊詳細功能如下：

（1）初始化APP連接所需各種數(shù)據(jù)，調(diào)用通信庫創(chuàng)建長連接；

（2）檢測連接狀態(tài)，在連接異常時不斷進行重連嘗試；

圖1

（3）接收服務(wù)器發(fā)來的不同消息，對不同消息進行響應(yīng)；

（4）對傳輸?shù)南笪倪M行加解密；

（5）在程序啟動時初始化需記錄和采樣的數(shù)據(jù)信息，按照規(guī)則向本地數(shù)據(jù)庫中記錄采樣的數(shù)據(jù)內(nèi)容；

（6）對于記錄的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行周期性發(fā)送，并在未收到服務(wù)器應(yīng)答的情況下對數(shù)據(jù)進行重發(fā)直至收到服務(wù)器回復確認為止；

（7）控制文件上傳、下載進程。

3 工業(yè)APP開發(fā)

在搭建了iPORT通信APP的基礎(chǔ)上，可以開發(fā)面向行業(yè)應(yīng)用的工業(yè)APP，例如實現(xiàn)了一個在線的主軸功率的自適應(yīng)加工APP。

3.1 自適應(yīng)加工APP

3.1.1 APP運行環(huán)境

所有搭載i5OS系統(tǒng)的機床，主軸需支持采集功率信號，或通過外接ADC模塊及傳感器采集主軸電壓及電流信號?？紤]到進給倍率變化對加工表面的影響，在精加工階段不建議使用該功能，同時使用攻絲功能時不能使用該功能。

3.1.2 背景以及功能簡介

通過iSESOL云平臺對i5OS系統(tǒng)中的加工過程進行負載監(jiān)控，對加工過程中的主軸功率數(shù)據(jù)進行記錄、學習，同時調(diào)整機床倍率，獲得加工中合適的動態(tài)倍率，以提高加工效率。

3.1.3 整體功能流程

3.1.3.1 對iSESOL下發(fā)的高頻采集策略的接收及數(shù)據(jù)上傳

該部分使用已有高頻采集策略，不做單獨說明，采集標識符采用TRGFDSCLTRM [0]參數(shù)，在AON，AOFF，CON,COFF和AINI子程序中分別對TRGFDSCLTRM [0]進行賦值。在高頻采集條件中，當TRGFDSCLTRM [0] > 0時進行采集。

由于在最開始時iSESOL端無法獲知將要執(zhí)行的程序名稱，因此在高頻采集策略中的“target file name”字段，約定使用“anyprogram”，cnc端收到“target file name”字段為“anyprogram”時，在開始采集前不對程序名進行校驗。

高頻采集的采樣通道暫定為：實際功率

在實施自適應(yīng)加工時，實施自適應(yīng)加工的程序段，同樣要滿足采集時的條件，即TRGFDSCLTRM [0] > 0。

3.1.3.2 對iSESOL下發(fā)的結(jié)果即目標功率及其他信息的接收

iSESOL將要下發(fā)的內(nèi)容通過203報文傳入機頭，具體的內(nèi)容包括：

（1）程序名稱；

（2）刀具編號；

（3）與刀號對應(yīng)的目標功率；

在接收到203報文后，cnc向iSESOL發(fā)送203以確定接收到學習結(jié)果。

3.1.3.3 i5OS本地與iSESOL端APP關(guān)于模式201報文的交互

當前在APP端點擊進行模式選擇后，iSESOL將選擇的模式向cnc發(fā)送201報文，在i5本地根據(jù)201報文內(nèi)容進行模式判斷，準備進行相關(guān)操作。如圖1所示。

3.1.4 自適應(yīng)模式

根據(jù)模式201報文中的“索引模式”，可以將實時倍率修調(diào)的模式分為3種——不干預，單件模式和批量模式，其中批量模式包含“批量學習”和“（批量）優(yōu)化加工”兩個子模式。其中“不干預”為不對倍率進行調(diào)整，即FEEDSCALETRIM參數(shù)一直為1。

APP在i5OS本地上進行模式選擇時，只根據(jù)201報文中的“索引模式”對模式進行選擇。如在本地沒有對應(yīng)的結(jié)果203報文參數(shù)時，使FEEDSCALETRIM參數(shù)一直為1。

3.1.5 單件模式

當在iSESOL端APP上選擇“單件學習”，即使用單件模式。在單件模式中，在程序的單次運行中，結(jié)果報文203中的目標功率值會被多次下載（每次覆蓋原來的）。在該模式下，iSESOL下發(fā)的“高頻采集”要求按照一定固定時間間隔將數(shù)據(jù)上傳，并隨后更新讀取結(jié)果203報文中的目標功率及其他內(nèi)容。

3.1.6 批量模式

批量模式包含“批量學習”和“加工優(yōu)化”兩部分，其中“批量學習”階段只進行數(shù)據(jù)的采集及上傳；“加工優(yōu)化”階段則按照下發(fā)的結(jié)果203報文中的目標功率（對應(yīng)程序，對應(yīng)刀具號）在含有標識的程序段進行倍率調(diào)整。

由于取消了在選擇模式后iSESOL和i5OS本地的通訊，因此在進行“優(yōu)化加工”時，并不能保證有對應(yīng)的結(jié)果203報文，這時將倍率調(diào)修參數(shù)FEEDSCALETRIM置為1，即不對倍率進行調(diào)整。

3.1.7 對加工效率的實時調(diào)整

目前i5OS上獲取實時功率有兩種方式，一是直接讀取驅(qū)動器的負載引腳；二是讀取adc卡上電流電壓傳感器的數(shù)值再進行計算，APP根據(jù)目標功率，依據(jù)一定的算法對倍率進行實時調(diào)整。

4 整體部署測試

在安裝了i5OS系統(tǒng)的工控機中安裝打包好的iPORT通信客戶端APP以及自適應(yīng)加工APP，在APP正確運行后測試和iSESOL平臺的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在iSESOL工業(yè)云平臺上實時監(jiān)控i5OS工控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并測試遠程運行自適應(yīng)加工APP的加工效果。經(jīng)過多次切削加工的結(jié)果為：由于毛坯表面深淺不一，效率提高各有區(qū)別，總體在25%左右。

5 結(jié)論

在i5OS工業(yè)操作系統(tǒng)中成功搭建安裝了有連接iSESOL工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的客戶端APP，為用戶提供在線的實時監(jiān)控功能，并且通過聯(lián)網(wǎng)服務(wù)可以利用云平臺的大數(shù)據(jù)計算能力，在相關(guān)應(yīng)用的支持下提高加工性能，優(yōu)化加工過程。