基于报文方式的机床数据采集与分享方法研究

胡觉成 ，陆剑峰,2 ，余 涛 ，白 欧 ，杨 越

(1.同济大学电子与信息工程学院CIMS研究中心，上海 201804；2.企业数字化技术教育部工程研究中心，上海 201804;3.智能云科信息科技有限公司，上海 200082)

0 引言

随着工业互联网的发展，以及设备共享、远程维护需要的增长，数控机床数据采集与分享是一个关键点[1]。目前，数控机床数据采集和分享通用的两个网络数据传送协议是MTConnect[2-7]与NCUC-Bus[8]。但是，这两种协议还没有针对每类机床的、细致的数据模型定义。然而，在实际生产过程中，因为每个数控机床的监控和管理要素不同，需要有针对性地对每个机床进行个性化数据采集。同时，基于工业互联网的网络协同制造的需要，数控机床运行状态需要在不同企业之间共享。这要求每个数控机床的数据采集信息内容和结构能被相关企业理解以实现共享。针对以上问题，本文提出了一种基于报文的机床数据采集与分享方法，可将报文的灵活性和可靠性应用到数控机床的数据采集与分享中。

1 基于报文的机床数据采集与分享技术

1.1 系统架构

基于报文的机床数据采集与分享系统包括网络平台(云端服务器或主机)、边缘设备和设备端三个部分。系统整体架构如图1所示。

图1 系统整体架构Fig.1 Overall structure of the system

整个系统内，网络平台是不可缺少的。网络平台可以是一个工业云平台、公有的网络平台或者私有的企业平台。如果网络平台是一个私有的企业平台，则只能进行数据采集并且在企业内部进行数据共享，而不能和私有平台之外的节点进行数据共享。网络平台应至少包括一个边缘设备或可直接采集数据的数控系统。边缘设备或数控系统的数量可以无限制。系统可以连接多个边缘设备或数控系统。

在网络平台中，用户可以根据需求，通过业务管理模块明确数据采集的内容和频率。数据与报文管理层根据业务的需求检索报文。若报文库中没有与该业务相关的报文，则报文管理模块重新定义新的报文，并将新报文存入报文库。接入层根据检索结果确定数据采集报文，并将数据采集报文下发至边缘设备或数控系统，从而完成订阅[9]。

有两种典型的数据采集方式可以连接到服务器：一种是通过边缘设备来连接，另一种是直接连接(即图1中边缘设备与设备端集成在一起)。如果数控系统具有报文解析功能并且支持基于本文所涉及的数据采集报文进行数据采集，那么就可以直接和网络平台连接而不用边缘设备。否则，数控系统需要通过边缘设备来连接网络平台[10]。

对于通过边缘设备连入网络平台的方式，边缘设备需要具备报文解析功能。边缘设备接收到来自网络平台的报文后，通过对报文的解析，明确数据采集要求；通过对数据采集报文的理解，对采集对象进行数据采集；对采集到的数据进行必要的转换、清洗和预处理；最后将采集到的数据上传至网络平台[11]。

对于直接连接的方式，数控系统本身需要具备报文解析和数据传输的功能，即数控系统需要具备边缘设备的功能，在数据采集过程中承担边缘设备的角色。

网络平台在获取边缘设备和数控设备上传的数据后，由数据与报文管理层对已经采集到的机床数据进行管理，包括数据的存储和共享等。

如果用户需要和其他用户进行数据共享，将自己采集的数据共享给其他用户，可利用本文所设计的报文进行定义。用户之间的数据共享只能在网络平台的范围内。如果没有其他用户接入网络平台，就不能通过图1所示的架构访问共享数据。一般而言，在数据共享过程中需要将数据结构告知其他用户，否则其他用户就不能理解数据的含义。把报文定义信息传递给其他用户后，其他用户就可以很方便地根据这个报文定义信息来解读数据含义。

1.2 报文设计

根据不同的业务或者模型，形成的报文可以看作是对数据采集内容和采集频率的一个定义。一般报文可以基于可扩展标记语言(extensible markup language,XML)或JavaScript对象表示法(JavaScript object notcotion,JSON)来定义。

报文的定义应该包含数据采集的内容和频率，以便边缘设备和数控系统确定数据采集的要求。此外，报文的定义还应该包含报文的类型，以明确是否能够在不同企业间共享这个报文。因此，报文定义基本包括以下属性：报文ID、报文名称、采集规则(时间型、事件型)、采集频率、报文类型(公有报文或私有报文)、报文所属设备参数集(即采集内容)[12]。

①报文ID：唯一标识一个报文。

②报文名称：便于报文的检索。

③采集规则：规定数据采集方式是定时采集(时间型)，还是在某个事件发生后采集(事件型)。

④采集频率：每个时间间隔(例如每分钟、每小时或每天)需要采集数据的次数。

⑤报文类型：分为公有报文和私有报文。公有报文又称全局报文，可以被不同用户共享。私有报文又称局部报文，只能被定义这个报文的用户自行使用。

⑥报文所属设备参数集：报文定义需要采集的数据内容。

技术人员可以在这个报文定义上叠加新的报文属性内容。

数控机床可以根据设备类别和系统类别进行划分。设备类别包括设备大类(如车床、铣床、刨床、磨床等)和设备小类(设备的具体型号)。每个设备大类中包括几个设备小类。系统类别分为系统大类和系统小类。系统大类是指数控机床所采用数控系统的生产厂商，如西门子、FANUC、i5等。系统小类是数控系统的具体型号。系统根据每个数控机床的设备类别和系统类别，定义了不同的参数集。

在定义报文的时候，可以根据设备对象所属设备类别和系统类别，从对应的参数集中选择部分参数，作为数据采集内容。

2 数控机床数据采集与分享流程

2.1 数据采集流程

用户根据业务需要，通过网络平台上的业务管理模块登记业务信息，明确数据采集内容和频率。网络平台上的报文管理模块检索是否有该业务相关的报文定义。这个过程就是检索符合数据采集内容和频率的采集报文。如果以前没有定义过这个报文，则定义新报文，并且将其存入报文库；如果存在这个报文定义，则通过报文订阅模块来关联业务和报文，也就是明确这个业务采用什么报文来采集数据。最后，网络平台把报文下传到边缘设备或者数控系统。

如果数控系统支持报文解析并且能根据报文采集数据，就可以直接把报文传递给该设备的数控系统，即将图1中的边缘设备和数据机床的功能结合在一起。如果数控系统不支持报文解析或者不能根据报文采集数据，则将报文传递给连接这个设备的边缘设备，通过边缘设备进行数据采集。最后，边缘设备或者数控系统完成数据采集，并且上传到网络平台；数据存放到机床数据库，供相关业务模块访问使用。数据采集流程如图2所示。

图2 数据采集流程图Fig.2 Flowchart of data collection

2.2 数据分享流程

数据分享流程如图3所示。

图3 数据分享流程图Fig.3 Flowchart of data sharing

用户可以通过业务管理模块登记业务(或者检索已有的业务)、确定数据采集内容和频率。网络平台的报文管理模块检索是否有和这个业务相关的公有报文定义。公有报文是指可以被不同用户共享的报文。如果没有公有报文定义，则重新定义一个公有报文，并将其存入报文库；如果有公有报文定义，则用户根据公有报文采集数据，并将其存储到机床数据库。用户根据业务需要，利用用户管理模块中的权限设置功能把自己的数据共享给业务相关用户。其他用户可以根据公有报文结构，通过机床数据管理模块访问存放在机床数据库中的共享数据。

3 应用案例

本文以机床预防护维修为例，介绍通过基于报文方式的机床数据采集与分享方法的应用。目前，业内大多数机床装备采用定期更换机械部件的维护策略。而导轨、轴承和丝杠等采用这种维护策略是不现实的，一旦精度下降或出现故障，根本无法修复。针对行业内这种不科学、合理的维护策略，智能云科推出了机床体检应用。该应用结合报文方式的机床数据采集方式，根据业务的需求，将需要采集的参数及所采集参数的频率形成报文，从云平台下发到边缘设备或者数控系统。然后，根据报文定义采集数据，并将采集到的数据送往云平台进行分析处理。

以西门子840D sl数控系统为例，通过边缘设备进行数据通信。根据机床体检业务定义模型，制定了相关的参数化报文，并采用了JSON格式。机床体检的业务报文包含高频采集报文和低频采集报文。

①高频采集报文：通过高频数据采集获取西门子840D sl设备的主轴负载和主轴转速等数据。报文定义如下。

{

"Id":2010,//报文ID

"name":"highFre",

//报文名称，高频采集

"rule":"time",

//报文规则，时间类型

"type":"local",

//报文类型，局部

"fre":50,

//采集频率 50 ms

"paramSet":"siemens",

//所属参数集

"para":[

"load",

//主轴负载

spindleSpeed

//主轴转速

]

}

②低频采集报文：通过低频数据采集获取西门子低频采集840D sl机床状态、进给轴负载和进给轴坐标等数据。报文定义如下。

{

"Id":2011,

//报文ID

"name":"lowFre",

//报文名称，低频采集

"rule":"time",

//报文规则，时间类型

"type":"local",

//报文类型，局部

"fre":1000,

//采集频率，1 000 ms

"paramSet":"siemens",

//所属参数集

"para":[

"machineStatus",

//机床状态

"axisLoad_X",

//X轴负载

"axisLoad_Y",

//Y轴负载

"axisLoad_Z",

//Z轴负载

"axisPos_X",

//X轴坐标

"axisPos_Y",

//Y轴坐标

"axisPos_Z"

//Z轴坐标

]

}

将高频、低频采集报文下发到边缘设备端，则边缘设备端基于业务报文属性采集西门子840D sl数控机床参数。将数据上报云平台进行数据分析处理，得到机床的体检分析报告。西门子840D sl数控机床体检分析结果如图4所示。

图4 西门子840D sl数控机床体检分析结果Fig.4 Physical examination analysis results of siemens 840D sl CNC machine tool

4 结论

本文介绍了一种基于报文的机床数据采集和分享方法。该方法定义了数据采集报文的内容，并通过边缘设备或数控机床来读取报文，以此实现不同的数据采集与分享业务。本文阐述了本方法的系统架构与报文的设计格式，描述了实现数控机床数据采集和数据

分享的流程，并以智能云科推出的机床体检应用对方法进行了验证。该方法能够更加灵活地对不同数控机床进行有针对性的数据采集和分享。