孫赫 劉蜜，2 劉林琳，2 石錦成，2 蔣度遠(yuǎn)

（1 上海威克鮑爾通信科技有限公司， 上海， 200436；2 貴州航天電器股份有限公司， 貴州， 550000）

引言

“工業(yè)4.0” 指出數(shù)字化車(chē)間的建立是其必不可少的環(huán)節(jié)之一[1]。 為了實(shí)現(xiàn)車(chē)間管理層對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的管控， 完成對(duì)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、 處理及集成是重要的基礎(chǔ)之一， 信息集成／信息的互聯(lián)互通可消除孤島效應(yīng)、 為工廠(chǎng)或車(chē)間實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化提供保障和支持[2-3]。

智能工廠(chǎng)／數(shù)字化車(chē)間信息集成指的是網(wǎng)絡(luò)層次不同的設(shè)備、 系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通和信息互通， 本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)一致性信息數(shù)據(jù)的傳輸與使用[4-5]， 其關(guān)鍵點(diǎn)在于： ①建立網(wǎng)絡(luò)使用通信協(xié)議支持， 將物理位置不同或者功能不同的設(shè)備或系統(tǒng)連接起來(lái)， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸； ②設(shè)備和系統(tǒng)能夠一致地表達(dá)所傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)， 必須明確所表述的數(shù)據(jù)類(lèi)型或含義， 進(jìn)而做到互聯(lián)互通。因此， 建立結(jié)構(gòu)一致的信息模型是信息集成／處理的關(guān)鍵。 信息模型指的是對(duì)物理對(duì)象的抽象并形成的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)， 需要反映實(shí)際對(duì)象和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系[6]。 采用信息模型實(shí)現(xiàn)對(duì)象映射， 完成信息／數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換， 將對(duì)數(shù)字化、 智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息集成起到關(guān)鍵性作用[7]。

特種加工設(shè)備作為智能工廠(chǎng)／數(shù)字化車(chē)間的重要組成部分， 其從半自動(dòng)化／自動(dòng)化模式向信息驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)化集成控制模式方向發(fā)展非常關(guān)鍵， 然而其屬性定義繁雜， 內(nèi)部軟硬件系統(tǒng)多種多樣， 造成了數(shù)字化車(chē)間集成的困難， 所以建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)而規(guī)范設(shè)備程序標(biāo)準(zhǔn)體系至關(guān)重要。

文獻(xiàn)[8]指出， 標(biāo)準(zhǔn)化信息模型是打破信息孤島、 實(shí)現(xiàn)車(chē)間之間及其內(nèi)部設(shè)備互聯(lián)互通的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[9]中， 統(tǒng)一構(gòu)架建立了信息模型， 并定義了在開(kāi)放性生產(chǎn)控制和統(tǒng)一架構(gòu) （OPC UA） 地址空間中的映射規(guī)則， 然后基于 OPC UA 服務(wù)器／客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交互。 文獻(xiàn)[10]基于B／S 架構(gòu)進(jìn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 并給出與業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)及接口集成的方法。 在文獻(xiàn)[11]中對(duì)數(shù)字化車(chē)間參考模型進(jìn)行了概述與分析。

上述論文論述了數(shù)字化車(chē)間的數(shù)據(jù)信息模型的建立是非常重要的環(huán)節(jié)， 信息模型的搭建會(huì)更好地縮短設(shè)備研制周期， 減少由于信息處理過(guò)程中引發(fā)的突發(fā)狀況而造成非必要的數(shù)據(jù)復(fù)檢與數(shù)據(jù)缺失。 本文基于Ethernet／IP 協(xié)議建立了統(tǒng)一的并具有很強(qiáng)適用性的數(shù)據(jù)模型， 對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了劃分、 歸類(lèi)及處理， 在設(shè)備信息的映射關(guān)系上建立同一化標(biāo)準(zhǔn)， 縮短了設(shè)備的研發(fā)周期， 并確保了設(shè)備信息的完整性， 可有效地為設(shè)備信息后續(xù)的集成處理提供支持。

1 基于Ethernet／IP 協(xié)議的信息模型概念

1.1 基本概念

作為自動(dòng)化控制總線(xiàn)之一的Ethernet／IP 協(xié)議由ODVA 所開(kāi)發(fā)并得到羅克韋爾自動(dòng)化公司的支持[12-13]， Ethernet／IP 協(xié)議廣泛應(yīng)用于數(shù)字化車(chē)間，其具備以下幾個(gè)主要特征： ①由IEE 802.03 物理層標(biāo)準(zhǔn)、 標(biāo)準(zhǔn)TCP／IP 以太網(wǎng)和通用工業(yè)協(xié)議（CIP） 3 個(gè)部分組成Ethernet／IP 協(xié)議； ②符合工業(yè)要求的以太網(wǎng)物理介質(zhì)和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)都可以被Ethernet／IP 協(xié)議所使用， 應(yīng)用層控制網(wǎng)DeviceNet／ControlNet 可以與Ethernet／IP 協(xié)議無(wú)縫集成； ③在高精度時(shí)間同步、 分布式伺服及過(guò)程控制要求很高的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中， Ethernet／IP 工業(yè)以太網(wǎng)都可勝任， 在Ethernet／IP 工業(yè)以太網(wǎng)中， 可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控， 并進(jìn)行診斷與組態(tài)[14]。

模型是人們對(duì)客觀(guān)對(duì)象進(jìn)行思維抽象后， 基于文字、 圖表、 符號(hào)、 關(guān)系式等的一種簡(jiǎn)化形式[15]，設(shè)備數(shù)據(jù)模型是對(duì)設(shè)備信息、 設(shè)備程序及管控?cái)?shù)據(jù)等的模型化， 基于設(shè)備本體屬性、 對(duì)象屬性及對(duì)象之間的關(guān)系搭建而成。

本文基于Ethernet／IP 協(xié)議搭建設(shè)備元件與設(shè)備控制系統(tǒng)間的映射關(guān)系， 完成子模型的建立，通過(guò)子模型間的關(guān)系模型搭建全局信息變量。 通過(guò)全局變量搭建設(shè)備系統(tǒng)， 完成數(shù)字化車(chē)間子設(shè)備模型的建立， 并通過(guò)搭建的子模型數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用。 建立功能模塊， 通過(guò)功能模塊的搭建完成子設(shè)備間的互聯(lián)， 最終集成至人機(jī)界面， 由使用者進(jìn)行控制與處理。

1.2 信息模型建立原則

數(shù)字化車(chē)間設(shè)備信息模型， 首先應(yīng)當(dāng)能對(duì)具有特征屬性的設(shè)備元件進(jìn)行準(zhǔn)確定義， 其次對(duì)制造過(guò)程數(shù)據(jù)應(yīng)具有統(tǒng)一的映射關(guān)系結(jié)構(gòu)， 最后應(yīng)具有良好的可拓展性。

設(shè)備元件準(zhǔn)確定義： 包含伺服、 氣缸、 機(jī)械手和人機(jī)交互組件等的描述定義及程序結(jié)構(gòu)， 應(yīng)符合設(shè)備功能要求， 最大限度地表達(dá)豐富的設(shè)備信息。

統(tǒng)一的映射關(guān)系結(jié)構(gòu)： 制造過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備單元數(shù)據(jù) （諸如： 設(shè)備類(lèi)型、 設(shè)備名稱(chēng)編碼、 設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)及生產(chǎn)件數(shù)等） 要有統(tǒng)一的映射結(jié)構(gòu)關(guān)系， 統(tǒng)一的關(guān)系描述有利于完成信息模型的建立， 便于數(shù)據(jù)可視化及可靠表達(dá)。

良好的拓展性： 在數(shù)字化車(chē)間內(nèi)， 設(shè)備對(duì)象可能會(huì)由于局部的特殊需求而發(fā)生改變， 因此其信息模型必須是開(kāi)放的， 可以進(jìn)行拓展升級(jí)的，以滿(mǎn)足數(shù)字化車(chē)間設(shè)備單元的變化。

2 信息模型的建模方法

2.1 信息模型的架構(gòu)

基于Ethernet／IP 協(xié)議， 對(duì)設(shè)備單元模型進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)劃、 整合并建立標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型。 數(shù)字化車(chē)間由相應(yīng)的功能模型（產(chǎn)品制造、 產(chǎn)品運(yùn)輸、 產(chǎn)品質(zhì)量等） 和實(shí)現(xiàn)各功能的生產(chǎn)要素 （人員、 設(shè)備、物料等） 構(gòu)建而成。 在信息模型中， 將數(shù)字化車(chē)間的各個(gè)組成部分定義為組件。 數(shù)字車(chē)間內(nèi)， 元件需要建立合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和復(fù)用性極強(qiáng)的程序模型，且具有極好的拓展性。 基于Ethernet／IP 協(xié)議對(duì)數(shù)字化車(chē)間內(nèi)設(shè)備進(jìn)行信息數(shù)據(jù)分類(lèi)， 并根據(jù)其具體屬性和組件或?qū)ο蟮年P(guān)系建立屬性集。

在信息模型中， 信息數(shù)據(jù)可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)[16-17]。 靜態(tài)數(shù)據(jù)顧名思義， 指的是靜態(tài)的或者具有較弱的變化性， 如資產(chǎn)標(biāo)識(shí)、 訂單數(shù)據(jù)、 物料編碼、 設(shè)備機(jī)構(gòu)單元等。 動(dòng)態(tài)信息指的是會(huì)隨著生產(chǎn)過(guò)程而變化， 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)被消除或被替換的數(shù)據(jù)， 一般為設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、零件生產(chǎn)過(guò)程記錄數(shù)據(jù)， 如設(shè)備狀態(tài)、 產(chǎn)品尺寸、產(chǎn)品加工數(shù)量、 設(shè)備的加工停止時(shí)間等。 根據(jù)信息數(shù)據(jù)的靜態(tài)性和動(dòng)態(tài)性， 將設(shè)備屬性進(jìn)行劃分，靜態(tài)屬性形成靜態(tài)屬性集， 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)形成過(guò)程控制屬性集。 屬性集對(duì)元件內(nèi)的固有屬性進(jìn)行定義并通過(guò)模塊化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述， 具體信息模型樹(shù)樁層次圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)字化車(chē)間信息模型層次結(jié)構(gòu)圖

車(chē)間信息模型由設(shè)備屬性集 （Q1， Q2， Q3，…） 構(gòu)建而成， 每個(gè)設(shè)備屬性集包含靜態(tài)屬性集和過(guò)程控制屬性集， 靜態(tài)屬性集包含多種靜態(tài)子信息， 靜態(tài)子信息中包含設(shè)備的屬性對(duì)象， 屬性對(duì)象包含的基礎(chǔ)屬性與設(shè)備組件的實(shí)際屬性對(duì)應(yīng)。 過(guò)程控制屬性集包含多種過(guò)程控制子信息， 過(guò)程控制子信息包含設(shè)備的屬性對(duì)象， 其基礎(chǔ)屬性與設(shè)備組件之間同樣相互對(duì)應(yīng)。

基礎(chǔ)屬性： 構(gòu)建單元屬性的基本單元是重要的屬性元素， 例如具有設(shè)備單元屬性的標(biāo)簽、 名稱(chēng)、數(shù)據(jù)類(lèi)型等。 數(shù)據(jù)模型的建立需要確認(rèn)設(shè)備基礎(chǔ)屬性的可選性， 以字母 Y 表示必要屬性， 在建模時(shí)必須包含該屬性， 字母 C 表示設(shè)備屬性可以有所選擇， 即表述該屬性可以使用， 也可以屏蔽。 屬性單元的具體定義規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)屬性定義

設(shè)備組件： 作為實(shí)體對(duì)象存在， 是構(gòu)建設(shè)備物理特性或邏輯結(jié)構(gòu)的一部分， 需要通過(guò)設(shè)備屬性集進(jìn)行描述。 組件還可以有自身的子組件， 對(duì)于同一對(duì)象設(shè)備組件集由各個(gè)子組件構(gòu)建而成。

設(shè)備單元屬性： 設(shè)備本身具有固有的性質(zhì)和特性， 需要定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。 設(shè)備單元屬性由多個(gè)基礎(chǔ)屬性構(gòu)建， 但基礎(chǔ)屬性之間存在各自獨(dú)立的關(guān)系， 如設(shè)備某軸的定位位置是一個(gè)單獨(dú)的屬性， 該屬性及其包含的基礎(chǔ)屬性的示例見(jiàn)表1 第四列。

設(shè)備屬性集： 作為一系列設(shè)備屬性的集合，既可以由若干個(gè)子屬性集組合而成， 也可以由若干個(gè)設(shè)備信息對(duì)象的屬性進(jìn)行組合。

數(shù)字化車(chē)間設(shè)備信息模型是一個(gè)支持拓展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 設(shè)備屬性集和設(shè)備組件之間可進(jìn)行相互嵌套。 設(shè)備屬性集、 設(shè)備組件構(gòu)成了車(chē)間信息模型的結(jié)構(gòu)化描述， 作為信息模型， 其具有代表性， 可以映射某個(gè)特定的設(shè)備組件， 也可以作為抽象的信息模型而存在。

2.2 信息模型的搭建

以數(shù)字化車(chē)間內(nèi)設(shè)備的構(gòu)成組件及基礎(chǔ)屬性元素進(jìn)行功能模型的定義， 對(duì)設(shè)備內(nèi)部靜態(tài)信息及其過(guò)程控制信息進(jìn)行劃分， 搭建設(shè)備硬件信息模型， 適用于包含主要功能元件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及程序功能模塊。

靜態(tài)屬性集建立原則為： ①在生產(chǎn)過(guò)程中變化?。?②不因?yàn)闀r(shí)間或者空間變化而發(fā)生變化的數(shù)據(jù)。 過(guò)程控制屬性集建立原則為： ①隨著生產(chǎn)過(guò)程而發(fā)生變化； ②與設(shè)備的邏輯控制及加工過(guò)程相關(guān)聯(lián)。

搭建實(shí)體功能模型主要有伺服系統(tǒng)模型組件搭建、 氣缸系統(tǒng)模型組件搭建、 機(jī)器人系統(tǒng)模型搭建、 人機(jī)交互系統(tǒng)模型組件搭建等。 這些模型組件主要針對(duì)實(shí)體元素部分， 對(duì)實(shí)體組件進(jìn)行設(shè)備單元屬性的劃分， 并定義其操作模式。 模型組件之間存在相互的映射關(guān)系， 比如伺服系統(tǒng)模型組件需要與人機(jī)交互系統(tǒng)模型組件之間形成映射關(guān)聯(lián)， 最終通過(guò)交互界面對(duì)設(shè)備單元進(jìn)行操作處理。 其架構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 基于EtherNet／IP 協(xié)議的數(shù)字化車(chē)間信息模型架構(gòu)示意圖

伺服系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)及相關(guān)描述如圖3 所示。 對(duì)伺服系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)信息搭建靜態(tài)信息屬性集和過(guò)程控制信息屬性集， 靜態(tài)信息屬性集包含： 已使能、 已回零、 報(bào)警停止、 位置在席等； 過(guò)程控制信息屬性集包含： 使能、 點(diǎn)動(dòng)、 手動(dòng)位置、 速度模式等。

圖3 伺服系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

氣缸系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)及相關(guān)描述如圖4 所示。 對(duì)氣缸系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)信息搭建靜態(tài)信息屬性集和過(guò)程控制信息屬性集， 靜態(tài)信息屬性集包含： 手動(dòng)條件、 手動(dòng)按鈕、 動(dòng)位信號(hào)、 原位信號(hào)等； 過(guò)程控制信息屬性集包含：點(diǎn)位輸出、 手動(dòng)中、 自動(dòng)打開(kāi)、 自動(dòng)關(guān)閉等。

圖4 氣缸系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)器人系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)及相關(guān)描述如圖5 所示。 對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)信息搭建靜態(tài)信息屬性集和過(guò)程控制信息屬性集， 靜態(tài)信息屬性集包含： 機(jī)器人狀態(tài)、 報(bào)警、 當(dāng)前位置等； 過(guò)程控制信息屬性集包含： 機(jī)器人停止、 程序復(fù)位、 程序啟動(dòng)、 點(diǎn)位信息、 運(yùn)行速度等。

圖5 機(jī)器人系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

人機(jī)交互系統(tǒng)模型組件的數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)及相關(guān)描述如圖6 所示。 對(duì)人機(jī)交互模型組件的數(shù)據(jù)信息搭建靜態(tài)信息屬性集和過(guò)程控制信息屬性集，靜態(tài)信息屬性集包含： 自動(dòng)狀態(tài)、 手動(dòng)狀態(tài)、 報(bào)警狀態(tài)等； 過(guò)程控制信息屬性集包含： 模式切換、操作按鈕、 各系統(tǒng)手動(dòng)操作信息。

圖6 人機(jī)交互模型組件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3～圖6 對(duì)設(shè)備單元模型組件進(jìn)行了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義， 并且在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義的基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)模型的規(guī)劃建設(shè)。 下面將基于Ethernet／IP協(xié)議對(duì)各模型系統(tǒng)組件進(jìn)行模塊化實(shí)現(xiàn)。

3 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化車(chē)間特種加工設(shè)備信息模型為基礎(chǔ)框架， 在對(duì)實(shí)際的數(shù)字化車(chē)間進(jìn)行建模時(shí)， 需要基于車(chē)間設(shè)備單元的實(shí)際功能， 按照其組件系統(tǒng)內(nèi)的基礎(chǔ)屬性進(jìn)行填充， 形成具有實(shí)際意義的信息模型對(duì)象， 文章將該過(guò)程定義為實(shí)例化過(guò)程。 信息模型組件具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中， 需要具體的編程方法和通信機(jī)制， 實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)例化信息系統(tǒng)組件的組織。 在此提供一種基于Ethernet／IP 協(xié)議的信息模型實(shí)現(xiàn)方案。

采用硬件為 PC 機(jī) （ win10 系統(tǒng)） 、Systemstudio （1.47 標(biāo)準(zhǔn)版） 、 昆侖通態(tài)屏幕（3.3.2.5166） 及其他組件基于Ethernet／IP 協(xié)議完成PLC 信息數(shù)據(jù)模型的實(shí)例化。

伺服系統(tǒng)模型組件變量組件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

圖7 伺服系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)模型搭建及實(shí)現(xiàn)程序示意圖

氣缸系統(tǒng)模型組件變量組件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)如圖8所示。

圖8 氣缸系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)模型搭建及實(shí)現(xiàn)程序示意圖

機(jī)器人系統(tǒng)模型組件變量組件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)如圖9 所示。

圖9 機(jī)器人系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)模型搭建及實(shí)現(xiàn)程序示意圖

人機(jī)交互系統(tǒng)模型組件變量組件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)如圖10 所示。

圖10 人機(jī)交互系統(tǒng)模型組件數(shù)據(jù)模型搭建及實(shí)現(xiàn)程序示意圖

數(shù)字化車(chē)間應(yīng)用場(chǎng)景如圖11 所示。 基于Ethernet／IP 協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)鏈路， 按照上述模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)定義、 數(shù)據(jù)處理， 實(shí)現(xiàn)程序標(biāo)準(zhǔn)化框架搭建， 在降低設(shè)備研制周期的同時(shí)， 為后續(xù)可視化及產(chǎn)品質(zhì)量管控平臺(tái)的建立提供支持。

圖11 某數(shù)字化車(chē)間局部產(chǎn)線(xiàn)示意圖

4 結(jié)論

分析某航天數(shù)字化車(chē)間的組織架構(gòu)、 功能模型， 明確了數(shù)字化車(chē)間內(nèi)設(shè)備單元的信息模型建設(shè)要求和建模方法。 將數(shù)字化車(chē)間設(shè)備單元模型按功能領(lǐng)域劃分為伺服系統(tǒng)模型組件、 氣缸系統(tǒng)模型組件、 機(jī)器人系統(tǒng)模型組件及人機(jī)交互系統(tǒng)模型組件， 提出了按靜態(tài)信息屬性集、 過(guò)程控制信息屬性集、 對(duì)象、 屬性和基礎(chǔ)屬性的信息模型架構(gòu)方案， 對(duì)設(shè)備單元進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化、 層次化及模塊化的信息模型構(gòu)建。 基于Ethernet／IP 協(xié)議完成設(shè)備單元信息模型與人機(jī)交互系統(tǒng)組件的關(guān)系映射， 驗(yàn)證結(jié)果表明該模型框架的建立是切實(shí)可行的。

文中所定義的信息模型具有很強(qiáng)的適用性，對(duì)于設(shè)備單元的信息模型搭建、 信息集成應(yīng)用具有重要的參考意義， 本文中所建立的數(shù)字化車(chē)間設(shè)備單元信息模型可以靈活地拓展應(yīng)用于其他機(jī)械加工或離散制造數(shù)字化車(chē)間單元中。 該模型可以有效地提升設(shè)備研制效率， 為底層信息集成的規(guī)范化、 標(biāo)準(zhǔn)化提供支持。