机械电气设备网络接口与通信协议

机械电气设备网络接口与通信协议范围GB/T18759的本部分规定了机械电气设备开放式数控系统中网络接口和通信协议规范，为开放式数控系统网络接口与通信协议的分析、设计及实现提供参考框架，满足机械电气设备数控系统开放及互操作要求。本部分适用于金属切削机床、锻压机床、特种加工机床等工业机械设备用的开放式数控系统。基本要求概述开放式数控系统（ONC）网络接口与通信协议是用于开放式数控系统及相关设备的信息集成、分布式网络管理及远程操作的通信接口与协议。为满足开放性、可靠性和安全性等要求，本部分提出的网络接口与通信协议以TCP/IP为基础，由数据采集层、数据处理层、应用服务层组成。为了兼顾现有国际、国家标准或者事实标准，满足数控系统开放要求，本部分只对网络接口与通信协议进行规范。本部分在开放式数控系统基本结构的基础上（见GB/T18759.1-2002及GB/T18759.2-2006），对开放式数控系统网络接口基本体系结构，以及所包含的信息模型、通信协议等加以规范，并在附录中给出相关应用示例，但并不对数控装置、部件、驱动器及I/O等设备，以及第三方用户软件的具体实现作具体规定，以满足开放性设计要求；此外，本部分不对操作系统和通信系统作具体规定，凡是采用符合国际标准、国家标准和事实标准的都被视为符合本部分的要求。网络结构开放式数控系统通过网络接口与通信协议实现设备的信息集成、网络管理与远程操作等，如图1所示。其基本功能是将数控系统及相关部件等设备在运行过程中所产生的实时和非实时数据等信息，按照信息模型和通信协议进行编码，变换为可在网络上传输的报文，并通过通信网络进行传输；同时将接收到的远程操作命令发送给本地数控系统，以实现本地的远程操作。远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远.0000远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远远.0000远远远远远远远远000图1ONC网络结构（数控机床示例）为实现开放式数控系统网络化功能，数控系统的网络接口间需要通过通信网络建立连接，并通过通信协议进行数据传输。通信网络为信息传递所经的媒介，其设备主要包括用于信号可靠传输的路由器交换机、插头、插座、线缆及中继设备等；通信协议规定信息传输规则，主要包括连接方式、报文单元、报文格式、发送和接收时序等。网络要求针对开放式数控系统要求，网络接口与通信协议应该满足如下要求：——开放性：网络接口与通信协议应具备开放性和可扩展性，以确保不同类型数控系统信息共享并适应信息集成的发展要求。——可靠性：网络应具有容错处理等机制，以支持可靠通信。――安全性：网络应支持安全通信，以防止信息的非法访问和使用等，参见附录c。网络接口层次网络接口以TCP/IP为基础，由数据采集层、数据处理层、应用服务层组成，如图2所示。\|/"F-远远远远远远远远远远远远远远远\|/"F-远远远远远远远远远远远远远远远图2网络接口层次数据采集层：实现本地数据的采集、存储以及针对远程操作命令的本地操作功能。以机床为例，采集数据主要包括设备识别信息（如系统型号、版本号等）、设备特性（如最大行程、行程范围等），以及设备运行数据（如当前运行状态、运行模式等），数据采集功能主要通过数控系统自身提供，其具体实现本部分不做具体规定；系统本地操作功能主要针对远程操作指令实现本地数控系统基本操作，包括工件程序的管理、系统参数的管理以及系统基本操作等，本地操作功能主要通过数控系统自身提供，其具体实现本部分不做具体规定。数据处理层：实现采集数据处理和远程操作处理功能。采集数据处理功能依照信息模型的定义，将采集层所采集的信息进行打包，为应用服务层提供数据报文，实现数控系统的信息集成；远程操作处理功能通过对从远程操作接口获得的命令进行解析，转换成本地数控系统操作接口的命令。应用服务层：通过HTTP请求响应的机制处理相关数据，满足车间及更高级别的信息集成需求；同时接收用户的远程操作命令，实现本地远程操作。信息模型概述网络接口通过信息模型来描述不同类型的数控设备，该模型定义数据和数据源的关系，并描述数控设备的结构信息。信息模型使用统一术语描述数控设备信息单元，数据项是信息模型的基本单元。机床数控系统信息模型中的参考数据项示例参见附录A,设备描述与数据流文件示例参见附录B。信息模型定义部件的结构特征以及部件之间的逻辑关系，顶层向下依次为设备，组件和子组件，如图3所示。通过不同的组合方式，适应不同的设备建模需求。图3面向信息的机械电气设备结构模型数据项数据项是信息模型中从设备、组件或者子组件中获取的信息单元。数据项一般包括数据项属性、数据来源和数据约束，其模型如图4所示。数据项属性定义数据项编号、数据项名称、数据单位等。图4图4数据项模型设备设备模型设备表示逻辑上相关的所有组件的集合，其模型如图5所示

图5设备模型设备属性设备的属性包含了设备编号、设备名称等信息。设备元素设备元素包括设备数据项、描述信息、配置信息及设备包含的组件信息等，见表1。设备应包括个可用性数据项，该数据项用于标识当前设备能否对外提供信息。表1设备元素设备元素说明设备描述设备的描述信息设备配置设备的配置信息设备组件设备所包含的组件设备数据项设备可用的数据项组件组件模型组件将逻辑上相关的组件类型合并在一起，表示设备的构造特点和设备的功能特点。组件通过组件实例进行表述，组件实例按照组件模型将相关的子组件和数据项进行组织，并具备独立功能。组件实例一般包括控制装置、轴集、部件、传感器、安全门等。组件模型如图6所示。图6组件模型控制器控制器模型控制器提供的信息包括设备运行状态和程序的执行情况等，其模型如图7所示控制器属性控制器编号控制器名称控制器数据項控制器控制器描述控制器配置控制器子组件图7控制器模型控制器属性控制器属性包含了控制器的编号和控制器名称。控制器数据项控制器的数据项用于描述当前控制模式、执行状态等状态信息。控制器包含的数据项见表2表2控制器包含的数据项数据项名称说明ACTIVEAXES正在控制的轴BLOCK正在执行的程序块CONTROLLERMODE控制模式，包括：自动、手动、MDI等EMERGENCYSTOP紧急制动器的状态EXECUTION执行状态，包括：准备、运行、急停等MESSAGE文本通知LINE正在执行的加工程序行号PALLETID正在使用的托盘编号PARTCOUNTALL所有零件计数值PARTCOUNTGOOD合格零件计数值PARTCOUNTBAD不合格零件计数值PARTID正在加工的零件编号PATHPOSITION控制轴当前坐标值PROGRAM正在执行的程序名TOOLASSETID正在使用的刀具编号

WORKHOLDINGID正在使用的夹具编号MOTIONPROGRAM运动程序状态LOGICPROGRAMPLC或逻辑状态SYSTEM操作系统状态HARDWARE硬件运行状态COMMUNICATIONS通信失败标识轴轴数据项用于描述进给轴、主轴的实际速度、编程速度等状态信息。进给轴包含的数据项见表3表3进给轴包含的数据项数据项名称说明AXISFEEDRATEACTUAL轴实际进给速度AXISFEEDRATECOMMANDED轴编程进给速度AXISFEEDRATEOVERRIDE轴修调值AXISTORQUE轴扭矩值PATHPOSITIONACTUAL轴实际坐标值PATHPOSITIONCOMMANDED轴编程坐标值PATHPOSITIONTARGET轴目标位置值DIRECTION主轴方向ROTARYVELOCITYCOMMANDED主轴编程速度值ANGULARVELOCITY主轴实际速度值ROTARYVELOCITYOVERRIDE主轴修调值HARDWARE硬件运行状态COMMUNICATIONS通信失败标识机床部件机床部件数据项用于描述设备液压系统、气动系统、润滑系统及冷却系统等状态信息。机床部件主要数据项见表4。表4机床部件主要数据项数据项名称说明ELECTRICALENERGY耗电量FILLLEVEL充满程度FLOW流体流速FREQUENCY频次LINEARFORCE推/拉力CONCENTRATION混合比例CONDUCTIVITY材料的导热能力HARDWARE硬件运行状态COMMUNICATIONS通信失败标识传感器传感器描述传感器的测量数据等信息。传感器主要数据项见表5

表5传感器主要数据项数据项名称说明TEMPERATURE温度值PRESSURE压力值TILT位移值VELOCITY速度值VOLTAGEALTERNATING交流电压值VOLTAGEDIRECT直流电压值HARDWARE硬件运行状态COMMUNICATIONS通信失败标识安全门安全门数据项用于描述设备防护门的状态信息。安全门主要数据项见表6表6安全门主要数据项数据项名称说明DOORSTATE安全门启用状态DOOROPEN安全门打开DOORCLOSE安全门关闭HARDWARE硬件运行状态COMMUNICATIONS诵信失败标识4通信协议概述通信协议主要采用HTTP作为底层的通信协议，以请求/应答模式进行数据交互,可采用XML进行封装。应用端通过请求的形式与设备进行信息交互，主要包括结构查询请求，信息快照请求，信息查询请求和数据写入请求等。网络接口针对应用端请求提供相应的应答，主要包括设备描述报文、数据流报文、错误报文等。通信过程如图8所示。

图8通信协议请求基本要求请求以请求包的形式实现，通过结构查询请求查询网络接口提供的设备信息模型，通过信息快照请求或信息查询请求查询设备达到数据项，通过数据写入请求执行相关远程操作。结构查询请求结构查询请求查询设备描述报文，从描述文件可以获得设备结构信息模型和信息模型中的可用数据项信息。信息快照请求信息快照请求查询设备指定时间点的数据项状态。信息快照请求的参数如表7所示。表7信息快照请求参数说明参数说明Path指定组件和数据项At时指定查询的时间点Count查询的数据量

信息查询请求信息查询请求查询设备指定时间段的数据项状态。信息查询请求的参数如表8所示。表8信息查询请求参数说明参数说明Path指定组件和数据项Interval时间间隔From指定查询的时间段Count查询的数据量数据写入请求数据写入请求包含远程控制命令和相关参数，根据数据写入请求报文中的操作识别码，识别出远程操作请求的类型，并通过本地操作接口实现相关操作。数据写入请求报文结构见图9。图9数据写入请求报文结构远程操作功能一般包括数控系统加工程序管理、参数管理和系统基本操作等（如图10所示）。数控系统加工程序管理包括程序的下载、上传及删除等；参数管理包括系统参数、补偿参数、刀具参数、用户宏变量等参数的配置和修改等；基本操作包括数控系统加工任务的启动、暂停和急停等。远程操作命令解析数控系统参数管理数控系统基本操作数控系统加工程序管理系统参数配賈刀具参数配賈补偿参数配賈用户宏变量加工任务启动远程操作命令解析数控系统参数管理数控系统基本操作数控系统加工程序管理系统参数配賈刀具参数配賈补偿参数配賈用户宏变量加工任务启动加工任务暂停本地操作接口图10远程操作功能4.3应答基本要求针对应用端请求提供对应的应答报文，应答报文包括设备描述报文、数据流报文、错误报文等设备描述报文

设备描述报文是网络接口针对结构查询请求所提供的响应报文，描述设备的结构信息和设备所能提供的数据项信息（见图11）。图11设备描述报文结构设备描述报文文件头包括版本号、生成时间、发送者、实例编号、缓冲区大小等，如下表所示。设备描述报文内容包括控制器、轴、机床部件等设备的可用数据项信息。设备描述文件头信息说明如表9所示。表9设备描述文件头信息说明名称说明Version版本号CreationTime生成时间Sender发送者Instanceld实例编号BufferSize缓冲区大小数据流报文数据流报文是网络接口针对除结构查询请求之外所提供的响应报文，描述所获得的设备数据项。数据流报文结构见图12。

图12数据流报文结构数据流报文文件头包括版本号、生成时间、发送者、实例编号、最近一次数据流编号、下一次数据流编号、起始数据流编号、缓冲区大小等属性，如下表所示。数据流报文内容包括所获取控制器、轴、机床部件等设备的数据项信息。数据流文件头说明见表10。表10数据流文件头说明名称说明Version版本号CreationTime生成时间Sender发送者Instanceld