一种NC-Link层、基于其的通讯系统及方法与流程

一种nc
‑
link层、基于其的通讯系统及方法
技术领域
1.本发明属于工业互联通讯领域，更具体地，涉及一种nc
‑
link层、基于其的通讯系统及方法。


背景技术：

2.随着智能制造的不断发展，数控装备的联网已经成为了现代制造业的信息化管理的重要基础。数控装备(包括数控机床、机器人、量仪和传感器)是制造业的重要基础装备，是数字工厂最前端的执行和感知设备。以数字化为基础，贯通装备间的信息交流途径、加强历史数据的应用是数控装备向智能装备转变的主要方式和途径。装备的互联互通是建立数字化和智能工厂的关键技术。
3.目前，国外关于自动化设备及数控机床的互联互通协议方面比较有名的是mtconnect协议和opc ua协议。美国机械制造技术协会(amt)在2006年提出了mtconnect协议，用于机床设备的互联互通。2006年标准国际组织opc(ole process control)基础上重新发展了opc ua工控互联协议。
4.但是上述mtconnect协议和opc ua协议在现场车间数控装备联网的使用过程中都存在很多不足之处。opc ua并不提供数控装备的标准参考模型，需要用户为数控装备定义设备模型，耗时耗力；mtconnect提供机床设备标准参考模型，但由于现场车间数控装备种类、数目众多，在使用过程中mtconnect需要单独为每个数控装备建立适配的设备模型，面对复杂的车间状况，车间可能有数百上千的数控装备，难以满足快速通讯的需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种nc
‑
link层、基于其的通讯系统及方法，旨在解决现有的车间数控装备联网的使用过程中，opc ua并不提供数控装备的标准参考模型，需要用户为数控装备定义设备模型，耗时耗力；且mtconnect提供机床设备标准参考模型，但由于现场车间数控装备种类、数目众多，在使用过程中mtconnect需要单独为每个数控装备建立适配的设备模型，难以满足快速通讯的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于nc
‑
link的通讯系统，包括：nc
‑
link层和应用层；
7.nc
‑
link层用于连接设备与应用层，建立两者之间的信息传输通道；应用层用于下发命令指令，并接收nc
‑
link层反馈的数据和响应；nc
‑
link层用于根据命令指令对设备进行数据采集；
8.nc
‑
link层包括代理器和适配器；代理器上行与应用层存在兼容的接口，下行与多个适配器通过兼容接口连接；所述适配器的下行对应各数控设备；
9.适配器用于根据命令指令，对数控设备进行数据采集，将多种采集数据格式转换为统一的nc
‑
link数据格式传递至代理器；
10.其中，设备均设置有唯一标识溯源码，顺次包括国家顶级节点标识、二级节点标识
代码、企业节点标识编码以及设备唯一标识码，支持数控设备的属性数据以及运行数据的唯一标识溯源，实现对数控设备生命周期的数据追溯；
11.代理器用于将接收的应用层下发的命令指令传递至适配器；并将接收的适配器反馈的数据和响应传输至应用层。
12.优选地，当应用层与设备建立交互时，
13.代理器用于注册设备唯一标识溯源码，并将设备nc
‑
link模型文件的当前版本号转发至应用层；
14.应用层用于校对设备nc
‑
link模型文件的当前版本号与应用层最近一次请求到的版本号的注册版本号是否匹配，若不匹配，则应用层经代理器向适配器发送设备nc
‑
link模型文件的请求指令；
15.适配器用于启动时向代理器发送设备nc
‑
link模型文件的当前版本号；在接收到设备对应的nc
‑
link模型文件的请求指令时向代理器返回设备nc
‑
link模型文件的当前版本。
16.优选地，当应用层进行数据查询时，
17.应用层用于通过代理器向适配器发送数据查询请求，并用于接收代理器转发的响应；
18.适配器用于根据接收到的数据查询请求进行数据处理后，将处理的数据项封装，向代理器发布响应。
19.优选地，当应用层进行数据采样时，
20.适配器用于根据自身模型文件的配置信息，定时对设备进行数据采样并将采样数据转发至代理器；
21.当应用层进行数据采样时，应用层向代理器发起采样数据订阅请求，代理器将采样数据定时转发至应用层。
22.优选地，当应用层进行数据下发时，
23.应用层用于发布数据下发命令，经代理器转发至适配器；
24.适配器用于根据数据下发命令获取相关数据，并将相关数据解析后传输至设备进行参数设置。
25.本发明提供了一种nc
‑
link层，包括代理器和适配器；代理器上行与应用层存在兼容的接口，下行与多个适配器通过兼容接口连接；适配器的下行对应设备模块中的各设备；
26.适配器用于根据命令指令，对数控设备进行数据采集，将多种采集数据格式转换为统一的nc
‑
link数据格式传递至代理器；
27.其中，设备均设置有唯一标识溯源码，顺次包括国家顶级节点标识、二级节点标识代码、企业节点标识编码以及设备唯一标识码，支持数控设备的属性数据以及运行数据的唯一标识溯源，实现对数控设备生命周期的数据追溯；
28.代理器用于将接收的应用层下发的命令指令传递至适配器；并将接收的适配器反馈的数据和响应传输至应用层。
29.本发明提供了一种基于nc
‑
link的通讯方法，包括以下步骤：
30.适配器启动后向代理器注册；
31.注册完毕后，若设备是开机后的首次注册，则应用层向代理器请求设备nc
‑
link模
型文件的当前版本号进行校验，若nc
‑
link模型文件的当前版本号与最近一次请求到的版本号不一致，则应用层向代理器请求nc
‑
link模型文件的当前版本，并由代理器将请求转发至对应数控设备的适配器；
32.适配器将对应设备的nc
‑
link模型文件的当前版本发送至代理器，并由代理器转发至应用层；
33.适配器根据设备nc
‑
link模型文件的当前版本，持续做出响应或/和向设备采集数据；
34.根据应用层发出的命令指令，经代理器将适配器作出的响应或/和向设备采集数据转发至应用层进行处理；
35.其中，设备均设置有唯一标识溯源码，顺次包括国家顶级节点标识、二级节点标识代码、企业节点标识编码以及设备唯一标识码，支持数控设备的属性数据以及运行数据的唯一标识溯源，实现对数控设备生命周期的数据追溯。
36.优选地，当应用层进行数据采样时，
37.建立nc
‑
link层、设备模块和应用层间的交互条件后，适配器根据自身模型文件的配置信息，定时对设备进行数据采样并将采样数据转发至代理器；
38.当应用层进行数据采样时，应用层向代理器发起采样数据订阅请求，代理器将采样数据定时转发至应用层。
39.优选地，当nc
‑
link层的工作模式为数据查询模式时，应用层进行数据查询时，包括以下步骤：
40.建立nc
‑
link层、设备模块和应用层间的交互条件后，应用层通过代理器向适配器发送数据查询请求；
41.适配器根据接收到的数据查询请求进行数据处理后，将处理的数据项封装，向代理器发布响应；
42.应用层接收代理器转发的响应。
43.优选地，应用层进行数据下发时，包括以下步骤：
44.建立nc
‑
link层、设备模块和应用层间的交互条件后，应用层发布数据下发命令，经代理器转发至适配器；
45.适配器根据数据下发命令获取相关数据，并将相关数据解析后传输至设备进行参数设置。
46.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
47.本发明提供了nc
‑
link层用于连接设备模块和应用层，建立两者之间的信息传输通道，建立的设备模块和应用层的通道方法为：适配器启动后向代理器注册设备唯一标识码；注册完毕后，若设备是开机后的首次注册，则应用层向代理器请求设备nc
‑
link模型文件的当前版本号进行校验，若nc
‑
link模型文件的当前版本号与最近一次请求到的版本号不一致，则应用层向代理器请求nc
‑
link模型文件的当前版本，并由代理器将请求转发至对应数控设备的适配器；适配器将对应设备的nc
‑
link模型文件的当前版本发送至代理器，并由代理器转发至应用层。适配器、代理器和应用层之间根据对应数控设备的最新nc
‑
link模型文件的定义及配置进行数据交互。本发明采用通用的nc
‑
link层，可以快速适配所有具有
工控系统的设备型号，且对每个设备均设置有设备唯一标识溯源码，不论哪个通讯系统中的nc
‑
link层均可以根据设备唯一标识码获取设备信息，与现有技术相比，并不需要用户对设备定义设备模型也并不需要单独为每个设备建立设备模型，可以满足设备间的快速通讯。
48.本发明提供的基于nc
‑
link的通讯系统，支持四种通讯工作模式，分别为交互条件的建立模式、数据查询模式、数据采样模式和数据下发模式；其中，交互条件的建立模式可以提供用户对不同设备信息的选择设备nc
‑
link模型文件；然后根据用于对设备的不同需求，应用层向nc
‑
link层下发不同的指令，可以对设备进行数据查询、数据采样和数据下发。可以实现任意时间间隔数据的快速传输。如果适配器集成于工控系统内部，则适配器响应速度更快。
附图说明
49.图1是本发明实施例提供的nc
‑
link联网参考模型；
50.图2是本发明实施例提供的三轴数控机床的一种典型数字化结构示意图；
51.图3是本发明实施例提供的nc
‑
link的通用接口模型；
52.图4是本发明实施例提供的一种典型的数控装备数据交互流程。
具体实施方式
53.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
54.如图1所示，本发明提供了一种基于nc
‑
link的通讯系统，包括：nc
‑
link层和应用层；
55.nc
‑
link层用于连接设备与应用层，建立两者之间的信息传输通道，实现设备和应用层的信息交互；应用层用于下发命令指令，并接收适配器反馈的采集数据和响应；nc
‑
link层用于根据命令指令进行数据采集；
56.nc
‑
link层包括代理器和适配器；代理器上行与应用层存在兼容的接口，下行与多个适配器通过兼容接口连接；
57.适配器用于根据命令指令，对数控设备进行数据采集，将多种采集数据格式转换为统一的nc
‑
link数据格式传递至代理器；
58.其中，设备均设置有唯一标识溯源码，顺次包括国家顶级节点标识、二级节点标识代码、企业节点标识编码以及设备唯一标识码，支持数控设备的属性数据以及运行数据的唯一标识溯源，实现对数控设备生命周期的数据追溯；
59.所述代理器用于将接收的应用层下发的命令指令传递至适配器；并将接收的适配器反馈的数据和响应传输至应用层。
60.优选地，应用层与设备建立交互时，
61.代理器用于注册设备唯一标识码，并接收设备nc
‑
link模型文件的当前版本号转发至应用层；应用层用于校对设备nc
‑
link模型文件的当前版本号与应用层最近一次请求到的版本号是否匹配，若不匹配，则应用层向代理器发送设备nc
‑
link模型文件的请求指
令；
62.适配器用于启动时向代理器发送设备nc
‑
link模型文件的当前版本号；在接收到设备对应的nc
‑
link模型文件的请求指令时向代理器返回设备nc
‑
link模型文件的当前版本。
63.优选地，应用层进行数据查询时，
64.应用层用于通过代理器向适配器发送数据查询请求，并用于接收代理器转发的响应；
65.适配器用于根据发送数据查询请求进行数据处理后，将处理的数据项封装，向代理器发布响应。
66.优选地，应用层进行数据采样时，
67.适配器用于根据自身模型文件的配置信息，定时对设备进行数据采样并将采样数据转发至代理器；
68.当应用层进行数据采样时，应用层向代理器发起采样数据订阅请求，代理器将采样数据定时转发至应用层。
69.优选地，应用层进行数据下发时，
70.应用层用于发布数据下发命令，经代理器转发至适配器；
71.适配器用于根据数据下发命令获取相关数据，并将相关数据解析后传输至设备进行参数设置。
72.本发明提供了一种nc
‑
link层，包括代理器和适配器；代理器上行与应用层存在兼容的接口，下行与多个适配器通过兼容接口连接；适配器的下行对应设备模块中的各设备；
73.适配器用于根据命令指令，对数控设备进行数据采集，将多种采集数据格式转换为统一的nc
‑
link数据格式传递至代理器；
74.其中，设备均设置有唯一标识溯源码，顺次包括国家顶级节点标识、二级节点标识代码、企业节点标识编码以及设备唯一标识码，支持数控设备的属性数据以及运行数据的唯一标识溯源，实现对数控设备生命周期的数据追溯；
75.所述代理器用于将接收的应用层下发的命令指令传递至适配器；并将接收的适配器反馈的数据和响应传输至应用层。
76.本发明提供了一种基于nc
‑
link的通讯方法，包括以下步骤：
77.适配器启动后向代理器注册；
78.注册完毕后，若设备是开机后的首次注册，则应用层向代理器请求设备nc
‑
link模型文件的当前版本号进行校验，若nc
‑
link模型文件的当前版本号与最近一次请求到的版本号不一致，则应用层向代理器请求nc
‑
link模型文件的当前版本，并由代理器将请求转发至对应数控设备的适配器；适配器将对应设备的nc
‑
link模型文件的当前版本发送至代理器，并由代理器转发至应用层；
79.适配器根据设备nc
‑
link模型文件的当前版本，持续做出响应或/和向设备采集数据；
80.根据应用层发出的命令指令，经代理器将适配器作出的响应或/和向设备采集数据转发至应用层进行处理；
81.其中，设备均设置有唯一标识溯源码，顺次包括国家顶级节点标识、二级节点标识
代码、企业节点标识编码以及设备唯一标识码，支持数控设备的属性数据以及运行数据的唯一标识溯源，实现对数控设备生命周期的数据追溯。
82.优选地，应用层进行数据采样时，包括以下步骤：
83.建立nc
‑
link层、设备模块和应用层间的交互条件后，适配器根据自身模型文件的配置信息，定时对设备进行数据采样并将采样数据转发至代理器；
84.当应用层进行数据采样时，应用层向代理器发起采样数据订阅请求，代理器将采样数据定时转发至应用层。
85.优选地，应用层进行数据查询时，包括以下步骤：
86.应用层通过代理器向适配器发送数据查询请求；
87.适配器根据接收到的数据查询请求进行数据处理后，将处理的数据项封装，向代理器发布响应；
88.应用层接收代理器转发的响应。
89.优选地，应用层进行数据下发时，包括以下步骤：
90.应用层发布数据下发命令，经代理器转发至适配器；
91.适配器根据数据下发命令获取相关数据，并将相关数据解析后传输至设备进行参数设置。
92.实施例1
93.如图4所示，本实施例提供的nc
‑
link的通讯方法，主要包括两方面，一方面为基于nc
‑
link的通讯系统的交互初始化，规定nc
‑
link进行通信的基本要求；另一方面为通讯方法，描述用户进行机床联网的交互方法；
94.基于nc
‑
link的通讯系统包括nc
‑
link层和应用层；
95.设备可以为数控装备、机械加工行业机器人和agv小车等；nc
‑
link层用于连接设备和应用层，建立两者之间的信息传输通道，实现设备和应用层的信息交互，包括适配器终端层和代理器终端层；应用层包括：使用设备信息或者向设备发送信息的应用层，例如erp和mes等。
96.交互初始化要求为：
97.设备交互信息模型规定的样式文件是对每个设备建立设备通用的可扩展的模型文件，每个设备无需建立单独的设备模型文件；
98.与各设备连接的适配器中包含有通用的nc
‑
link模型文件；
99.代理器缓存与其连接的设备对应的nc
‑
link模型文件；
100.应用层从代理器上获取缓存的nc
‑
link模型文件。
101.通讯方法主要包括以下步骤：
102.(1)适配器启动后，向代理器注册，提供当前所关联设备文件的设备唯一标识码，全局唯一，否则，代理器将不受理后续请求；
103.适配器可直接集成于设备内部，可快速向代理器进行注册以及信息交互；
104.(2)适配器注册完毕后，发送设备nc
‑
link模型文件的版本号获取请求，代理器获取设备nc
‑
link模型文件的当前版本号；
105.(3)若设备nc
‑
link模型文件的当前版本号与代理器端所保留的设备nc
‑
link模型文件版本号不匹配时；或者代理器端没有保存设备nc
‑
link模型文件时，上述两种情况下设
备nc
‑
link模型文件的请求指令，适配器收到设备nc
‑
link模型文件的请求指令后，必须返回当前设备文件；如果代理器所保留的设备注册版本号与上报的设备当前版本号一致，则代理器不会向适配器发送设备nc
‑
link模型文件的请求指令；
106.其中，设备nc
‑
link模型文件采用面向对象的方法进行描述，包括根对象、设备对象、组件对象、数据对象和采样通道对象；设备nc
‑
link模型文件采用弱类型的json(java script notation)进行设备描述与数据传输，保证数据内容的可读性，降低了带宽压力；
107.(4)应用层向代理器请求适配器中设备唯一标识码的nc
‑
link模型文件；
108.(5)代理器将缓存的设备文件发送至应用层；
109.(6)应用层根据设备唯一标识码与对应设备进行数据交互；
110.如图3所示，以下步骤的接口形式简单，只有侦测、查询、设置和采样四个接口，易于实现，容易理解；
111.数据采样用来获取设备的自身属性数据、连续运行状态数据、异常事件和报警数据等；采样数据为组合数据；
112.(7)在下一个采样周期之前，代理器向应用层转发适配器设备唯一标识码上报的采样数据，直至应用层取消订阅数据采集；
113.(8)应用层请求适配器中设备唯一标识码，执行query/request指令；
114.(9)代理器转发应用层的query/request指令到设备适配器的设备唯一标识码；
115.(10)适配器中的设备唯一标识码执行query/request指令，将结果返回至代理器；
116.(11)代理器将执行结果返回至应用层；
117.(12)应用层发布数据下传指令；
118.数据下传的信息交互方向从应用层到设备模块，用于传递设备需要的数据；
119.(13)代理器获取相关的数据传送命令并转发；
120.(14)适配器从代理器获取相关的数据；
121.(15)适配器将数据解析后传送至相应的设备中，设备进行判断，若数据下传指令的数据项为可配置的数据项，则指令生效，否则指令不生效；
122.下行/控制数据的安全，不仅由发送方控制，还需要在设备文件中定义，适配器只接受设备文件中的“允许修改”的下行数据。
123.实施例2
124.数控装备是一种由多种结构部件进行有机组合形成的工控装置，如数控机床、工业机器人、物料小车avg等。本发明将以三轴数控机床为例描述具体实施例，但是应用范围并不限于数控机床。三轴数控机床的一种典型数字化结构如图2所示，包括数控系统、plc模块、控制器、主轴和进给轴。每个功能部件可能有多个数据属性可采集：以x轴为例，存在轴实际位置、轴指令位置、轴实际速度和轴指定速度等数据项；以主轴为例，存在实际位置、轴指令位置、轴实际速度、轴指定速度、主轴振动和负载电流等数据项。
125.交互条件的确保：根据nc
‑
link联网参考模型进行机床网络连接，确保满足交互条件：
126.集成于数控装备内部的适配器启动后，适配器需要向代理器注册，提供当前所关联数控设备模型文件的设备唯一标识码；
127.适配器注册完毕后，发送设备nc
‑
link模型文件的版本号获取请求，向代理器提供
设备nc
‑
link模型文件的当前版本号；
128.若设备nc
‑
link模型文件的当前版本号与代理器端所保留的设备注册版本号不匹配时；或者代理器端没有保存设备nc
‑
link模型文件时，上述两种情况下设备nc
‑
link模型文件的请求指令，适配器收到设备nc
‑
link模型文件的请求指令后，必须返回当前设备文件；应用层向代理器请求适配器中设备唯一标识码对应的nc
‑
link模型文件；代理器将已经缓存的设备对应的nc
‑
link模型文件发送至应用层。
129.提供的数据交互接口主要包括：数据查询、数据采样和数据下发三种；
130.1.数据查询的信息交互方向为数控装备到应用层，其交互流程为：
131.应用层向代理器订阅请求轴x实际位置的数据查询响应，并向代理器发布数据查询请求；
132.应用层代理器向适配器发送轴x实际位置的数据查询请求；
133.适配器接收轴x实际位置的数据查询请求进行处理，将结果轴x实际位置数据项封装，向代理器发布响应；
134.代理器接收适配器发布的响应，向应用层发送轴x实际位置数据项的响应；
135.应用层接收响应，处理数据轴x实际位置数据项。
136.2.数据采样的信息交互方向为数控装备到应用层，其交互流程为：
137.应用层向代理器订阅在数控装备中配置好的采样数据请求；
138.代理器转发订阅采样请求到数控装备的适配器；
139.适配器从数控装备采集采样数据；
140.适配器向代理器发布采样数据；
141.代理器接收适配器的采样数据，发送至订阅该采样的应用层；
142.应用层接收采样数据，消费采样数据。
143.3.数据下发交互流程：
144.应用层发布数据下传命令；
145.代理器获取相关的数据传达命令并进行转发；
146.适配器从代理器获取相关的数据；
147.适配器把数据进行解析后传送到相应的数控装备；
148.数控装备进行相应的数据响应。
149.综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：
150.本发明提供了nc
‑
link层用于连接设备模块和应用层，建立两者之间的信息传输通道，建立的设备模块和应用层的通道方法为：适配器启动后向代理器注册设备唯一标识码；注册完毕后，若设备是开机后的首次注册，则应用层向代理器请求设备nc
‑
link模型文件的当前版本号进行校验，若nc
‑
link模型文件的当前版本号与最近一次请求到的版本号不一致，则应用层向代理器请求nc
‑
link模型文件的当前版本，并由代理器将请求转发至对应数控设备的适配器；适配器将对应设备的nc
‑
link模型文件的当前版本发送至代理器，并由代理器转发至应用层。适配器、代理器和应用层之间根据对应数控设备的最新nc
‑
link模型文件的定义及配置进行数据交互。本发明采用通用的nc
‑
link层，可以快速适配所有具有工控系统的设备型号，且对每个设备均设置有设备唯一标识溯源码，不论哪个通讯系统中的nc
‑
link层均可以根据设备唯一标识码获取设备信息，与现有技术相比，并不需要用户对
设备定义设备模型也并不需要单独为每个设备建立设备模型，可以满足设备间的快速通讯。
151.本发明提供的基于nc
‑
link的通讯系统，支持四种通讯工作模式，分别为交互条件的建立模式、数据查询模式、数据采样模式和数据下发模式；其中，交互条件的建立模式可以提供用户对不同设备信息的选择设备nc
‑
link模型文件；然后根据用于对设备的不同需求，应用层向nc
‑
link层下发不同的指令，可以对设备进行数据查询、数据采样和数据下发。可以实现任意时间间隔数据的快速传输。如果适配器集成于工控系统内部，则适配器响应速度更快。
152.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。