CN106293643A - 模型组态化的流水型产品制造装备软硬件一体化建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向流水型产品加工装备的建模方法。这类装备由多个加工处理节点按照产品加工处理逻辑以流水线模式连接在一起形成。本发明中的方法应用于这类装备的基于控制系统的软硬件一体化设计与控制系统的生成。该方法将这类装备视为基于流水线的体系，定义了加工器、传输器、传感器、缓存器和阀门五类组态用于抽象流水线成分，用户根据待设计装备的功能与性能需求，采用可视化方式基于这五类组态定义装备系统的逻辑结构，并自顶向下逐步实现流水线中各成分，最后将流水线中硬件驱动部件映射为装备系统的硬件模块，给出模块的功能与性能规范以及控制系统软件代码。该方法特别适合对诸如复合3D打印和基于协同工作的制造装备进行敏捷设计。
Description
技术领域
本发明涉及计算机系统结构领域，特别涉及是计算机应用系统与数控装备融合的构造方法。
背景技术
面向领域建模（DSM, Domain-Specific Modeling）是通过对特定领域的分析和抽象，得到该领域的共性和变化特征，建立该领域的构件库与框架库，最后通过领域建模和代码生成实现领域应用。面向领域的建模被称为“下一代建模方法”。面向领域建模采用面向领域的建模语言，而不是通用的UML（Unified Modeling Language）。面向领域的建模语言是对特定领域的抽象，而不是对代码的抽象，它符合特定领域的使用习惯，具有特定领域的语义，与特定的实现平台无关。在DSM 的实施过程中，开发人员可以直接使用该建模语言进行系统开发，根据自己的需求量身定做自己的软件。
基于领域模型的数控设计平台的实现包括面向平台的开发和面向应用的开发。面向平台的开发是数 控系统应用开发的基础，由领域专家开发数控语言、模型解释器、数控组件库，为领域工程师提供开发 环境和工具集。面向应用开发则利用该开发平台和工具集，通过需求分析、模型构建、仿真验证、代码 自动生成，迅速搭建面向特定平台的数控系统。
相应地，领域模型需要转换为某一特定的平台实现，其实现必须完整而等价地反映模型的设计语义 和限制。按照流水型产品封装设备领域模型的语义特点，其实现平台需要有效反映：A)流水线传送与工位间的协作；B)和流水线间的传送协作。流水型传送对象和工位对象具有稳定的接口和规范，以用于快 速扩展和无缝接入。工位对象的功能应该柔性化，以便于具体用户通过相关的交互软件决定其最终运行 功能。逻辑控制模型与具体电气控制高度解耦，以便于随机械设备更换而快速切换控制实现支持，和易 于接入仿真实现方案。数字控制系统还应该具备数据管理，生产管理和监控等功能。
这一系列的需求实际上已经存在数控系统设计领域已久并且没有得到理想的解决方案。本发明的领域模型实现平台，以领域模型为基础，吸收集中各种相关领域的开发实现方案，提供根据领域模型实例 自动生成全部或大部分实现代码以及其运行平台，其代码与平台经过精心设计和多次测试，有效解决上述数控系统开发实现中存在的问题。
发明内容
一、发明的基本内容与目的
流水型产品加工与制造设备是一种复杂数控系统,相当于集成在一部设备上的几条产品加工生产线,广泛用于包括IC卡封装与个人化一体以及复合3D打印系统在内的一体化的产品生产、制造、封装、加工及初始化。但这类生产装备的设计与实现，缺乏领域平台支撑，不支持软硬件一体化建模，效率低下,亟待高效的开发方法及其支撑环境与工具。
本发明的目的在于克服该类加工制造装备的设计与实现中存在的问题，给出一种创新的方法与支撑体系，支持复杂数控装备的软硬件一体化建模与设计，实现这类设备的敏捷设计。
二、组态化流水线模型
2.1组态化流水线的组成
组态化的流水线模型的组成成分是节点，节点是软件定义的硬件系统，即SDH（Software Defined Hardware），是具有输入端口、输出端口与控制端口的处理与加工装置。
l 输入端口用于接收节点待加工处理的物料
l 输出端口用于将加工处理完毕的物料输出，
l 控制端口是节点的组态的服务接口，是服务化的软件，用于输入数字化的控制命令、输出数字化的服务结果。
其中物料是指节点的加工处理的物理对象，属于产品的中间形态。
节点具有加工器、传输器、传感器、缓存器、阀门五种类型：
l “加工器”用于对产品的中间形态（下称“物体”）执行某种由用户软件定义的具体操作。输入输出可以接传输器、开关、传感器；
l “传输器”用于物理地将物体从一个处理器传输到另一个处理器。输入输出可以接处理器、开关及其他传输器
l “传感器”用于自动感应某种事件，并且发出感应信号；
l “缓存器”用于暂存待送到下一个节点的物体（可以是数据、物料或加工品），可以被随时调取。
l “阀门”用于控制处理器、传输器、传感器的接通（启动），通过条件控制。分为两类：
ü 分配阀门：一个输入，多个将输出。将输入按条件与某输出接通
ü 选择阀门：多个输入，一个输出，将某一按条件选定的输入与输出接通。每个开关有一个条件表达式控制—开关条件。开关条件可以是以传感器信号为操作数的条件表达式。
组态的基本接口指令：
系统定义了元组态Configure，下面是该元组态的基本接口指令：
1. 连通
函数原型：void Connect (Response & resp )
说明：该节点连接到流水线
输出参数：resp - 调用返回信息
2. 启动
函数原型：void Start (Response & resp )
说明：当节点处于停止状态时，启动节点，使该节点处于运行状态
输出参数：resp - 调用返回信息
3. 重启复位
函数原型：void Reset(Response & resp)
说明：实现重启复位和清线功能。读取resp获取函数执行成功与否
输出参数：resp - 调用返回信息
4. 停止
函数原型：void Stop (Response & resp )
说明：停止节点，使该节点处于脱机状态
输出参数：resp - 调用返回信息
5. 暂停
函数原型：void Pause(Response & resp )
说明：当节点处于运行状态时，暂停节点
输出参数：resp - 调用返回信息
6. 设置配置脚本
函数原型：void Format(Response & resp , constant char * xmlDesc)
说明：加工前需配置加工参数，通过使用该函数，设置配置脚本
输出参数：resp - 调用返回信息
输入参数：xmlDesc：配置脚本
7. 执行
函数原型：void Process(Response & resp, char* type)
说明：让节点执行进行相应的加工操作
输入参数：type– 加工类型
输出参数：resp - 调用返回信息
8. 输入
函数原型：void Input(Response & resp, const int ID)
说明：执行加工品进入节点操作
输入参数：ID– 加工品编号
输出参数：resp - 调用返回信息
9. 加载
函数原型：void Load (Response & resp , const char* materialType, const intID , const int entryCtn , const char** names , const char** values)
说明：加载要进行操作的数据，该方法同时会实现进卡操作
输出参数：resp - 调用返回信息
输入参数：materialType– 物料类型
：ID– 加工品编号
：entryCtn– 欲发送物料条目的数量
：names – 物料条目的名称
：values – 物料条目名称对应的值
10.输出
函数原型：void Input(Response & resp)
说明：执行节点输出加工品操作
输出参数：resp - 调用返回信息
11.响应参数
Response
说明：函数执行的返回，表示该函数的执行成功与否
结构体声明：
struct Response {
Int code, //响应编码
Bool states, //状态，即成功或失败
char * cause //原因
};
2.3 组态化流水线体系结构
为了实现软硬件的高度独立，组态化流水线体系采用抽象流水线的方式。各主要部分说明如下（参看图1）。此外，在软件系统的意义下，抽象流水线相当于一个具体的基于流水线引擎的软件系统。
■流水线编译器：根据“流水线描述脚本”，生成抽象流水线（对软件系统，是启动生成具体的系统实 例）；就相当于将“流水线描述脚本”编译为“抽象流水线”。
■抽象流水线：是硬件流水线的数字化抽象，由“流水线编译器”根据“流水线描述脚本”编译而来，主要成分是流水线电子部件的抽象数据结构和访问软件体，即为节点。它将硬件流水线上各种可交互的器件分别抽象为五类基本类型：加工器、传输器、传感器、缓存器、阀门。每个节点都有三类端口：输入端口、输出端口和控制端口（三类端口的功能参见2.1）。
■流水线引擎：流水线引擎通过不断地从抽象流水线的“传感端口”读入流水线状态信息，按照既定的引擎逻辑及“流水线配置脚本”生成控制指令，通过流水线的“控制端口”写入流水线。
抽象流水线生成后，自动维护这三类端口，即不断侦听硬件流水线上的电子部件，发现物料到达后就将其通过输入端口输入节点中进行处理，处理完毕后再通过输出端口输出到下一个节点，等待后续处理。流水线通过向控制端口，输入数字化的控制命令、输出数字化的服务结果，控制硬件流水线上的相应电子部件。
上面指出的体系中，抽象流水线隔离了软件与硬件，使得软件可以高度独立与硬件，支持软硬件一体化建模；流水线引擎则将控制系统的主要功能都标准化，集中在该引擎中，相当于一般软件的“容器 ”，加之该容器是可配置的，所以这种体系实现件的生成式开发的基础。
三、支撑环境体系
3.1流水线执行引擎
基本功能：流水线的控制器，负责控制流水线的工作；工作原理：不断获取各器件的状态，根据情况向各器件发出控制指令；消息产生：由各传感器产生；
消息格式：（消息类型，消息序号，阻塞标识，优先级，关联号，操作字，源地址，目的地址，数据1，数据2 , … ）。消息类型：表明消息的分类；消息序号：从开机到目前的产生消息的顺序号；优先级：表明执行次序的数字；关联号：对每组相关消息，用一组新数据表示去执行次序；阻塞标识：表示是否是阻塞型消息；操作字：消息命令字；源地址：消息产生地；目的地：消息发送到的地点；数据：消息所需的数据；
（A）主控程序：读取流水线的描述脚本，解释流水线描述脚本，将描述转化为合适内部数据结构，然后初始化流水线，生成各器件对象及连接关系，并启动“消息控制器”—线程。
while () {
if (消息队列不空) {
消息出队；
读取流水线配置脚本；
解释消息；
执行消息
}
}
（B）消息控制器：用于遍历检测所有传感器端口，检查是否有数据进入，如果存在数据进入，则生成相应消息并将该消息放入该传感器端口的消息队列中。
while () {
for (每个传感端口队列) {
if (有数据) {
生成相应的消息；
消息进队；//是否需要进行消息串行化？（排队）
}
}
}
3.2 系统自定义基本组态
系统定义了五种基本组态，分别称为加工器组态、传输器组态、传感器组态、缓存器组态和阀门组态，分别对应加工器、传输器、传感器、缓存器、阀门五种节点类型。这些基本组态必须继承元组态Configure，实现其基本操作接口，并可以根据特定需要进行接口扩展。下面是缓存器组态和阀门组态的操作接口扩展：
1)“缓存器”组态
1.1数据检索操作
函数原型：void Search(Response & resp , Data & data, Condition cond)
说明：执行缓存器数据访问时进行数据引用的获取
输入参数：cond- 检索条件
输出参数：resp - 调用返回信息
：data - 调用返回的数据
1.2数据插入操作
函数原型：void Insert(Response & resp, Data data)
说明：执行数据插入到缓冲器内
输入参数：data- 要插入到缓冲区内的数据
输出参数：resp - 调用返回信息
1.3数据更新操作
函数原型：void Update(Response & resp, Data data)
说明：执行更新缓冲器内指定的数据
输入参数：data- 要更新到缓冲区内的数据
输出参数：resp - 调用返回信息
1.4数据删除操作
函数原型：void Delete(Response & resp, Data data)
说明：执行删除缓冲器内指定的数据
输入参数：data- 要从缓冲区内删除的数据
输出参数：resp - 调用返回信息
2) “阀门”组态
2.1 选路
函数原型：void Choice(Response & resp, Configure & config, Data data)
说明：执行删除缓冲器内指定的数据
输入参数：data- 要从缓冲区内删除的数据
输出参数：resp - 调用返回信息
：config – 所选择的组态（即选路的结果）
上述基本组态应该支持面向对象的扩展，按照先一般后具体的方式，逐步扩展成为对应具体生产线的器件。
3.3可视化建模器
系统总体体系结构图如图2所示。
顶层为GUI的表示层，分别为面板式编辑器和表格式编辑器，面板式编辑器组件是所有图形描述文件编辑器的基类，表格式编辑器则是库配置文件编辑器的基类；
第二层为GUI的基础功能层，实现基本的GUI功能，包括GMF框架和SWT工具以及RCP框架作为组织整个应用程序的各个视图和页面的基础；
第三层则为模型操作器，包括图形序列化模型编辑器、描述文件模型编辑器和配置文件模型编辑器，它们实现关于对模型的操作，诸如新增、修改、校验、融合等操作；
最低层则为具体的文件持久化操作实现，可以采用磁盘文件系统或者关系型、XML型数据库实现。
3.4流水线脚本
一个具体的流水线由XML文档描述（即流水线脚本）。流水线脚本描述定义具体流水线的组成，包括器件及器件之间的连接以及约束条件、基本属性信息、配置信息等。
流水线脚本分两部分：
■流水线描述脚本：用于描述流水线的基本结构，包括流水线的组成成分描述及其关系描述以及基本属性描述；
■流水线配置脚本：用于描述流水线的动态工作参数，实现对流水线的动态“柔性”配置；
流水线描述脚本
流水线描述脚本同样采用XML作为描述语言，其中根目录为<map>，其中包含<poses>、<regions>和<components>三部分内容。
<poses>标签为工位层的说明，其下包括若干<line>标签及<cross>标签。为了减少大量的重复信息，工位层的说明以这样的思路描述工位层脚本：设备的空间布局为多个传输器组成，一般工位位置标识为顺序定义，流水线之间存在交点，单个流水线头尾可能相接。因此以线和交点两类标签即可给出整个工位层地图。<line>标签代表线，其中包括标识、改线首个工位的标识、工位个数、是否首尾相接，由此，线内各个工位标识由首个工位标识起递增赋予。<cross>标签则给出线间的交点，即双方的线标识和工位标识。由此，即可通过由多个不重叠的一维对象绘出的二维地图。<poses>标签下的所有元素及属性如图3所示。
<regions>标签则为区间层的说明。由于区间层基于工位层，因此，其描述以工位层中的线为基础，给出连续区间集合。<rs>标签即为连续区间集合，其中描述了其所在的线标识、起始工位、持续长度、以及首个区间的标识，后续区间由首个区间标识递增赋予。<regions>标签下的所有元素及属性如图4所示。
<components>标签主要用于说明组件层各组件的定义、行为及其拼接。其下包括<processor>标签和<transfer>标签，分别描述加工器和传送线组件。<processor>标签的定义包括标识、名称、加工工作类型以及其位置信息，加工器的位置可以选择绑定特定的若干工位或区间。<transfer>标签的定义包括标识、名称、线内传送工作类型、所控制的工位范围及其上的区间、入口及出口边境的定位以及其工作模式。其中，类型为可协商式的<entry>和<exit>标签还负责描述区间交接的工作状态转换方案及其执行方案。<components>标签下的所有元素及属性如图5所示。
图6是一个简单的流水线描述脚本。该流水线描述脚本是一个长度为3的首尾不相接的流水线，即包含三个工位，且其上均含有区间，其中，静置加工类型的处理器IC安装于第2号工位，该流水线安装有一个名为convey的线内传送类型为主动可协商类型的传输器，其入口区间位于第1号区间，工作类型为被动型，出口区间位于第3号区间，工作类型为主动可协商型。
流水线配置脚本
流水线配置采用XML作为描述语言，其中根目录为<plan>，其中包含<parts>、<steps>、<exprs>和<nodes>四部分内容。
<parts>为<type>的说明及<part>的集合。<type>用于定义物料的类别的标识和名称，<part>用于描述参与流水线运行的物料标识、类别、名称以及其所属的属性，其中属性包括标识，名称和物理或信息属性类型，<parts>标签下的所有元素及属性如图7所示。<steps>为<step>的集合，每一个<step>即步骤的规范，定义其标识、名称、物理或信息处理类型、若干需要写入的属性要求、若干需要读出的属性要求、若干输入的物料标识、若干输出的物料标识，<steps>标签下的所有元素及属性如图8所示。<exprs>为<expr>的集合，用于描述实现选择分支节点的表达式求值描述，<exprs>标签下的所有元素及属性如图9所示。
<nodes>标签用于描述全部流水线流程信息，其中包括<start>、<end>、<manufact>、<switch>和<parallel>标签，这些都是节点描述，具有节点标识和指向连接节点标识（终点除外）的描述。<start>标签用于描述起点信息，包括其物料标识，物料属性的初始化情况。<end>标签描述终点信息。<manufact>标签，即处理步骤节点，描述其所遵循的处理步骤规范。<switch>标签描述选择分支节点，下属的<case>标签表述不同的expr求值下的不同分支入口。<parallel>标签描述并行同步节点，下属的<task>标签表述了各个并行分支的流程情况。<nodes>标签下的所有元素及属性如图10所示。
图11是一个简单的流水线配置脚本的XML描述。该流水线配置脚本描述了关于物料IC_card的处理流程，其中，该物料的类别为card，包含一个物理属性ic_data，代表卡片IC内部数据，一个信息属性ic_script，代表IC编码执行脚本，工艺计划仅包含三个节点，即起点，ic_encode处理步骤模板实例节点以及终点，该处理步骤读取IC编码执行脚本，修改物料唯一的物理属性，即IC内部数据。
本发明具有如下优点：
项目研发的开发平台，是一种基于模型的组态体系。这种体系，一方面，总体结构为模型-组态模 型化，用模型表达组态，克服了传统组态软件的无模型的缺陷；另一方面，模型的固定成分也是可配置 的—模型组态化，支持结构柔性扩展，克服了一般的开发模型的扩展性不足的缺陷。
支持用户可视化地以向导和配置的方式生成控制系统，借助模型化组态的框架快速构造数控装备控制系统。
附图说明：
图1是组态化流水线体系结构示意图；
图2是可视化设计系统体系结构示意图；
图3 是<poses>标签下的所有元素及属性示意图；
图4 是<regions>标签下的所有元素及属性示意图；
图5 是<components>标签下的所有元素及属性示意图；
图6是 一个流水线描述脚本XML示例示意图；
图7是 <parts>标签下的所有元素及属性示意图；
图8 是<steps>标签下的所有元素及属性示意图；
图9 是<exprs>标签下的所有元素及属性示意图；
图10 是<nodes>标签下的所有元素及属性示意图；
图11 是一个流水线配置脚本的XML描述示意图；
图12 是一个多工位并行流水线系统模型示意图；
图13 是一个多工位串行流水线系统模型示意图；
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明内容及实施方法作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本实施方式的说明，由若干基本定义，方法步骤及两个关于该方法的支撑环境与工具的实现示例说明。
流水线系统的构造方法具体步骤如下：
（1）划分节点：按照拟构造系统的用户需求及权利要求3的定义，将系统看作是由一个个节点并基于节点端口间物料和数据交互构成的，识别这些节点。
（2）确定节点组态模型：进一步按照构造的系统的用户需求，在节点划分基础上，分别为每个节点确定输入、输出以及控制规则，并建立组态 串并行规则。
（3）扩展节点的组态规则：用户依据节点的具体的业务逻辑，按照相应的规范扩展组态，实现个性化的逻辑实现。
（4）生成抽象流水线：在选定的开发环境和工具下，根据上述步骤（2,3），生成“流水线描述脚本”，并使用“流水线编译器”将“流水线描述脚本”生成“抽象流水线”
（5）初始化流水线：流水线引擎通过不断地从抽象流水线的“传感端口”读入流水线状态信息，按照既定 的引擎逻辑及“流水线配置脚本”生成控制指令，通过流水线的“控制端口”写入流水线。
一个根据本发明开发的多工位流水线系统（参看图12，13），描述了IC卡的制卡过程，实现IC卡的发空白卡、铣槽、封装、平印、写芯、收成品卡和剔废卡的全过程。
该流水线系统上的加工工位和其他构件对应前面所述的五种基本组态，并在这些基本组态上进行相应扩展：
“传输器”组态对应流水线系统中的“传输”节点，具体表示为加工工位之间的卡片传送带，以及物料库到加工工位间的物料传输
“处理器”组态对应流水线系统中的各个加工工位，包括发卡器、铣槽机、封装机、平印机、写芯机、收卡器和剔卡器等。
“缓冲器”组态对应流水线系统中的各个数据缓冲器。具体表示为以下几种形态：
l 多个封装工位到平印工位的数据缓冲区。
l 平印工位到写芯工位的数据缓冲区。
“阀门”组态对应流水线中“开关”节点，用于进行流程选择。具体表示为以下几种情形
l 在铣槽和封装的多工位并行处理中，为某个铣槽工位中的卡片选择适当的封装工位中进行下一步处理。需要进行封装工位的状态判断。
l 卡片写芯结束后，判断是否是指定次数内的写芯失败，如果成立则返回重新写芯，否则将卡片状态设置为失败。
l 卡片在收卡前是否需要作为废卡被剔除，还是作为成品卡进行收卡。这需要对卡片当前状态进行判断，失败即为废卡，成功为成品卡。
“传感器”组态对应流水线系统中的各处理工位、传送带等节点上的传感器装置。以下通过举例说明传感器的部分使用场合：
l 与发卡器相连的传输1（传送带）末端应有一个传感器，用于检测是否发卡成功，如果没有检测到卡片，则通知系统应做相关处理。
l 平印机入口和出口处各应有一个传感器，入口处传感器用于检测是否有卡片进入，出口处传感器用于检测出口处是否还有卡片停留，以防堵塞。
示例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于流水线体系的制造装备系统的软硬件一体化建模方法及其支撑环境，其特征在于，将制造装备看作是由流水线构成，即基于流水线体系，自顶向下定义与实现该流水线，最后生成所设计的制造装备的基于流水线的逻辑结构图和控制系统的软件。
2.权利要求1所述的流水线体系，是一种组态化的流水线模型；流水线的组成成分是节点；节点是软件定义的硬件系统，即SDH（Software Defined Hardware），其中的软件成分称为组态；硬件完成实际的物料加工与处理，组态是服务化的硬件控制体，以服务的模式工作，接受其他组态的服务指令，分析后调用组态的控制模块实现对硬件的控制；组态是用户可配置与可扩展的软件组件，用户在元组态的基础上通过配置和扩展使元组态具体化，满足节点的设计要求；配置是参数配置与开关配置，扩展是软件的面向对象模式的扩展。
3.权利要求2所述的节点，是具有输入端口、输出端口与控制端口的处理与加工装置；输入端口与输出端口是物理端口，其中输入端口用于接收节点待加工处理的物料，输出端口用于将加工处理完毕的物料输出，控制端口是节点的组态的服务接口，是服务化的软件，用于输入数字化的控制命令、输出数字化的服务结果；这里，物料是指节点的加工处理的物理对象，属于产品的中间形态。
4.权利要求2所述的流水线节点，包括加工器、传输器、传感器、缓存器、阀门五种，他们对应的组态也分别称为加工器组态、传输器组态、传感器组态、缓存器组态和阀门组态；其中，“加工器”用于对产品的中间形态（下称“物体”）执行某种由用户软件定义的具体操作；“传输器”用于物理地将物体从一个处理器传输到另一个；“传感器”用于自动感应某种事件，并且发出感应信号；“缓存器”用于暂存待送到下一个部件的物体；阀门组态用于选路，决定物体待送到的下一个部件。
5.权利要求4所述的流水线节点，基本动作包括输入、加工与输出；输入是将到达物理端口的物料输入到内部，使其成为可加工状态；加工是将输入的物料按照既定的加工处理逻辑进行加工处理；输出是将已经完成加工处理的物料从输出端口输出，成为下一个节点可用的物料。
6.权利要求1所述的支撑环境，定义了本发明给出的方法的实现所需的基本方法，主要包括流水线执行引擎、系统自定义基本组态和流水线可视化设计器三部分；基本组态是API形式的软件模块，是所设计的装备的组件模型，可由用户根据设计需求进行配置与扩展，然后嵌入到相应的流水线部件硬件系统中，实现对流水线部件硬件的控制；流水线可视化设计器支持用户以可视化的方式基于组态定义与设计流水线，并生成装备的控制脚本；该过程主要包括组态模块的加载与配置，流水线结构设计；流水线执行引擎属于运行时，负责执行控制脚本，以控制相应的装备。
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2016
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