CN110989499A - 基于高速无线通信的混合架构控制系统 - Google Patents

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运侠伦
李晓
梅雪松
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Abstract

本发明涉及一种基于高速无线通信的混合架构控制系统，包括实时数据服务器、边缘计算器、云端计算服务器、HMI终端设备和NCK‑RTC。本发明将控制系统资源分布在云端，成为共享服务，有利于用户根据自身特点进行定制。同时，本发明所提出的混合架构，降低了用户对云端资源的依赖，使用户可通过租赁等方式获取更优化的资源，有利于自身性能的提升。

Description

基于高速无线通信的混合架构控制系统
技术领域
本发明属于控制系统技术领域，具体设计一种基于高速无线通信的混合架构控制系统。
背景技术
机床是制造业的工作母机，对制造业的发展具有决定性作用。控制系统是机床实现自动化高速高精度加工的关键基础部件。一般数控系统由输入输出端口、可编程控制器(PLC)、计算机控制系统(CNC)等组成。其中，CNC根据其任务功能可分解为，人机交互系统(HMI)、数控核(NCK)和运动控制器(MC)。HMI是人机交互操作的入口，可以对加工程序，参数等变量进行设置，对机床运行状态进行监测反馈。NCK一般由译码器、运动规划器等组成，NCK的功能可以分为实时任务和非实时任务两部分。非实时任务主要完成代码下载、前处理、译码等功能，实时任务主要完成粗插补，精插补任务，生成轴控位置指令。MC主要完成运动控制功能，MC一般由位置控制环路、速度控制环路和电流控制环路组成。在数控系统的MC中，一般仅含位置环。部分数控系统无运动控制功能。
目前数控系统多分为上下位机结构，上位机主要负责非实时任务，下位机负责实时任务，当前数控系统架构如图1所示。上下位机具有严格的对应关系。而在实际使用中，如汽车、3C等行业，大量相同的数控机床在同一车间做同一任务。而这相当数量的数控机床均装有完整的数控系统。数控系统的资源并未得到充分的利用，造成了资源的浪费。另一方面，现场技工多只能进行简单的操作，复杂编程等工作并非在数控系统中进行实施。
专利201410505694.4提出一种基于虚拟化技术的数控系统及方法，将数控系统拆分为非实时任务的服务器和本地数控装置，对提高系统兼容性具有一定的作用。专利201510111457.4提出一种基于虚拟上位机的数控系统，进一步将数控系统虚拟机的操作界面进行虚拟化，实质与专利201410505694.4近似。专利201210539307.X提出一种面向生产线的开放式数控系统，将CAM\CAPP等功能通过网络与数控系统共享。专利201010180487.8提出一种基于网络架构的在线监测数控系统，将数控系统状态监测功能进行网络化。通过当前专利技术分析可知，网络化是数控系统发展的趋势，然而，如何实现网络化，提高数控系统的效率和性能，是目前大家在努力的方向。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种提高数控系统的资源利用率和智能化水平的基于高速无线通信的混合架构控制系统。
实现本发明目的的技术方案是：一种基于高速无线通信的混合架构控制系统，包括实时数据服务器、边缘计算器、云端计算服务器、HMI终端设备和NCK-RTC；
所述实时数据服务器是数据的存储与映射模块，实时数据服务器接收NCK-RTC获取的数控机床的信息，并通过发送至边缘计算器和云端计算服务器存储；实时数据服务器是主要包含现有数控系统的实时任务如插补、位置控制、IO端口等。且实时数据服务器具有一个数据交换服务(如OPC UA SERVE)。
所述HMI终端设备通过数据交换服务代理访问边缘计算器，获取当前数控系统状态，更新HMI信息，并通过数据交换服务代理与云端计算服务器进行交互，并将结果转发给实时数据服务器；HMI终端设备是人的操作设备，用于干预数控系统的运行，对数控系统状态进行决策。
所述边缘计算器用于实现机床运动监测、预警、刀具碰撞检测的功能，提供当前网络内的数控机床实时状态数据，边缘计算器和HMI终端设备的显示器服务器同时根据当前数据进行计算分析，提供实时性比实时数据服务器高、比云端计算服务器低的监测功能，计算结果通过数据交换服务与实时数据服务器进行状态交换；且实时数据服务器具有一个数据交换服务和服务代理(如OPC UA SERVE和OPC UA Clinet)。
所述云端计算服务器具有文件与数据存储功能，用于将所有机床的数据与文件通过信息模型，唯一地存在于云端计算服务器中，信息模型通过ID进行检索访问，云计算的结果，将通过ID直接与发出请求的机床上所安装的对应的NCK-RTC进行通信，交换数据；云端计算服务器根据HMI终端设备的操作请求，通过数据交换服务代理访问边缘状态服务器，获取当前数控系统状态，并根据当前状态进行计算，计算结果通过数据交换服务代理返回HMI终端设备；
云端计算服务器主要功能是，提供数控系统所需的CAD/CAM，故障诊断、性能分析计算等非实时计算任务。特别地，本地控制器具有一个数据交换服务和服务代理(如OPC UASERVE和OPC UA Clinet)。
所述NCK-RTC是数控系统的实时功能模块，每一台数控机床均对应安装一个NCK-RTC，NCK-RTC内嵌信息模型服务，向系统中的相关单元广播数据；所有接入系统的机床的NCK-RTC状态与反馈数据将基于OPC UA等协议传输至实时数据服务器，并唯一地存储在固定地址。
上述技术方案所述实时数据服务器包含一个数据交换服务和一个服务代理。
上述技术方案所述边缘计算器通过高速网络与实时数据服务器连接。实时数据服务器的运动控制状态数据如位置、速度、电流、G指令执行状态、倍率等均存储在边缘计算器中，边缘计算器中含控制器及机床信息模型。所接入的每一台机床的信息均单独地存储在边缘计算器中，并通过网络实时更新。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：本发明将控制系统资源分布在云端，成为共享服务，有利于用户根据自身特点进行定制。同时，本发明所提出的混合架构，降低了用户对云端资源的依赖，使用户可通过租赁等方式获取更优化的资源，有利于自身性能的提升。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为现有数控系统架构图；
图2为本发明的架构框图；
图3为本发明的数据请求流程图。
具体实施方式
(实施例1)
本发明提供一种混合架构控制系统，该系统架构由云端计算服务器1、HMI终端设备2、边缘计算器3、实时数据服务器4，NCK-RTC5构成。
云端计算服务器1，基于云服务架构设计，面向所有用户提供云计算服务。云计算由于实时性差，因此，只有非实时任务可以放在云端进行，如CAD/CAM,代码编译(IPR)等。云端服务器中具有文件与数据存储功能，所有机床的数据与文件通过信息模型，唯一地存在于云端服务器中。信息模型通过ID进行检索访问。云计算的结果，将通过ID直接与发出请求的机床所安装的NCK-RTC5进行通信，交换数据。云端计算服务器1主要功能是，提供数控系统所需的CAD/CAM，故障诊断、性能分析计算等非实时计算任务。
HMI终端设备2，是数控系统的人机交互接口，用于干预数控系统的运行，对数控系统状态进行决策。该设备的服务器在云端计算服务器1中。该终端设备可由用户任意指定。该设备访问云端计算服务器1的HMI服务，HMI显示在用户指定的设备。用户获取机床ID(扫描、拍照、扫码、输入，定位)后，HMI数据与当前ID数据进行映射绑定。HMI显示当前连接入设备。
边缘计算器3是数控系统实时监测功能的计算服务器，机床运动监测、预警、刀具碰撞检测等功能在边缘计算器3中实现。HMI终端设备2的设备状态数据通过边缘计算器3获得。边缘计算器3通过高速网络与实时数据服务器4连接，实时数据服务器4的运动控制状态数据如位置、速度、电流、G指令执行状态、倍率等均存储在边缘计算器3中，边缘计算器3中含控制器及机床信息模型。所接入的每一台机床的信息均单独地存储在边缘计算器3中，并通过网络实时更新。边缘计算器3中的运动监测功能对实时数据进行计算，计算结果通过数据交换服务与实时数据服务器4进行状态交换。
实时数据服务器4是数据的存储与映射模块。所有接入系统的机床的NCK-RTC5状态与反馈数据将基于OPC UA等协议传输至实时数据服务器，并唯一地存储在固定地址。当发生数据访问时，申请方通过ID访问实时数据服务器中的信息模型，从而获取当前ID所映射机床的所有数据。实时数据服务器内嵌信息模型服务与代理，代理获取物理设备的广播数据，并通过服务向系统中的相关单元广播数据。
NCK-RTC5是数控系统的实时功能模块，每一台数控机床均唯一地安装一个NCK-RTC5。NCK-RTC5内嵌信息模型服务，向系统中的相关单元广播数据。
在操作时，如图3所示，用户首先在终端中，访问HMI云端服务。继而将获取的设备ID输入HMI，系统根据设备当前状态进行判断。当设备存在多个HMI终端访问时，后接入的HMI终端仅能更新设备状态，不能操作设备。当前HMI终端为唯一设备时，HMI终端获得控制权限，云服务器应用获得HMI所发起请求后，根据请求所操作机床设备ID号和操作内容对机床进行代码下载、编译、启动、停止等云服务操作，控制机床运行。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于高速无线通信的混合架构控制系统，其特征在于：包括实时数据服务器(4)、边缘计算器(3)、云端计算服务器(1)、HMI终端设备(2)和NCK-RTC(5)；
所述实时数据服务器(4)是数据的存储与映射模块，实时数据服务器(4)接收NCK-RTC(5)获取的数控机床的信息，并通过发送至边缘计算器(3)和云端计算服务器(1)存储；
所述HMI终端设备(2)，通过数据交换服务代理访问边缘计算器(3)，获取当前数控系统状态，更新HMI信息，并通过数据交换服务代理与云端计算服务器(1)进行交互，并将结果转发给实时数据服务器(4)；
所述边缘计算器(3)用于实现机床运动监测、预警、刀具碰撞检测的功能，提供当前网络内的数控机床实时状态数据，边缘计算器(3)和HMI终端设备(2)的显示器服务器同时根据当前数据进行计算分析，提供实时性比实时数据服务器(4)高、比云端计算服务器(1)低的监测功能，计算结果通过数据交换服务与实时数据服务器(4)进行状态交换；
所述云端计算服务器(1)具有文件与数据存储功能，用于将所有机床的数据与文件通过信息模型，唯一地存在于云端计算服务器(1)中，信息模型通过ID进行检索访问，云计算的结果，将通过ID直接与发出请求的机床上所安装的对应的NCK-RTC(5)进行通信，交换数据；云端计算服务器(1)根据HMI终端设备(2)的操作请求，通过数据交换服务代理访问边缘状态服务器(3)，获取当前数控系统状态，并根据当前状态进行计算，计算结果通过数据交换服务代理返回HMI终端设备(2)；
所述NCK-RTC(5)是数控系统的实时功能模块，每一台数控机床均对应安装一个NCK-RTC(5)，NCK-RTC(5)内嵌信息模型服务，向系统中的相关单元广播数据；所有接入系统的机床的NCK-RTC(5)状态与反馈数据将基于OPC UA等协议传输至实时数据服务器(4)，并唯一地存储在固定地址。
2.根据权利要求1所述的基于高速无线通信的混合架构控制系统，其特征在于：所述实时数据服务器(4)包含一个数据交换服务和一个服务代理。
3.根据权利要求1所述的基于高速无线通信的混合架构控制系统，其特征在于：所述边缘计算器(3)通过高速网络与实时数据服务器(4)连接。
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