CN115499273A - 一种用于数控设备的边缘计算软网关及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于数控设备的边缘计算软网关及其实现方法，边缘计算软网关由数据传输模块、数据存储模块和数据应用模块组成，其中数据应用模块包括数据可视化组件、故障报警组件、刀具寿命预测组件、自适应控制组件、云边协同组件。数据传输模块基于协议解析与数控设备建立双向通信，获取设备运行实时数据并下发控制指令；数据存储模块负责存储实时数据、历史数据和边缘计算的结果数据；数据应用模块负责数据可视化、故障报警、刀具寿命预测、自适应控制和云边协同的数据应用。本发明解决了数控设备采集协议多难以集成、边缘计算和储存能力弱、云计算响应不及时等问题。
Description
技术领域
本发明涉及工业物联网技术领域，具体地，涉及一种用于数控设备的边缘计算软网关及其实现方法。
背景技术
在现代工业中，以机床为代表的数控设备集机、电、液于一身，是生产制造中的关键技术设备，其技术发展水平是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。在数控设备的使用过程中会时刻产生大量制造数据，这些数据蕴含了设备加工过程的诸多信息，可有效地反映设备运行状态和产品加工质量。目前，机床厂商基于各自特定的通信协议，实现了各自数控系统型号的设备与云端之间的数据交互。但是，实际制产线和工业物联网的建设过程中，数控设备类型众多、通信协议多样，数控设备数据都被孤立的封闭在各自系统里，造成数控设备数据的信息孤岛，无法通过专业分析创造价值。因此，实现数控设备的数据采集和应用具有重要的现实意义。从国内外研究现状来看，针对数控设备数据采集技术，目前多采用“配置通用网关采集”和“云端数据分析”的模式，主要的局限性表现如下：
市场现有网关装置多为工业通用网关，用于连接数控设备需要进行针对性的复杂配置，操作复杂，联网效率低；对开发和维护人员的专业要求较高，需要了解并熟练应用各种通信协议，开发和维护难度大；大多数工业网关只具备数据采集功能，边缘计算和储存能力弱，且云计算响应不够及时。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于数控设备的边缘计算软网关及其实现方法，达到统一数控设备数据接口协议，降低系统使用配置和维护难度，并支持开展边缘侧数据分析和应用的目的。
本发明的技术解决方案是：一种用于数控设备的边缘计算软网关，包括数据传输模块、数据存储模块和数据应用模块。
所述数据传输模块接收数控设备上传的运行数据信息，进行通讯协议解析处理，生成点位数据，并以统一的协议发送至数据存储模块；所述运行数据信息包括主轴转速、功率负载；
所述数据存储模块接收数据传输模块上传的点位数据，按历史数据和实时数据分别存入到数据库中，并提供数据库查询接口给数据应用模块；
所述数据应用模块通过数据存储模块中的接口查询数据库数据，进行数据可视化、故障报警、刀具寿命预测数据应用。
进一步地，所述数据传输模块包括通讯接口组件和协议解析组件；
所述通讯接口组件通过配置选择数控系统型号建立与数控设备的双向通讯；并进一步通过通信接口和协议获取设备数据；
所述协议解析组件将不同的通讯协议统一解析为MQTT或OPC UA协议，向下对数控设备发送控制指令，向上以JOSN键值对的格式实时发送设备运行数据。
进一步地，所述数据存储模块包括历史数据存储组件、实时数据存储组件、边缘计算存储组件；
所述历史数据存储组件、实时数据存储组件接收所述协议解析组件转发的数据并分别存储设备原始历史数据、各个数据点位最新记录数据；
所述边缘计算存储组件用于存储故障报警、刀具寿命预测、自适应控制的边缘计算结果数据。
进一步地，所述数据应用模块包括数据可视化组件、故障报警组件、刀具寿命预测组件、自适应控制组件和云边协同组件；
所述数据可视化组件采用B/S架构，将数据存储模块的数据以数值、表格、图形、Unity3D动画形式进行展示，并可以通过浏览器进行查看；
所述故障报警组件能够读取数控设备的故障信息，并通过声音和弹窗进行报警，并将故障代号及内容通过邮件推送至指定邮箱；
所述刀具寿命预测组件按照预设模型预测刀具剩余寿命，并将相关计算结果存入所述边缘计算存储组件；
所述自适应控制组件能够按照预设算法模型，基于功率负载数据或其他传感器的反馈数据，对主轴转速、进给速度工艺参数进行自适应调整；
所述云边协同组件与云端服务器或远程数据中心进行数据交互。
根据所述的一种用于数控设备的边缘计算软网关的实现方法，包括：
步骤S1：通讯接口组件与数控设备通讯并获取设备数据；
步骤S2：协议解析组件对获取设备数据并进行协议解析；
步骤S3：数控设备数据分别存入历史数据库和实时数据库；
步骤S4：对获取数据进行边缘计算；
步骤S5：边缘计算结果存入数据计算结果数据库；
步骤S6：开展数据可视化、故障报警、刀具寿命预测、自适应控制和云边交互的数据应用。
进一步地，所述步骤S1通过配置通讯接口组件的数控系统型号，建立与数控设备的双向通讯，并获取数控设备数据。
进一步地，所述步骤S2解析组件将不同的通讯协议统一解析为MQTT或OPC UA协议，向下对数控设备发送控制指令，向上以JOSN键值对的格式实时发送设备运行数据。
进一步地，所述步骤S3是指历史数据存储组件和实时数据存储组件分别存储设备历史数据和各数据点位最新记录数据；
所述步骤S4基于获取的数控设备数据开展开展关于故障报警、刀具寿命预测、自适应控制的边缘计算分析；
所述步骤S5边缘计算存储组件存储边缘计算结果；
所述步骤S6基于实时数据存储组件数据进行数据可视化；基于边缘计算存储组件数据进行故障报警、刀具寿命预测和设备自适应控制；基于历史数据存储组件和边缘计算存储组件的数据与云端服务器或远程数据中心进行数据交互。
一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种用于数控设备的边缘计算方法的步骤。
一种用于数控设备的边缘计算设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述一种用于数控设备的边缘计算方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明所实现的核心内容是一种用于数控设备的边缘计算软网关及其实现方法。该软网关为用于数控设备的专用网关，只需选择对应的数控系统类型便可与数控设备建立通讯，无需进行复杂配置，联网效率高；开发和维护人员无需学习和掌握机床本身的复杂通信协议原理和方法，降低了开发和维护使用门槛，便于系统的开发和维护；通过历史数据本地存储和数据处理后转发，降低了云端或数据中心存储和计算压力，同时也减轻了数据传输压力；借助边缘计算低延时优势，在数控设备边缘侧进行数据可视化、故障报警、刀具寿命预测、自适应控制等数据应用，使得数控设备数据的价值得以充分发挥。
附图说明
图1为本发明一种用于数控设备的边缘计算软网关组成示意图；
图2为一种用于数控设备的边缘计算软网关实现方法流程图；
图3为本发明实施例中一种刀具使用寿命计算的流程。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种用于数控设备的边缘计算软网关及其实现方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～3所示)：数据传输模块，数据存储模块，数据应用模块，其中数据传输模块，包括通讯接口组件、协议解析组件；数据存储模块包括历史数据存储组件、实时数据存储组件、边缘计算存储组件；数据应用模块包括数据可视化组件、故障报警组件、刀具寿命预测组件、自适应控制组件、云边协同组件。
进一步，所述数据传输模块接收数控设备上传的运行数据信息，进行通讯协议解析处理，生成点位数据，并以统一的协议发送至数据存储模块；所述运行数据信息包括主轴转速、功率负载；所述数据存储模块接收数据传输模块上传的点位数据，按历史数据和实时数据分别存入到数据库中，并提供数据库查询接口给数据应用模块；所述数据应用模块通过数据存储模块中的接口查询数据库数据，进行数据可视化、故障报警、刀具寿命预测等数据应用。
在一种可能实现的方式中，通讯接口组件通过配置选择数控系统型号建立与数控设备的双向通讯，支持的数控系统类型包括SINUMERIK、FANUC、HeidenhainTNC、华中数控、广州数控、科德数控系统；并进一步通过通信接口和协议获取设备数据，支持的通讯接口或协议包括RS232、RS485、Profibus、Modbus、TCP/IP、Socket。
进一步，在一种可能实现的方式中，协议解析组件将所述通讯接口组件用于将不同的通讯协议统一解析为MQTT或OPC UA协议，向下对数控设备发送控制指令，向上以JOSN键值对的格式实时发送设备运行数据。
在一种可能实现的方式中，历史数据存储组件、实时数据存储组件接收所述协议解析组件转发的数据并分别存储设备原始历史数据、各个数据点位最新记录数据；边缘计算存储组件存储边缘计算的结果数据。
可选的，在一种可能实现的方式中，数据可视化组件采用B/S架构，将数据存储模块的数据以数值、表格、图形、Unity3D动画形式进行展示，并可以通过浏览器进行查看。
在一种可能实现的方式中，故障报警组件能够读取数控设备的故障信息，并通过声音和弹窗进行报警，并将故障代号及内容通过邮件推送至指定邮箱，并将相关数据存入边缘计算存储组件。
进一步，刀具寿命预测组件按照预设模型预测刀具剩余寿命，并将相关计算结果进行展示，并将相关数据存入边缘计算存储组件。
可选的，自适应控制组件能够按照预设算法模型，基于功率负载数据或其他传感器的反馈数据，对主轴转速、进给速度等工艺参数进行自适应调整，并将相关数据存入边缘计算存储组件。
在一种可能实现的方式中，云边协同组件与云端服务器或远程数据中心进行数据交互，包括向云端服务器或远程数据中心发送数据和接收云端服务器或远程数据中心的指令数据。
基于与图1相同的发明构思，本发明还提供了一种用于数控设备的边缘计算实现方法，包括如下步骤：
步骤S1：通讯接口组件与数控设备通讯并获取设备数据；
步骤S2：协议解析组件对获取设备数据并进行协议解析；
步骤S3：数控设备数据分别存入历史数据库和实时数据库；
步骤S4：对获取数据进行边缘计算；
步骤S5：边缘计算结果存入数据计算结果数据库；
步骤S6：开展数据可视化、故障报警、刀具寿命预测、自适应控制和云边交互的数据应用。
进一步地，所述步骤S1通过配置通讯接口组件的数控系统型号，建立与数控设备的双向通讯，并获取数控设备数据。
进一步地，所述步骤S2解析组件将所述通讯接口组件将不同的通讯协议统一解析为MQTT或OPC UA协议，向下对数控设备发送控制指令，向上以JOSN键值对的格式实时发送设备运行数据。
进一步地，所述步骤S3是指历史数据存储组件和实时数据存储组件分别存储设备历史数据和各数据点位最新记录数据。
进一步地，所述步骤S4基于获取的数控设备数据开展开展关于故障报警、刀具寿命预测、自适应控制的边缘计算分析。
进一步地，所述步骤S5边缘计算存储组件存储故障报警、刀具寿命预测、自适应控制边缘计算结果。
进一步地，所述步骤S6基于实时数据存储组件数据进行数据可视化；基于边缘计算存储组件数据进行故障报警、刀具寿命预测和自适应控制；基于历史数据存储组件和边缘计算存储组件的数据与云端服务器或远程数据中心进行数据交互应用。
在本申请实施例提供的技术方案中，首先，通讯接口组件通过配置选择数控系统型号建立与数控设备的双向通讯，连接的数控设备的数控系统类型为SINUMERIK、FANUC、HeidenhainTNC、华中数控、广州数控、科德数控；通过RS232、RS485、Profibus、Modbus、TCP/IP、Socket等通信接口和协议获取设备数据。
获取数控设备运行数据，包括采集时间、机床模式、程序状态、报警号、主轴转速、主轴倍率、主轴负载、进给速度、进给倍率、主程序号、当前运行行号、当前刀具号、当前坐标以及M30计数，通过协议解析组件统一解析成JOSN格式，比如：
{"t":"2021-10-11T13:56:45.6162377+08:00","opm":0,"pst":0,"al":1003,"ss1":0,"sro":100,"sl1":0,"fre":0,"fro":30,"pn":0,"spn":0,"tn1":0,"mpos":"276.577,-34.766,-111.450","cc":334}，
并以OPCUA协议进行数据转发。
将设备原始数据按时间顺序依次存入存入历史数据存储组件，以供数据统计分析；实时数据存储组件存储每个数据点位的最后一条记录值，以满足数据可视化快速高效的实时查询需求。
基于获取的数控设备数据开展开展关于故障报警、刀具寿命预测边缘计算。其中，故障报警组件在接收到设备故障信息后，查询故障报警号与故障内容对应的数据表，找出对应的实际报警内容，故障报警组件对数控设备故障进行声音提醒和网页弹窗提醒，并将数控设备故障代号及内容通过邮件推送给指定邮箱地址；刀具寿命预测通过持续统计刀具使用寿命，进行剩余寿命的预测评估，一种刀具使用寿命计算的流程如附图3所示：持续监测主轴转速和刀具数据，当主轴转动时，判断是否换刀，若换刀则把上一把到的使用时间更新到数据库中，若未换刀，则不更新数据；当主轴转速停止时，判断是否刚刚加工结束，若是则把最后一把刀的使用时间更新到数据库；若主轴一直停止，则刀具未使用，不用更新数据。
将边缘计算结果存入边缘计算存储组件。将故障报警的报警号信息，对应报警内容信息，报警时间信息以及刀具使用寿命统计，刀具剩余寿命预测信息等结果分别存入相应的数据库表。
最后，开展数据应用。基于实时数据存储组件的数据进行数据可视化，将数据存储模块的数据以数值、表格、图形、Unity3D动画形式进行展示，并可以通过浏览器进行查看。故障报警组件能够读取数控设备的故障信息，并通过声音和弹窗进行报警，并将故障代号及内容通过邮件推送至指定邮箱；刀具寿命预测组件按照预设模型预测刀具剩余寿命，并将相关计算结果进行展示；自适应控制组件按照预设算法模型，基于功率负载数据或其他传感器的反馈数据，对主轴转速、进给速度等工艺参数进行自适应调整；云边协同组件与云端服务器或远程数据中心进行数据交互，向云端服务器或远程数据中心发送数据并接收云端服务器的指令数据。
综上所示，目前市场上现有网关装置存在连接数控设备时配置过程复杂，对开发维护人员的要求较高，缺乏边缘侧数据分析和应用等局限性，为此，提出一种用于数控设备的边缘计算软网关及其实现方法。该软网关为数控设备的专用网关，无需进行复杂配置便可连接数控设备，提高联网效率，降低了对开发人员和维护人员的要求；同时充分发挥边缘计算低延时优势，在边缘侧进行数据可视化、故障报警、刀具寿命预测、自适应控制等应用。本发明对于提高数控设备联网水平，利用发挥制造数据价值，提高数控设备智造水平具有重要的意义。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种用于数控设备的边缘计算软网关，其特征在于：包括数据传输模块、数据存储模块和数据应用模块；
所述数据传输模块接收数控设备上传的运行数据信息，进行通讯协议解析处理，生成点位数据，并以统一的协议发送至数据存储模块；所述运行数据信息包括主轴转速、功率负载；
所述数据存储模块接收数据传输模块上传的点位数据，按历史数据和实时数据分别存入到数据库中，并提供数据库查询接口给数据应用模块；
所述数据应用模块通过数据存储模块中的接口查询数据库数据，进行数据可视化、故障报警、刀具寿命预测的数据应用。
2.根据权利要求1所述的一种用于数控设备的边缘计算软网关，其特征在于：所述数据传输模块包括通讯接口组件和协议解析组件；
所述通讯接口组件通过配置选择数控系统型号建立与数控设备的双向通讯；并进一步通过通信接口和协议获取设备数据；
所述协议解析组件将不同的通讯协议统一解析为MQTT或OPC UA协议，向下对数控设备发送控制指令，向上以JOSN键值对的格式实时发送设备运行数据。
3.根据权利要求1所述的一种用于数控设备的边缘计算软网关，其特征在于：所述数据存储模块包括历史数据存储组件、实时数据存储组件、边缘计算存储组件；
所述历史数据存储组件、实时数据存储组件接收所述协议解析组件转发的数据并分别存储设备原始历史数据、各个数据点位最新记录数据；
所述边缘计算存储组件用于存储故障报警、刀具寿命预测、自适应控制的边缘计算结果数据。
4.根据权利要求1所述的一种用于数控设备的边缘计算软网关，其特征在于：所述数据应用模块包括数据可视化组件、故障报警组件、刀具寿命预测组件、自适应控制组件和云边协同组件；
所述数据可视化组件采用B/S架构，将数据存储模块的数据以数值、表格、图形、Unity3D动画形式进行展示，并可以通过浏览器进行查看；
所述故障报警组件能够读取数控设备的故障信息，并通过声音和弹窗进行报警，并将故障代号及内容通过邮件推送至指定邮箱；
所述刀具寿命预测组件按照预设模型预测刀具剩余寿命，并将相关计算结果存入所述边缘计算存储组件；
所述自适应控制组件能够按照预设算法模型，基于功率负载数据或其他传感器的反馈数据，对主轴转速、进给速度工艺参数进行自适应调整；
所述云边协同组件与云端服务器或远程数据中心进行数据交互。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种用于数控设备的边缘计算软网关的实现方法，其特征在于，包括：
步骤S1：通讯接口组件与数控设备通讯并获取设备数据；
步骤S2：协议解析组件对获取设备数据并进行协议解析；
步骤S3：数控设备数据分别存入历史数据库和实时数据库；
步骤S4：对获取数据进行边缘计算；
步骤S5：边缘计算结果存入数据计算结果数据库；
步骤S6：开展数据可视化、故障报警、刀具寿命预测、自适应控制和云边交互的数据应用。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤S1通过配置通讯接口组件的数控系统型号，建立与数控设备的双向通讯，并获取数控设备数据。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤S2解析组件将不同的通讯协议统一解析为MQTT或OPC UA协议，向下对数控设备发送控制指令，向上以JOSN键值对的格式实时发送设备运行数据。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤S3是指历史数据存储组件和实时数据存储组件分别存储设备历史数据和各数据点位最新记录数据；
所述步骤S4基于获取的数控设备数据开展开展关于故障报警、刀具寿命预测、自适应控制的边缘计算分析；
所述步骤S5边缘计算存储组件存储边缘计算结果；
所述步骤S6基于实时数据存储组件数据进行数据可视化；基于边缘计算存储组件数据进行故障报警、刀具寿命预测和设备自适应控制；基于历史数据存储组件和边缘计算存储组件的数据与云端服务器或远程数据中心进行数据交互。
9.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5～权利要求8任一所述方法的步骤。
10.一种用于数控设备的边缘计算设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求5～权利要求8任一所述方法的步骤。
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