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为注塑机开发应用编程接口原型
Olga Ogorodnyk a , lowast;, Mats Larsen b, Kristian Martinsen a, Ole Vidar Lyngstad b
a Department of Manufacturing and Civil Engineering, Norwegian University of Science and Technology, Teknologivegen 22, 2015 Gjoslash;vik, Norway b SINTEF Manufacturing AS, P.O. Box 163, 2831 Raufoss, Norway
概要
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关键字： 注塑 应用程序编程界面 网络物理系统 工业 4.0 |
本文描述了用于注塑机 （IMM） 开放式应用程序编程界面 （API） 原型的架构和开发，可用于传感器和机器/过程数据记录，并设置必要的过程参数值。该API 基于 PCMEF（演示、控制、域名和基础）建筑框架和 OSI 7 层通信模型。该接口能检索97 台机器的工艺参数值。它包括一个能从安装在模具中的压力和温度等附加传感器获取数据的模块。 工业RaspberryPI(RevPI)用于执行模数信号转换，传感器数据可通过API访问，同步记录机器和传感器的不同参数，必要时可调整采样频率。根据所选频率，系统可以提供实时或软实时通信。接口允许构建一个分布式计算机系统，这优于行业4.0标准下使用的PLC系统。 |
1. 介绍
当前，许多研究都强调了从制造工艺中收集和分析工艺数据的重要性。工业4.0、网络物理系统（CPS）、自我优化系统的概念，以及所谓的数据驱动方法，创建预测和分类模型的方法受到了更多关注也正强调了这一点。虽然CPS仍然是一个主要的概念而远非工业措施，但我们仍然看到机床供应商在提供更多的数据采集功能、仿真软件和传感器。在CPS概念中，重要是实时优化生产系统的行为。 为了实现这一目标，系统需要提供强大的同步数据采集、存储和处理、外部通信、智能过程控制的功能。数据驱动方法（如机器学习 ML） 创建的模型可以在不断变化的生产环境中提供必要的灵活性和强大的适应能力。
为了实现这些目标，我们需要在机床和外部系统之间开发扩展且常用的应用程序编程接口 （API）。此类 API 必须能够实现实时数据收集和处理。在注塑技术领域，API功能包括记录来自安装在注塑机(IMM)和模具中的传感器的数据。获得的数据可进一步用于优化过程参数、过程监控和控制。
1.1. 注塑对行业 4.0 的挑战
注塑件的质量取决于许多计量参数：产品设计、材料性能、模具质量、机床参数，如何保持压力、背压、冷却时间、喷射速度。因此，选择能够生产高质量零件的参数设置多年来一直是一个重要的研究领域。与其他工业机器类似，现代IMM可以配备制造执行系统（MES），包括数据记录功能，提供机器状态的监控，远程访问机器设置，机器和过程参数的数据记录，并以可行的方式显示数据。例如 ARBURG 的'主机 com 推杆系统 （ALS）和梅斯·海德拉。 这绝对是向工业 4.0 迈出的一步，但也仍存在一些挑战，例如实时数据收集，因为许多 MES 日志参数数据每个生产周期只有一次，而且不可能同步采集机器内置数据和安装在模具中的附加传感器。其中一个主要原因是，可用的系统具有封闭的架构和预先定义的功能，无需打开 API。
此外，选择适当的通信协议来建立 IMM 与 PC 或其他数据存储和处理单元之间的通信非常重要。欧洲地图63亲托科尔是在2000年开发，并使用基于文件的数据传输。 EUROMAP77 于 2018 年发布，使用基于 OPC/UA的技术，但未直接连接到 IMM 的控制环，可能无法保证实时或软实时通信。此外，一些 IMM 供应商，如 ENGEL自己的数据交换接口 （ENGEL 机器接口 EMI）。如果 API 或 MES 要用于各种类型的 IMM，则需要考虑所有的这些协议。
同时，研究文献提供了注塑过程中数据采集的例子，如模具内力, 模具温度、螺钉脱位和速度数据。张，毛等研究员正在使用液压传感器来估计喷嘴压力值，并增加过程的控制性。在压力传感器中，安装热电偶、速度、位置和流量传感器以获取 IMM 数据。但是，在这些示例中，数据是从安装在 IMM 中的传感器获得的。具有讽刺意味的是，许多这些数据可以从制造商已经安装在机器中的传感器获得，但由于商业软件和硬件的限制，需要安装新的传感器以便于访问数据并对其进行分析。
另一方面，本文介绍了应用于 IMM 和模具内传感器的开放 API 原型的开发和应用。 此类 API 可用于工业和研究应用，以完成以下任务：
- 能够将 API 用于不同制造商和通信协议的不同类型的 IMM;
- 从内置传感器获取 IMM 机器和处理参数数据;
- 从其他传感器获取 IMM 机器和处理参数数据;
- 从内置传感器和其他传感器同步获取数据;
- 在不妨碍 IMM 操作安全的情况下在 IMM 上设置机器和工艺参数;
- 可以在最初可利用的功能之上添加自定义模块。此类模块可能包括实施各种算法进行数据分析、参数优化和智能过程控制。
2. 开发通用 API
应用程序编程界面是一种软件产品，包括许多明确定义的方法，用于不同组件之间的通信，在我们的例子中，在 IMM、PC 和连接到模具传感器的数据采集系统之间。作为对前一节中提出的任务的扩展，API 需要遵守以下要求：
- 能与个人计算机兼容。
- 开源且有可能在现有功能的基础上进行构建。
- 软实时记录采样速率快于 2 Hz。
图1. API模块
- 实时记录采样速度稍慢，等于 2 Hz。
- 记录多达 97 台机器并处理 IMM 参数。
- 从附加安装的传感器记录数据。
- 确保能从机器内置传感器和额外安装的传感器同步获取数据;
- 在允许的情况下设置机器和工艺参数值的选项，如果由于在使用中的 IMM 的安全操作过高或过低而不能接受的 en-tered 值，则不覆盖当前值。
选择 Python3 编程语言是为了创建拟议应用编程界面的蓝本。API 的架构基于 PCMEF分层建筑框架设计，提供与 IMM 的轻松交互。这种框架工作的好处是其稳定性和模块化，这种优点是具备可行性的，因为此架构只允许层之间的向下依赖。因此，较高层的变化不会在较低层创建一连串的修改。该框架由四个主要层组成:演示、控制、域名和词源。
拟议应用程序-显示界面的通信设计是按照OSI 7层模型创建的。它是开放系统互连模型，通常包括以下级别： 应用程序、演示文稿、会话、传输、网络、链接 和 物理应用。API 服务器端中使用的 ENGEL EMI 数据交换协议的一般通信设计也是在 OSI 7 层模型之后构建的。服务器端由 ENGEL 实现，包括模型的全部 7 层。本文专注于客户端实施，其中包括 OSI 模型的第 5 层、第 6 层和第 7 层。我们的 应用层是机器参数的'获取和设置方法'。我们的演示层包括 Python的 XML-字节流实现，用于从 IMM 进行数据解释，以构建 XML -字节流。 此层必须保证 IMM 上服务器的读取能力，这意味着服务器必须对定义在通过 XML 字节流的方法上做出响应。
会话层基于Python 插座库，具有多客户端，可通信，可复制性的特点。已开发的 API 包括三个主要模块：用于其他传感器的 IMM内表面、数据采集系统(DAQ Interface) 和 数据库 ，如 图1 所示。 在这里，一般的 API 被描绘成一个绿色块，而它包括的三个软件模块是蓝色块，橙色块包括 API 及其模块连接到的硬件。IMM 接口是 API 的一部分，用于与正在使用的注塑模具机建立连接，并要求并设置相应的参数值。DAQ接口用于从任何额外安装的机器和模具传感器获取数据， 需要数据库进行有组织的存储，并轻松访问采样数据。如有必要，可以添加用于测试数据处理 algo-rithms 和 IMM 控制程序的其他模块。
图2. 用于生产狗骨标本的模具
3. 恩格尔 IMM 上的 API 应用程序
开发的API原型测试了ENGEL在sert 130垂直IMM与CC300控制单元。根据ISO 527-2（ISO 2012），主要制造部分是用于拉伸应力测试的狗骨标本，长度为170毫米，宽度为20毫米，厚度为4和15毫米。用于生产 15 毫米厚部件的模具显示在图 2上。它安装了两个 Kistler 4021B10H1P1 多传感器，用于监控霉菌温度和压力。
我们选择了树莓派 RevPi Core3 和 RevPi 模拟输入输出 （AIO） 模块用于信号的数字采样。模块通过 PiBridge 连接。RevPi 允许使用具有 24 位分辨率的ADS1248数字模拟转换器模型，进行每个成型的达美西格玛转换。与 NI 和 HBM 等制造商的商业 DAQ 不同，RevPi 是一种开放式的模块化工业 PC端软件，提供灵活的软件替代品。由于在实际情况中皮布里奇负载约125赫兹，抽样率低且不协调。这将导致每个 AIO 模块连接的 PiBridge 上大约需要 5 毫秒的更新时间，不过这足以满足我们的情况。将所有设备连接在一起的计算机网络设备则是一个 1000 Mbps 开关。
3.1. 从机器内置传感器获取数据
IMM 接口是 API 模块，负责从机器内置传感器获取和设置参数值。此模块的主要任务是建立与 IMM 的连接、定期检查连接是否已启动和运行、请求读取机器和处理参数数据，其存储在“先进-先出”的 （FIFO） 队列中。
本研究中使用的 ENGEL 插入 130 IMM ，支持 EU-ROMAP63 和 ENGEL 机器接口 （EMI） 数据交换。为了满足软实时和实时数据更改的需要，API 中使用了 EMI 数据交换协议，因为由于作者的经验，它比EUROMAP63 快得多。此模块包括专门在 EMI 数据交换协议的帮助下为数据交换设计的界面类，不能用作所有类型的数据交换协议的一般接口类。例如，如果需要附加欧洲MAP77，则必须添加一个新的界面类，以遵循响应的协议规范。在与 ENGEL 的私人通信中，必须获得IMM 上不同交流值所需的统一资源标识符 （URIS）。
该模块使用Pyro4（Python远程对象）、'xml.etree.元素树'、插座、线程、队列和日期时间 Python 库。Pyro4 库用于启用基于网络的对象之间的分布式计算功能，因为 Pyro4 能够处理基于 UURI 的远程呼叫的自动定位。'xml.etree.元素树'库用于构建 XML 字节流和将字节流转换为字符串。这是必要的，因为EMI是基于IMM和PC之间的XML交换。由于 EMI 使用 TCP/IP 协议进行通信，插座库反过来又用于在 PC 和 IMM 之间建立客户端服务器连接。线程库是开发高级线程接口的必要条件，而队列库'实现多产、多消费者队列'，可用于线程编程和不同线程之间的安全数据交换。日期库用于检索机器的日期和时间，并随之简化操作。
API 原型可以根据应用以三种不同的模式：'空闲'、'固定周期'和'灵活周期'记录数据。在'空闲'模式控制器中，可确保连接已启动，并且应用程序能够访问接口的 异步交互，而'固定周期'模式是可同时对所有来自 IMM 的参数进行定期采样的机制。在申请队列中的采样结果也同样适用。 '灵活循环'模式可处理不平衡的更新采样频率，以避免过度采样。IMM 上的机器参数可能具有不同的更新频率，具体取决于 IMM 数据采集系统的采样限制。这些频率也可以由用户通过 IMM 的一般用户界面进行操作。更新频率通常从 10 到 1000 ms 不等。在'灵活循环'模式下的第一次运行中，接口从相同更新速率的 IMM 和组参数获取每个参数的采样频率。在此模式下，界面检查最后日期时间（使用Python 库日期时间），当每个参数组都进行了更新时，确定是否该从 IMM 获取新数据部分。
该模块的另一个功能是加载用户请求的.csv文件中提供的计步器。文件中的数据被加载到'参数列表'参数中，然后用于指定 IMM 上不同参数的统一资源标识符之间的映射，并设置实际参数值。'参数列表'结构的脚本在表 1中提供。
3.2. 从其他传感器获取数据
内置传感器和其他传感器记录数据是同步的。要做到这一点，API使用一种称为event_sample（）的部署方法。 它需要为正在使用的数据采集系统和IMM一起触发。只有当机器模具
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