丁振凡，王小明，劉亞男，章 斌

（1.華東交通大學，南昌 330013；2.江西安居兄弟建材有限公司，南昌 330233）

0 引言

對生產(chǎn)線運營狀況的自動化監(jiān)控是實現(xiàn)企業(yè)信息化、精細化、集成化管理的新要求。由于Web所采用HTTP協(xié)議的無狀態(tài)性，給Web界面的實時監(jiān)測應用帶來不少挑戰(zhàn)，其中最關(guān)鍵的是數(shù)據(jù)的實時傳輸問題。數(shù)據(jù)傳送在技術(shù)層面總體上分為拉方式和推方式兩種，拉方式的典型代表是采用AJAX技術(shù)，客戶方定時輪詢從服務端取數(shù)據(jù)，其最大問題是客戶端請求的頻率與服務器端數(shù)據(jù)更新頻率不一致會造成無謂的網(wǎng)絡流量浪費，拉方式總體上效率低下。推方式是服務器端有數(shù)據(jù)更新時，將數(shù)據(jù)推送到客戶端，在HTML5出現(xiàn)前，推方式主要是依靠Socket通信的方法，用Java Applet或Flash作為客戶端，服務器上也要求編寫配合的服務程序，并采用多線程管理連接，編程較復雜，在應用中不理想，效率也不高。隨著HTML5的WebSocket技術(shù)的出現(xiàn)，在瀏覽器和服務器之間提供了一個基于TCP連接的雙向通道[1]，為推技術(shù)的應用提供了舞臺，它支持基于發(fā)布/訂閱的通信，從而方便基于Web的實時應用開發(fā)。

本系統(tǒng)將企業(yè)的兩條玻珠生產(chǎn)線整合為一套集中控制系統(tǒng)。通過Web技術(shù)實現(xiàn)對兩條生產(chǎn)線上設備工作狀態(tài)的實時監(jiān)測?？梢栽诰W(wǎng)頁上動態(tài)顯示煤氣爐、燃氣加熱爐、膨脹爐、電預熱爐、料倉、包裝倉等各處設備的溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的實時變化，并進行超限報警,傳輸數(shù)據(jù)中還包括對原料使用和包裝產(chǎn)品計量的信息。為滿足數(shù)據(jù)管理和分析要求，系統(tǒng)同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中存儲，支持數(shù)據(jù)的查詢、分析、統(tǒng)計報表打印等功能。作為遠程控制，可在Web界面中實時設置系統(tǒng)的運行參數(shù)，發(fā)布生產(chǎn)指令等。

1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成與功能

1.1 系統(tǒng)基本組成

系統(tǒng)采用PLC控制獲取來自生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，通過溫度、壓力以及計量傳感器獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換送PLC?？删幊炭刂破鱌LC是工業(yè)控制系統(tǒng)中最常用的控制器，它具有抗干擾好，可靠性高的特點[2]，每條生產(chǎn)線的PLC連接有一臺操作顯示終端GOT，執(zhí)行本生產(chǎn)線運行參數(shù)設置、參數(shù)與狀態(tài)顯示、設備調(diào)整、故障顯示等功能。一臺工控機IPC通過2個串口與2條生產(chǎn)線的PLC的串行通信模塊進行通信。IPC通過無線網(wǎng)上網(wǎng)，實現(xiàn)與Web服務器的通信。用戶通過訪問Web頁面實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的雙向?qū)崟r監(jiān)測。系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本組成

正向監(jiān)測中，工控機將串口通信得到的PLC數(shù)據(jù)，通過調(diào)用Web服務器上的Web服務參數(shù)傳送到Web服務器，在Web服務器上通過WebSocket通信發(fā)布給訂閱消息的瀏覽器。

為實現(xiàn)反向監(jiān)控，在Web服務器引入ActiveMQ消息服務器，瀏覽器可發(fā)送消息給ActiveMQ消息隊列，由工控機上Java程序獲取隊列的消息并經(jīng)串口轉(zhuǎn)發(fā)給PLC。

在整個應用中，瀏覽器與服務器之間存在三種形式的通信：1）HTTP訪問，用于訪問Web頁面；2）AJAX訪問，用于從瀏覽器頁面訪問Web服務，獲取服務器存儲的設備報警參數(shù)值；3）WebSocket通信，采用STOMP協(xié)議傳輸基于發(fā)布/訂閱的實時數(shù)據(jù)。瀏覽器通過HTML5的Canvas和DHTML技術(shù)繪制參數(shù)變化曲線。

Web服務器采用Tomcat8，消息服務器采用ActiveMQ，數(shù)據(jù)庫采用mysql。工控機和Web服務器上的程序代碼均采用Spring框架編程實現(xiàn)。Spring是一種輕量級的開源框架，它通過依賴注入實現(xiàn)Bean的配置，通過REST風格的MVC編程實現(xiàn)Web服務[6]。

1.2 系統(tǒng)的功能菜單

系統(tǒng)的一級功能菜單如圖2所示。在下級菜單中還要選擇具體監(jiān)測的生產(chǎn)線和具體的子功能。例如，總圖顯示包括：生產(chǎn)線1、生產(chǎn)線2、兩條生產(chǎn)線共3個選項。參數(shù)顯示時，先選擇生產(chǎn)線，進一步再選擇具體的監(jiān)控設備。

圖2 系統(tǒng)功能菜單

系統(tǒng)的首要功能是實時監(jiān)控，根據(jù)應用需要，提供了兩種形式監(jiān)測顯示，總圖顯示在頁面上顯示生產(chǎn)線設備布置示意圖，在示意圖中對應位置顯示相關(guān)設備的參數(shù)數(shù)據(jù)；參數(shù)顯示則是將監(jiān)測設備的各參數(shù)變化分別繪制成曲線。在總圖顯示中含數(shù)據(jù)報警提示，接收到的數(shù)據(jù)與參數(shù)范圍進行比較，到達報警值則用紅色顯示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢用于查詢個日期范圍中以分鐘為單位的數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)利用Spring JdbcTemplate實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問處理[3]。報表輸出要求在網(wǎng)頁上顯示日報表和月報表。指令發(fā)布是從Web上發(fā)布指令給生產(chǎn)線上的GOT控制臺顯示，是一種反向的控制。數(shù)據(jù)分析可實現(xiàn)當前生產(chǎn)情況與某查詢?nèi)掌谇闆r的數(shù)據(jù)可視化對比。其中，指令發(fā)布和參數(shù)設置功能需要進行用戶認證，用戶訪問控制用Spring Security實現(xiàn)[4]。

2 整個應用的消息通信架構(gòu)設計

整個應用設計包括PLC端的編程、工控機上的編程、Web服務器端的編程。應用系統(tǒng)中各部分之間的數(shù)據(jù)通信是應用設計的核心，系統(tǒng)通信架構(gòu)如圖3所示，該消息傳遞架構(gòu)的特點是實現(xiàn)應用的松耦合和高效性，同時方便應用的部署，Web服務器甚至可以部署到云平臺上。限于篇幅，本文僅討論控制機和Web服務端的編程處理，均用Spring框架編程實現(xiàn)。在圖3中，存在兩種Web服務，兩者均為REST風格，但Web服務1是供IPC的應用程序調(diào)用，通過Spring RestTemplate調(diào)用，這種形式的服務常用于應用間消息傳遞；而Web服務2是供瀏覽器頁面訪問。IPC上的消息監(jiān)聽程序與Web服務器上ActiveMQ采用異步方式通信。JMS提供了消息監(jiān)聽器接口MessageListener來實現(xiàn)消息的異步接收，根據(jù)消息事件觸發(fā)執(zhí)行的onMessage方法編程可對接收消息進行處理。

圖3 系統(tǒng)的消息通信傳遞架構(gòu)

瀏覽器與PLC之間雙向信息傳遞的具體實施步驟 如下：

1）正向?qū)崟r監(jiān)測

將生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的實時傳遞到客戶瀏覽器顯示，用實線表示。具體過程是：（1）PLC將傳感器得到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給工控機IPC；（2）IPC通過調(diào)用Web服務將收到的數(shù)據(jù)傳遞給Web服務器處理；（3）Web服務器通過WebSocket消息代理將數(shù)據(jù)推送給訂閱了消息的瀏覽器頁面進行顯示，同時數(shù)據(jù)也將記錄到MySql數(shù)據(jù)庫表格中，以便查詢分析。

2）反向發(fā)布指令

反向發(fā)布指令是從瀏覽器發(fā)送數(shù)據(jù)給PLC處理，用虛線表示。具體過程是：（1）在工控機上的Java應用程序通過定義MessageListener對象實現(xiàn)對ActiveMQ消息隊列的監(jiān)聽；（2）瀏覽器通過HTTP提交消息給相應Web服務；（3）Web服務借助Spring JmsTemplate將消息發(fā)送給ActiveMQ消息服務器的指定隊列；（4）消息服務器通過消息驅(qū)動事件監(jiān)聽者的onMessage方法處理消息，將消息通過串口發(fā)送給PLC，PLC收到數(shù)據(jù)后在GOT上顯示。

3 工控機對數(shù)據(jù)的接收處理

工控機的Java應用程序負責消息的中轉(zhuǎn)，一方面接收來自PLC的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過Web服務傳遞到Web服務器；另一方面接收來自ActiveMQ消息隊列的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC。

系統(tǒng)利用J2SE提供的擴展包comm.jar實現(xiàn)串口通信編程[5]。在串口通信編程中，采用多線程技術(shù)監(jiān)聽數(shù)據(jù)并采用字節(jié)緩沖區(qū)存儲數(shù)據(jù)。2條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)分別由IPC的2個串口讀取。PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)每隔4秒傳輸1次，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為73字節(jié)，其中含供同步識別的起始和結(jié)束標記，每個參數(shù)的數(shù)據(jù)占2個字節(jié)。串口數(shù)據(jù)先由消息接收線程逐字節(jié)接收，送到消息緩沖區(qū)，在接收到1條生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的結(jié)束標志時，將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進行分析處理，系統(tǒng)自動根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)特征識別處理數(shù)據(jù)，將分析整理后的數(shù)據(jù)封裝為代表生產(chǎn)線的Java對象，在經(jīng)過Google的Gson工具包進行串行化處理后，通過Web服務調(diào)用的參數(shù)傳遞發(fā)送給Web服務器，這里，通過Spring的RestTemplate對象的getForObject方法調(diào)用部署在Web服務器上的REST風格的Web服務[6]。

4 Web端編程的關(guān)鍵處理

Web服務器端的編程處理是整個系統(tǒng)設計的難點，系統(tǒng)在瀏覽器端的應用界面功能均依賴Web服務端的編程。WebSocket編程處理是Web實時監(jiān)測的關(guān)鍵，通過Spring框架的WebSocket編程支持，可實現(xiàn)基于發(fā)布/訂閱的數(shù)據(jù)通信，瀏覽器只需要在頁面裝載時建立與服務器的WebSocket連接，并發(fā)送相應主題的訂閱請求，就可以不斷收到來自服務器的推送數(shù)據(jù)。

4.1 Spring4的WebSocket服務端支持

系統(tǒng)采用Spring4框架實現(xiàn)編程，通過maven實現(xiàn)工程的依賴管理。Spring框架只有4.0以上版本才支持WebSocket。Spring框架通過簡單的注解配置就可以定義WebSocket的服務代理及訪問端點。以下注解配置程序指定采用基于內(nèi)存的簡單消息代理，在注冊stomp訪問端點時設置支持SockJS連接。其中，“/topic”是消息主題端點，瀏覽器訂閱消息以及用服務器的消息代理對象發(fā)布消息時，指示消息目標隊列要使用該標識為前綴；“/app”是瀏覽器發(fā)送給服務器消息代理時指定消息目標的前綴；“/ws”是websocket連接端點，SockJs是一個WebSocket的通信js庫，withSockJS()方法啟用Spring對js庫的支持。本應用中，客戶瀏覽器與Web服務器建立WebSocket連接時通過“/monitor/ws”路徑標識，其中，monitor為Web應用的工程名。各部分的具體使用關(guān)系如圖4所示。Spring4消息代理采用發(fā)布/訂閱的方式工作，消息發(fā)布者將消息發(fā)布到主題隊列中，由消息代理將消息推送到主題隊列的訂閱者。

圖4 消息代理配置的訪問標識示意圖

@Configuration

@EnableWebSocketMessageBroker

public class WebSocketConfig extends AbstractWebSo cketMessageBrokerConfigurer {

public void configureMessageBroker(MessageBrok erRegistry config) {

config.enableSimpleBroker("/topic"); //采用簡單消息代理，指明主題前綴

config.setApplicationDestinationPrefixes("/app");//用于瀏覽器發(fā)送消息

}

public void registerStompEndpoints(StompEndpointR egistry r) {

r.addEndpoint("/ws").withSockJS(); //指定消息代理連接端點

}

}

4.2 定義供工控機訪問的Web服務

在Spring框架的控制器的配置中，通過@Controller注解定義控制器，其中允許兩類Mapping并存，一種是@RequestMapping，代表定義REST風格的Web服務，接收HTTP請求，相應的注解參數(shù)為REST風格的URL路徑信息；另一種是@MessageMapping，接收來自瀏覽器發(fā)送的WebSocket消息，相應的注解參數(shù)為消息隊列，并通過所注解方法的參數(shù)獲取相應的Java消息對象。

圖3中Web服務1用于接收調(diào)用者發(fā)送的來自生產(chǎn)線1的數(shù)據(jù)，在服務處理代碼中將參數(shù)傳遞得到數(shù)據(jù)進行反串行化處理轉(zhuǎn)化為代表生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的Java對象，通過依賴注入的SimpMessagingTemplate對象的convertAndSend方法將Java對象發(fā)送給WebSocket的主題名為“l(fā)ine1”或“l(fā)ine2”的隊列，進而由消息代理推送給訂閱了該主題的瀏覽器客戶端。

@Controller

public class MvcController {

@Autowired private SimpMessagingTemplate template;

@RequestMapping(“/info/produceline*”)

@ResponseBody

public String lineProcess( @RequestParam(“message”) String mess,

@RequestParam(“l(fā)ine”) String line) {

Gson json = new Gson(); //利用Gson對象進行串行化處理

ProduceLine me = json.fromJson(mess, ProduceLine.class);

template.convertAndSend("/topic/line"+line, me); //發(fā)布消息

return "ok";

}

}

其中，ProduceLine為代表生產(chǎn)線的實體類，該類中封裝有代表生產(chǎn)線的各種參數(shù)數(shù)據(jù)。應用中，為方便Java對象的傳遞，采用Google公司Gson對象進行串行化處理。

4.3 瀏覽器端HTML5的WebSocket支持

為了進行基于SockJs的stomp消息通信?？蛻舴揭玫健皊ockjs-0.3.4.js”和“stomp.js”。瀏覽器通過執(zhí)行以下Javascript腳本可建立與服務器的WebSocket連接。以下代碼在連接成功后，客戶方將發(fā)送訂閱主題“l(fā)ine1”的請求給服務端的消息代理。

var socket = new SockJS(‘/monitor/ws’); //連接服務器的消息代理

stompClient = Stomp.over(socket); //采用STOMP協(xié)議通信

stompClient.connect({}, function(frame) { //連接成功執(zhí)行以下代碼

stompClient.subscribe('/topic/line1',

function(produceLine){ //收到消息執(zhí)行

mess=JSON.parse(produceLine.body);

…… //利用DHTML顯示數(shù)據(jù)

});

當瀏覽器收到主題為“l(fā)ine1”的消息時，將觸發(fā)執(zhí)行函數(shù)function(produceLine)。通過函數(shù)參數(shù)中的body屬性可得到消息內(nèi)容，服務器發(fā)送的消息均進行了串行化，客戶方通過用JSON.parse分析將消息內(nèi)容轉(zhuǎn)化為Java對象，通過訪問對象的屬性可得到來自生產(chǎn)線各設備的參數(shù)值，利用DHTML技術(shù)在頁面上顯示。

瀏覽器與Web服務器之間這種發(fā)布/訂閱通信是一種高效靈活的消息推送機制。來自串口的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)可以推送給所有瀏覽器的訂閱者，某頁面中也可以通過訂閱不同的主題來獲取來自不同發(fā)布者的數(shù)據(jù)。

4.4 瀏覽器端實時數(shù)據(jù)的顯示處理

系統(tǒng)提供了總圖顯示和參數(shù)顯示兩種形式的數(shù)據(jù)監(jiān)測。在總圖顯示中，如圖5所示，利用仿真生產(chǎn)線各工序流程的圖形作為頁面顯示背景，在圖形的對應位置利用DHTML技術(shù)顯示相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)，從而能直觀形象地觀測到生產(chǎn)線上各工序的生產(chǎn)狀況。在總圖顯示的實時監(jiān)控中，當前數(shù)據(jù)到達報警值時要用紅色顯示數(shù)據(jù)。為了方便客戶方對參數(shù)的報警值和目標值的讀取，系統(tǒng)采用HTML5的本地存儲技術(shù)，每次報警檢查只要與客戶方的本地存儲變量進行比較即可。為檢查本地存儲是否最新設置，可專門引入一個時間變量，當本地記錄的時間變量與服務器參數(shù)設置的時間變量不一致，則代表參數(shù)設置有變，系統(tǒng)利用AJAX技術(shù)獲取存儲在服務器上的XML參數(shù)配置信息?？稍诰W(wǎng)頁加載時進行參數(shù)變化檢查，并通過WebSocket通道訂閱參數(shù)變化消息，來跟蹤參數(shù)的變化，特權(quán)賬戶每次更改參數(shù)將發(fā)布參數(shù)變化消息，如此可保持客戶本地存儲的參數(shù)信息與服務器上XML文件中配置信息的同步一致。應用效率也能保持高效。

圖5 總圖顯示

在參數(shù)曲線顯示中，采用HTML5的canvas實現(xiàn)各監(jiān)控項目的數(shù)據(jù)變化曲線的圖形繪制，如圖6所示。Canvas實現(xiàn)曲線繪制過程：1）用Canvas的getContext("2d")取得圖形環(huán)境，后面的操作均針對圖形環(huán)境對象進行訪問；2）用strokeStyle屬性設置顏色；3）用其moveTo方法定位起點；4）用lineTo方法定位要經(jīng)過的點；5）用stroke()方法實現(xiàn)線條填充繪制。但要注意，為了在同一畫布中繪制不同顏色的曲線，每次繪制新線條前要使用beginPath()方法進行設置，否則，Canvas會用最后的顏色去填充所有的線條。

圖6 參數(shù)顯示

上面的曲線繪制的內(nèi)容是當前時刻生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)，對于本班已有數(shù)據(jù)應先行繪制，系統(tǒng)采用AJAX技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，在服務器上還將來自生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)存儲在一個數(shù)組列表中，數(shù)組列表的內(nèi)容動態(tài)增加。如此，可保證查看不同參數(shù)時能看到完整的曲線變化。

4.5 自動根據(jù)查詢要求生成Web報表

根據(jù)用戶需求，系統(tǒng)設計了多種查詢和報表，包括每天各班種的日生產(chǎn)統(tǒng)計報表，企業(yè)的月統(tǒng)計報表。本系統(tǒng)是要在Web頁面中顯示報表，系統(tǒng)利用Spring框架的PDF視圖實現(xiàn)報表顯示，在訪問控制器設計時，通過REST的訪問參數(shù)得到報表需要的參數(shù)數(shù)據(jù)，將參數(shù)數(shù)據(jù)填入模型傳遞給視圖。Spring的AbstractPdfView抽象類用于生成PDF格式的視圖，通過覆蓋該類的buildPdfDocument方法可將代碼產(chǎn)生的PDF文檔送客戶端。系統(tǒng)利用iText組件實現(xiàn)PDF報表的動態(tài)生成[7]。報表處理需要引入com.lowagie.text依賴，但注意com.lowagie.text引入的jar包不支持中文，需要進行特殊處理。本系統(tǒng)采用Window系統(tǒng)的字體來構(gòu)建基本字體對象。

BaseFont basefont = BaseFont.createFont("c：\windows\fonts\simkai.ttf",

BaseFont.IDENTITY_H, BaseFont.NOT_EMBEDDED)；

在基本字體的基礎上，表格內(nèi)容使用的字體可再設置具體的大小。例如：

Font myfont= new Font(basefont, 18)；

借助PdfPTable及相關(guān)類可容易編程方式生成報表，并實現(xiàn)報表數(shù)據(jù)的動態(tài)填寫。最后，視圖返回給瀏覽器的就是一個PDF報表文檔，客戶可打印或另存該文檔。

4.6 Spring任務定時在班組切換中應用

根據(jù)廠商要求，需要按白班和晚班進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。19：00前開機為白班，19：00以后開機為晚班。連續(xù)作業(yè)到19：00時自動轉(zhuǎn)為晚班狀態(tài)，連續(xù)作業(yè)到早上7：00時自動轉(zhuǎn)為白班狀態(tài)。在換班時要對統(tǒng)計變量進行初始化。另外系統(tǒng)要求每隔1分鐘要對期間的數(shù)據(jù)進行1次分析處理，將數(shù)據(jù)寫入歷史表，以便日后統(tǒng)計分析。Spring框架提供的任務定時機制可容易實現(xiàn)此類應用需求，最直觀高效的是采用@Scheduled注解的方法[8]。只需要在方法前加上@Scheduled注解，并通過cron表達式或者fixedDelay就可讓方法按指定的時刻或間隔定時執(zhí)行。例如，@Scheduled(cron = "0 0 7 * * ?") 指定每天早7點執(zhí)行, @Scheduled(fixedDelay = 60000) 指定每隔1分執(zhí)行。

5 結(jié)束語

本文介紹的企業(yè)生產(chǎn)線監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)方式，通過引入Web服務和消息隊列實現(xiàn)應用各組成部分之間數(shù)據(jù)傳遞的松耦合。實際企業(yè)中由于場地條件，工控機采用無線上網(wǎng)，而Web服務器可以部署在Internet的任何一臺服務器上。來自PLC生產(chǎn)線數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸，可及時傳遞到Web服務器上，并通過基于WebSocket的發(fā)布/訂閱通信實時推送到瀏覽器客戶端。

該系統(tǒng)通過統(tǒng)一的架構(gòu)對來自企業(yè)的兩條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)實施監(jiān)控。通過Web服務的參數(shù)區(qū)分數(shù)據(jù)所處生產(chǎn)線，可以對兩條生產(chǎn)線同時進行監(jiān)測、并自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計。有效提升了企業(yè)的產(chǎn)品管理能力，有利于企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督和控制。

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[4] 丁振凡,李馨梅.基于JdbcTemplate的數(shù)據(jù)庫訪問處理[J].智能計算機與應用,2012.2(3)：29-32.

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