汪松松， 彭來湖， 沈春婭， 胡旭東

(浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

在互聯(lián)網(wǎng)+和中國制造2025的大背景下，工業(yè)機器聯(lián)網(wǎng)(機聯(lián)網(wǎng))以提高企業(yè)生產(chǎn)效率、提高自動化水平和作為企業(yè)資源計劃(ERP)、工業(yè)大數(shù)據(jù)智能化服務(wù)的基礎(chǔ)平臺而迅速崛起[1-3]?，F(xiàn)有的針織裝備制造企業(yè)在設(shè)計裝備控制系統(tǒng)時，一般尚未提供網(wǎng)絡(luò)接口，行業(yè)上也沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議，事實上裝備無法互聯(lián)互通。理論上，工業(yè)裝備的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)以工業(yè)以太網(wǎng)為主，配置OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)互聯(lián)互通協(xié)議，但是此類網(wǎng)絡(luò)布局要求高，以中小企業(yè)為主的針織生產(chǎn)無法承擔(dān)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的高成本[4-6]。而從針織裝備聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)的功能分析，針織生產(chǎn)主要是生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，通信的實時性，數(shù)據(jù)量的要求都不高，因此要建立簡約的機聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，監(jiān)測裝備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，實現(xiàn)基于云平臺的智能制造服務(wù)?；诖耍疚闹饕懻撛卺樋椥袠I(yè)實現(xiàn)互聯(lián)互通，設(shè)計針織裝備網(wǎng)絡(luò)通信層的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接與互聯(lián)互通協(xié)議，將不同裝備制造企業(yè)開發(fā)的針織裝備接入到云平臺，并通過云存儲數(shù)據(jù)庫技術(shù)提供信息服務(wù)的構(gòu)建技術(shù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針織裝備云平臺主要結(jié)合針織裝備信息交互和業(yè)務(wù)功能特點進(jìn)行建設(shè)，屬于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)簇的一類[7-8]。針織裝備聯(lián)網(wǎng)的目的是提取裝備的生產(chǎn)工作信息、下傳工藝數(shù)據(jù)、監(jiān)測裝備的狀態(tài)數(shù)據(jù)等，以監(jiān)測需求為主。以中小企業(yè)為主體的針織生產(chǎn)企業(yè)存在裝備種類多、規(guī)模小、分散分布等特點，所以機聯(lián)網(wǎng)需要應(yīng)對多機型、接入端口多樣化等問題，因此結(jié)構(gòu)務(wù)必要方便布網(wǎng)，又能兼容企業(yè)現(xiàn)役設(shè)備的多種接口，且成本要求低。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不失一般性，針織網(wǎng)絡(luò)必須符合ISO/OSI通用架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)層次如表1所示。針織裝備機聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)考慮設(shè)備接入、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理和信息服務(wù)等基本模塊[9-10]，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 針織裝備機聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議棧Tab.1 Communication protocol stack of knitting equipment networking

圖1 針織裝備云平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Cloud platform system structure of knitting equipment

針織裝備提供商可配置統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)接口，而現(xiàn)役的針織裝備可通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；通過高帶寬彌補互聯(lián)網(wǎng)調(diào)度的不足，以滿足信息監(jiān)測需求；制定統(tǒng)一的針織裝備互聯(lián)互通協(xié)議以達(dá)到數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入；用統(tǒng)一的云平臺取代各企業(yè)自建服務(wù)器的傳統(tǒng)模式，并在云平臺上開發(fā)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、網(wǎng)絡(luò)公關(guān)系統(tǒng)(ERP)、關(guān)系系統(tǒng)(CRM)、辦公服務(wù)(OA)等服務(wù)功能，該方式降低了企業(yè)建網(wǎng)和維護(hù)成本。

1.2 針織裝備接入設(shè)計

現(xiàn)役的針織裝備都沒有統(tǒng)一的物理接口，僅設(shè)置有串口(RS232)、串行總線(USB)等直連接口，作為電控系統(tǒng)調(diào)試和設(shè)置用。當(dāng)前有線和無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)模塊廣泛投入物聯(lián)網(wǎng)使用，其主要接口類型如表2 所示，現(xiàn)役裝備的直連接口需通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)化為互聯(lián)網(wǎng)的有線和無線接口，如雙絞線接口、WIFI空口等，接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

表2 針織裝備通信接口類型Tab.2 Communication interface type of knitting equipment

此外，部分針織裝備的控制系統(tǒng)受存儲和通信能力限制，也制約裝備節(jié)點直接接入機聯(lián)網(wǎng)，也應(yīng)配置互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化網(wǎng)關(guān)。

2 網(wǎng)絡(luò)層通信設(shè)計

采用無線網(wǎng)絡(luò)，簡單方便，成本低，但是需要設(shè)計針織裝備應(yīng)用層的通信協(xié)議，以保證云平臺機聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

考慮到針織生產(chǎn)車間占地面積大，布置有線連接每臺機器成本高，并妨礙裝備上方紗筒的擺放，在該云平臺機聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建中，兼顧到信號的穩(wěn)定性，保證無線信號的全覆蓋，避免無線信道沖突，以高帶寬解決通信擁擠，采用無線訪問接入點(AP)陣列布局網(wǎng)絡(luò)。中心節(jié)點布局有線接入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，最后通過外網(wǎng)接入云端。網(wǎng)絡(luò)組建如圖2所示。

圖2 機聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Network structure of machine network

2.2 互聯(lián)互通協(xié)議

云平臺系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)流如圖3所示。以數(shù)據(jù)云平臺為中心，針織裝備終端信息通過云平臺進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)，并對數(shù)據(jù)通信內(nèi)容進(jìn)行存儲與回放，為上層網(wǎng)站系統(tǒng)(WEB)、管理系統(tǒng)、應(yīng)用程序(APP)等提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖3 通信數(shù)據(jù)流Fig.3 Communication data stream

建立互聯(lián)互通協(xié)議是針織裝備云平臺實現(xiàn)信息互通的關(guān)鍵，安全可靠的通信機制和簡潔實用的語言格式才能保證針織裝備網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通協(xié)議能廣泛應(yīng)用。由于針織裝備種類多，通信能力差異大，針織裝備控制軟件對成熟的通信協(xié)議包的支持能力有限，以O(shè)PC UA為代表的重量級互聯(lián)互通技術(shù)和以消息隊列遙測傳輸(MQTT)為代表的輕量級通信技術(shù)并不能直接應(yīng)用于針織裝備的互聯(lián)互通，但可作為協(xié)議制定的重要參考對象，以設(shè)計通用性強的針織裝備簡捷可靠的通信協(xié)議。針織裝備云平臺基于互聯(lián)網(wǎng)傳輸，考慮到TCP協(xié)議的可靠性，并且TCP通常作為MQTT、可擴展通訊和表示協(xié)議(XMPP)、OPC UA等互聯(lián)互通協(xié)議的基礎(chǔ)標(biāo)配，在該云平臺設(shè)計中，在TCP基礎(chǔ)上設(shè)計應(yīng)用層針織裝備互聯(lián)互通協(xié)議，以適應(yīng)圓緯機、橫機、經(jīng)編機與云平臺服務(wù)器間的通信需求。

基于穩(wěn)定的TCP握手協(xié)議基礎(chǔ)，以確保信息無損傳輸，根據(jù)針織裝備需要接收云端指令并向服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)包和相關(guān)即時指令，以監(jiān)測功能需求為核心，通信協(xié)議主要指令類型如表3所示。

表3 針織裝備通信協(xié)議Tab.3 Communication protocol for knitting equipment

通信連接管理：云平臺與針織裝備終端的連接和登錄進(jìn)行相互授權(quán)，通信線路心跳?；睿员Ｕ厢樋棓?shù)據(jù)安全、通暢。

裝備數(shù)據(jù)監(jiān)測：服務(wù)器訂閱針織終端數(shù)據(jù)服務(wù)后，針織裝備按相應(yīng)工作頻率實時發(fā)送針織裝備運行數(shù)據(jù)給云平臺，供針織生產(chǎn)企業(yè)監(jiān)測生產(chǎn)狀況。

裝備遠(yuǎn)程控制：數(shù)據(jù)下行管理是針織裝備遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)。通過設(shè)置針織裝備參數(shù)，改變針織裝備的運行狀態(tài)、生產(chǎn)過程等。

裝備文件管理和系統(tǒng)管理主要是花型生產(chǎn)文件、系統(tǒng)文件的收發(fā)，為針織裝備提供生產(chǎn)任務(wù)與系統(tǒng)升級文件，也用于針織裝備制造企業(yè)對針織裝備遠(yuǎn)程維護(hù)。

管理系統(tǒng)發(fā)送給針織裝備的每個數(shù)據(jù)幀分為指令頭信息和指令信息。指令頭信息包括：指令序號、指令類型代碼、時間戳、裝備編號和云平臺管理系統(tǒng)編號4部分內(nèi)容，為定長數(shù)據(jù)。指令信息部分包括指令代碼、參數(shù)(代碼)，根據(jù)指令類型和內(nèi)容不同，為可變長數(shù)據(jù)。針織裝備相關(guān)的所有數(shù)據(jù)按照功能分成各參數(shù)塊，在各參數(shù)塊中再對所包含的參數(shù)進(jìn)行編碼，每個參數(shù)塊中留有擴展空間。在實際應(yīng)用中，各企業(yè)可對操作業(yè)務(wù)進(jìn)行個性化補充與裁剪，并設(shè)計規(guī)范化的操作數(shù)，以完善針織裝備的數(shù)據(jù)交互規(guī)范。

信息模型是制造裝備信息化、智能化的基礎(chǔ)。針對參數(shù)部分，通過針織裝備信息模型實現(xiàn)針織裝備參數(shù)實例化，包括屬性、操作方法及其組件信息，每個組件又包含對應(yīng)屬性及其子組件，針織裝備信息模型總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

根據(jù)圓緯機、橫機、經(jīng)編機3類裝備的特點構(gòu)建以下屬性集：

1)組件包括電動機、氣閥、選針器等器件；

2)靜態(tài)對象屬性集反映針織裝備的類型、廠家、系統(tǒng)屬性等靜態(tài)屬性，包括機械信息、主控信息、人機信息、工廠信息等；

圖4 針織裝備信息模型結(jié)構(gòu)Fig.4 Information model structure of knitting equipment

3)過程對象屬性集反映針織裝備在實際運行過程中的狀態(tài)、運行參數(shù)等過程信息，包括基本信息、系統(tǒng)參數(shù)、面板操作、編織信息、訂單信息、產(chǎn)品信息、班次信息、花型信息、文件屬性、報警信息等。

4)方法集主要反映針織裝備的文件傳輸、遠(yuǎn)程調(diào)用等。

以針織裝備訂單信息屬性集為例，如表4所示，對訂單信息參數(shù)塊及參數(shù)編碼，賦予具體參數(shù)通用數(shù)據(jù)類型，確定參數(shù)的必要性與讀寫屬性，構(gòu)建針織裝備全部屬性集編碼與具體數(shù)值，完成針織裝備通信的數(shù)據(jù)格式與語義規(guī)范。

表4 訂單信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表Tab.4 Order information data structureTable

3 云平臺設(shè)計

針織裝備數(shù)據(jù)接入到云平臺后，涉及數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)化、分析、存儲等業(yè)務(wù)功能。以服務(wù)器集群模式來分工協(xié)作處理數(shù)據(jù)，保證云平臺服務(wù)器穩(wěn)定運行，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 針織服務(wù)器集群結(jié)構(gòu)Fig.5 Knitting server group structure

云平臺對上要給MES、ERP等云應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)功能，對下要快速處理針織裝備的通信數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有云平臺上開發(fā)針織裝備處理服務(wù)器是一種快速、穩(wěn)定的方案。目前市場擁有如阿里云、百度天工云、中國移動云平臺等通用云服務(wù)器和西門子、阿里物聯(lián)網(wǎng)套件等專有云，提供服務(wù)(PAAS)功能平臺和專用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

針織裝備連接到云平臺，云平臺上架構(gòu)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和MES管理服務(wù)器，為企業(yè)生產(chǎn)和裝備廠家提供服務(wù)，并促進(jìn)企業(yè)內(nèi)各種資源云端化、信息共享和優(yōu)化配置，以促進(jìn)資源增值增效。統(tǒng)一云平臺屏蔽資源異構(gòu)性，按需取用資源，使針織管理業(yè)務(wù)在云平臺上互聯(lián)互通。

3.1 數(shù)據(jù)交互和處理機制

考慮到針織裝備規(guī)模大、數(shù)據(jù)并發(fā)性高，需充分發(fā)揮服務(wù)器多核中央處理器(CPU)的性能，針織數(shù)據(jù)采集服務(wù)器需要支持多進(jìn)程多任務(wù)。開啟一個主進(jìn)程和多個子進(jìn)程對針織終端提供服務(wù)，主進(jìn)程負(fù)責(zé)進(jìn)程管理，通過套接子程序接口(socket)監(jiān)控子進(jìn)程，子進(jìn)程獨自監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)連接終端(client)并收發(fā)及處理數(shù)據(jù)，進(jìn)程模型簡單，使得服務(wù)器軟件更加穩(wěn)定、高效，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 針織裝備數(shù)據(jù)采集服務(wù)器結(jié)構(gòu)Fig.6 Data acquisition server structure of knitting equipment

針織互聯(lián)互通協(xié)議指令種類多、運行狀態(tài)在實時切換，在停車、運行、報警、通信異常、文件傳輸、點動、裝備鎖定下接收到的信息含義不盡相同，需要服務(wù)器進(jìn)行判別處理。另外，受網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)的協(xié)議轉(zhuǎn)換差異和網(wǎng)絡(luò)干擾、入侵等影響，數(shù)據(jù)預(yù)先需要清洗和轉(zhuǎn)化，針對上層企業(yè)管理MES、ERP也要進(jìn)行業(yè)務(wù)預(yù)處理。

3.2 云存儲結(jié)構(gòu)

云存儲數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)機聯(lián)網(wǎng)功能的數(shù)據(jù)核心，涉及生產(chǎn)廠家多，針織裝備種類多，數(shù)據(jù)量大。針織裝備的狀態(tài)、警告、參數(shù)改變是非線性變化的，參數(shù)數(shù)據(jù)變化之間并無直接關(guān)系，為此采用分布式系統(tǒng)(Hadoop)集群大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫作為針織裝備云平臺根數(shù)據(jù)庫，存儲針織裝備終端的非關(guān)系數(shù)據(jù)。而MES、ERP等用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)庫主要是實時查詢功能，對數(shù)據(jù)的實時性要求高，為此，云數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)服務(wù)部分采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲Hadoop集群中已整理好的業(yè)務(wù)關(guān)系數(shù)據(jù)，以減少存儲重復(fù)數(shù)據(jù)，提高利用率；針對查詢功能的數(shù)據(jù)表設(shè)計時考慮查詢速度，設(shè)置必要的索引和臨時表；采用分廠家分布式建庫，根據(jù)功能特點建立分級機制。

云數(shù)據(jù)庫架構(gòu)如圖7所示。屬性類表為靜態(tài)數(shù)據(jù)，針織裝備聯(lián)機時一次存入云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)即可，無需重復(fù)存儲；針對需要快速查詢類的數(shù)據(jù)，云數(shù)據(jù)庫則根據(jù)業(yè)務(wù)端對數(shù)據(jù)訂閱的周期將狀態(tài)、速度、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)實時更新，屏蔽歷史數(shù)據(jù)，以提高云平臺應(yīng)用服務(wù)的查閱速度；歷史數(shù)據(jù)庫則主要供云平臺做大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析應(yīng)用；業(yè)務(wù)類則供云平臺應(yīng)用完成相關(guān)管理服務(wù)。數(shù)據(jù)表的設(shè)計做到動靜分離，實時查詢優(yōu)先調(diào)度。

圖7 針織裝備云數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.7 Cloud database structure of knitting equipment networking

針對針織生產(chǎn)廠家而言，各自數(shù)據(jù)是互相透明的，各自的數(shù)據(jù)庫包括裝備屬性表、臨時查詢表、歷史數(shù)據(jù)表、業(yè)務(wù)類表等。針織裝備關(guān)系數(shù)據(jù)庫中各實體間存在一對一(1∶1)、一對多(1∶N)的關(guān)系，主要實體-關(guān)系(E-R)圖如圖8所示。

3.3 云服務(wù)功能

典型的云服務(wù)以針織MES為主，其功能和效率直接體現(xiàn)系統(tǒng)用戶對針織裝備云平臺的效能評價，設(shè)計實用可靠的針織MES功能是云服務(wù)平臺開發(fā)的重點[11-13]。

針織MES功能主要有產(chǎn)量與工資計算、故障報警與分析、車間排產(chǎn)、實時信息顯示等。排產(chǎn)人員根據(jù)各機器的綜合生產(chǎn)效率來安排生產(chǎn)計劃，如圈數(shù)、件數(shù)、生產(chǎn)班次、時間、機器、人員、原料等資源分配，系統(tǒng)屏幕顯示排產(chǎn)信息和實時生產(chǎn)的產(chǎn)量、時效、裝備狀態(tài)、速度等信息。維修人員可查看機器的報警信息、維護(hù)信息、工作時長等，并根據(jù)MES系統(tǒng)運行情況給出裝備使用建議。

4 實驗驗證

采用阿里云基礎(chǔ)平臺，開發(fā)針織裝備云服務(wù)數(shù)據(jù)交互與處理服務(wù)軟件，并采用Mysql數(shù)據(jù)庫軟件作為云數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在該平臺上開發(fā)基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S)的MES云服務(wù)和手機系統(tǒng)移動APP監(jiān)測功能，測試用戶對機聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的體驗。針織裝備終端將狀態(tài)與運行參數(shù)及時傳輸給云服務(wù)器并進(jìn)行處理，實驗過程中，針織裝備運行監(jiān)控的狀態(tài)、速度、產(chǎn)量等信息豐富，用戶體驗無卡頓，該服務(wù)可通過針織裝備廠商大規(guī)模地推廣到針織生產(chǎn)企業(yè)中。

圖8 針織裝備關(guān)系數(shù)據(jù)庫E-R圖Fig.8 E-R diagram of knitting equipment relational database

手機APP主要分為運行監(jiān)控、訂單管理、生產(chǎn)統(tǒng)計、設(shè)備管理等以監(jiān)測為主的功能。運行監(jiān)控部分是企業(yè)生產(chǎn)人員最希望獲得、使用頻率最高的數(shù)據(jù)，并設(shè)定為首頁，包括設(shè)備狀態(tài)(運行、停車、維護(hù)、故障、報警、關(guān)機等6大類)、裝備機號、實時產(chǎn)量/預(yù)設(shè)產(chǎn)量、效率、時速/最高速度等；訂單管理則主要實現(xiàn)對花型生產(chǎn)任務(wù)的監(jiān)控，并能向針織裝備下發(fā)花型文件；生產(chǎn)統(tǒng)計則主要對班次、時間、產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計分析，以識別影響針織生產(chǎn)的關(guān)鍵要素，獲得改進(jìn)方案；設(shè)備管理則主要面向針織裝備維護(hù)人員與設(shè)備廠商，實現(xiàn)針織裝備的保養(yǎng)維護(hù)、參數(shù)設(shè)置等功能。

針織裝備終端將狀態(tài)與運行參數(shù)及時傳輸給云服務(wù)器并進(jìn)行處理，試驗過程中，針織裝備運行監(jiān)控的狀態(tài)、速度、產(chǎn)量等信息豐富，用戶體驗無卡頓，可推廣到針織生產(chǎn)企業(yè)中。

5 結(jié) 論

通過對針織裝備云平臺的構(gòu)建研究和實踐應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了針織裝備互聯(lián)互通協(xié)議，為針織行業(yè)的智能制造平臺建設(shè)提供支撐。得到的主要結(jié)論如下。

1)提出了一種針織裝備機聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可應(yīng)對多機型、接口多樣化等特點，采用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，兼容企業(yè)現(xiàn)役設(shè)備的多種接口，方便布網(wǎng)且低成本的聯(lián)網(wǎng)方案。

2)建立了針織裝備云平臺，針織裝備通過云平臺互聯(lián)互通，實現(xiàn)了以針織MES為主的云服務(wù)。

3)設(shè)計基于云平臺的管理系統(tǒng)，通過企業(yè)實際運行，驗證了該平臺功能的可用性，云平臺為針織生產(chǎn)企業(yè)提供了智能制造大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。