賈子翔 翟春輝 賈 捷

中國(guó)聯(lián)通研究院 北京 100176

引言

隨著5G、大數(shù)據(jù)以及邊緣計(jì)算的蓬勃發(fā)展，在“中國(guó)制造2025”及德國(guó)“工業(yè)4.0”政策、行業(yè)標(biāo)桿的驅(qū)動(dòng)指引下[1]，越來(lái)越多的傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)渴求在智能制造領(lǐng)域?qū)で笸黄啤Ｔ趯?duì)傳統(tǒng)工業(yè)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)化升級(jí)改造的過(guò)程中，5G“低時(shí)延、高可靠、大帶寬”的性能滿足了其對(duì)于無(wú)線高速網(wǎng)絡(luò)連接、低時(shí)延計(jì)算和高數(shù)據(jù)安全的需求，充分保障了設(shè)備數(shù)據(jù)從OT向IT的實(shí)時(shí)傳輸、快速計(jì)算以及敏捷響應(yīng)的能力。移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)[2]的興起，使得在設(shè)備側(cè)部署具備存儲(chǔ)計(jì)算能力的小型服務(wù)器成為現(xiàn)實(shí)，可以減少工業(yè)數(shù)據(jù)在不同節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)奶鴶?shù)，大幅縮短了設(shè)備數(shù)據(jù)從采集到展現(xiàn)的時(shí)延，進(jìn)一步保障了工業(yè)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性需求。

“云化”即依托邊緣云的應(yīng)用承載能力，實(shí)現(xiàn)軟件定義的控制系統(tǒng)，本文將介紹如何依托云化實(shí)時(shí)工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控。

1 工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

工業(yè)智能化監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展緊密相連，早期出現(xiàn)的此類工業(yè)應(yīng)用所需的設(shè)備、傳感器以及服務(wù)器，采用有線網(wǎng)絡(luò)方式連接，存在靈活性差、造價(jià)昂貴、不易擴(kuò)展、響應(yīng)時(shí)延大以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)容易丟失等缺陷。

隨著5G的商用和普及以及邊緣計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，為工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了發(fā)展前提和技術(shù)環(huán)境，很快遠(yuǎn)程設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)被應(yīng)用在了各行各業(yè)中。典型的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)模型構(gòu)建，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通常不是一個(gè)單純的IP網(wǎng)絡(luò)，它常常涉及多個(gè)異種網(wǎng)絡(luò)的集成，從而進(jìn)行業(yè)務(wù)通信和數(shù)據(jù)交換。通常工業(yè)監(jiān)控應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)一般包括測(cè)控設(shè)備(傳感器、測(cè)控儀、攝像頭等)、工控設(shè)備、智能網(wǎng)關(guān)、應(yīng)用服務(wù)端及客戶端，測(cè)控設(shè)備作為設(shè)備數(shù)據(jù)的采集端，采集到的工業(yè)OT數(shù)據(jù)通過(guò)PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，工業(yè)控制的核心)控制傳輸至工業(yè)網(wǎng)關(guān)，通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)的協(xié)議解析，將OT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為監(jiān)控應(yīng)用可用的IT數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至應(yīng)用服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)持久化，在客戶端經(jīng)過(guò)圖表渲染呈現(xiàn)給應(yīng)用使用者?，F(xiàn)階段OT側(cè)工控設(shè)備普遍采用傳統(tǒng)PLC，需要專門的編程環(huán)境，且編程難度高，使用困難，且不同型號(hào)的控制器對(duì)應(yīng)不同的協(xié)議，需要額外適配專用的網(wǎng)關(guān)，靈活性及擴(kuò)展性較差。

2 工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)承載了對(duì)工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析的基本需求，PLC作為OT側(cè)控制核心，滿足設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集、云端控制等需求，通過(guò)云化網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)協(xié)議解析、數(shù)據(jù)上傳、指令下達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化監(jiān)控。本節(jié)將從技術(shù)選型和系統(tǒng)架構(gòu)等方面介紹如何設(shè)計(jì)并構(gòu)建該系統(tǒng)。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)—云化PLC

PLC是一種具有微處理器的用于自動(dòng)化控制的數(shù)字運(yùn)算控制器，可以針對(duì)工業(yè)設(shè)備工作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過(guò)循環(huán)掃描，采用集中采樣、集中輸出的工作方式，控制數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)連接或者外部訪問協(xié)議(OPC-UA、MODBUS等)的方式向外傳輸。

云化PLC[3]即軟件定義的PLC，通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備行為、參數(shù)配置及組態(tài)，以開放平臺(tái)的形式供用戶使用，可靈活適配不同的供應(yīng)商。云化PLC包括軟件定義的控制系統(tǒng)、桌面系統(tǒng)、組態(tài)以及編程套件等，集成了傳統(tǒng)工控機(jī)和PLC的全部功能。與傳統(tǒng)PLC相比，云化PLC優(yōu)勢(shì)明顯，如表1所示。

表1 云化PLC與傳統(tǒng)PLC對(duì)比

云化PLC選用遠(yuǎn)程IO模塊，實(shí)現(xiàn)IO系統(tǒng)配置的模塊化，利用總線通信的方式，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的走線。云化PLC還支持內(nèi)置集成云化網(wǎng)關(guān)軟件，支持豐富的工業(yè)協(xié)議，解決了因工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議多樣化、不統(tǒng)一帶來(lái)的數(shù)據(jù)采集困難等問題。此外，由軟件定義的云化PLC可靈活編排和擴(kuò)展，面向復(fù)雜多樣的應(yīng)用場(chǎng)景，可通過(guò)軟件升級(jí)支持工控系統(tǒng)的柔性化和靈活性配置，無(wú)需因需求升級(jí)導(dǎo)致大規(guī)模更換控制器，實(shí)現(xiàn)降本增效。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)-MQTT

MQTT是IBM推出的一個(gè)極其輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，構(gòu)建于TCP/IP之上，提供有序、可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。

由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普遍性能低下，且網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量也不可靠，因此在設(shè)計(jì)協(xié)議時(shí)需要重點(diǎn)考慮以下特性：

1)足夠輕量，方便嵌入式設(shè)備快速解析和響應(yīng)；

2)支持雙向通信，即服務(wù)器和客戶端之間可以相互收發(fā)消息；

3)由于多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不穩(wěn)定，實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備也不適合持續(xù)等待服務(wù)器響應(yīng)，因此協(xié)議需要支持異步傳輸機(jī)制；

4)足夠靈活，支持設(shè)備和服務(wù)的多樣化。

MQTT最初便是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入而設(shè)計(jì)的[4]，具備以下主要特點(diǎn)：

1)發(fā)布訂閱模式，支持一對(duì)多及雙向消息發(fā)布；

2)1字節(jié)固定報(bào)頭和2字節(jié)心跳報(bào)文，擁有較小的網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載；

3)針對(duì)不同場(chǎng)景，支持三種級(jí)別的數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量(QoS，只有一次、最少一次和最多一次)，按需保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和傳輸效率。

這些特點(diǎn)讓MQTT完美適配基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸需求，可通過(guò)較少的代碼、有限的帶寬以及穩(wěn)定的性能為設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。

MQTT擁有生產(chǎn)者(Publisher)、消費(fèi)者(Subscriber)和代理服務(wù)器(Broker)三種角色，其關(guān)系如圖1所示。生產(chǎn)者和消費(fèi)者作為客戶端，對(duì)彼此無(wú)感知，只需通過(guò)配置好的IP及端口與Broker建立連接，生產(chǎn)者可將數(shù)據(jù)發(fā)布至Broker指定主題(topic)，消費(fèi)者可根據(jù)需求，訂閱所需主題的數(shù)據(jù)。

圖1 MQTT架構(gòu)

2.3 關(guān)鍵技術(shù)—時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)

時(shí)序數(shù)據(jù)是基于穩(wěn)定頻率或非固定周期頻率持續(xù)產(chǎn)生的一系列基于時(shí)間維度的指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，普遍存在于工業(yè)設(shè)備、儀表、傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)出一定的趨勢(shì)性和規(guī)律性[5]。時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)是一種針對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)高度優(yōu)化的垂直型數(shù)據(jù)庫(kù)，且以時(shí)間為索引，支持時(shí)序數(shù)據(jù)的快速寫入和多維度實(shí)時(shí)查詢等功能。

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，特別是在IoT物聯(lián)網(wǎng)以及OPS運(yùn)維監(jiān)控領(lǐng)域，由于工業(yè)設(shè)備的持續(xù)工作，因而會(huì)不間斷地產(chǎn)生數(shù)據(jù)，所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)模甚至?xí)_(dá)到TB、PB級(jí)，傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)很難支撐這么大的數(shù)據(jù)量以及這么大的寫入壓力。大規(guī)模IoT物聯(lián)網(wǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求主要包括：

1)低存儲(chǔ)成本：數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，且因貼近實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)成本敏感；

2)彈性：工業(yè)設(shè)備監(jiān)控場(chǎng)景存在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長(zhǎng)的場(chǎng)景，需要擁有足夠靈敏的彈性伸縮能力，能夠快速擴(kuò)容應(yīng)對(duì)增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求；

3)高性能寫入：工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集頻率較高，需要支持7×24小時(shí)不間斷高壓力海量數(shù)據(jù)寫入能力；

4)高性能查詢：由于要保證數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)性，對(duì)海量數(shù)據(jù)查詢的實(shí)時(shí)性有較高要求；

5)高穩(wěn)定性：對(duì)于工業(yè)軟件的普遍性要求，避免設(shè)備數(shù)據(jù)丟失影響自動(dòng)化業(yè)務(wù)。

工業(yè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)，普遍存在以下特點(diǎn)：

1)都有時(shí)間戳，且按時(shí)間順序生成；

2)采集頻率高，單條數(shù)據(jù)不長(zhǎng)，但數(shù)據(jù)規(guī)模極大；

3)寫入頻率遠(yuǎn)高于查詢頻率；

4)很少需要更新特定時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

面對(duì)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)多是采用主備架構(gòu)，且對(duì)于時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓縮性能不佳，通常要求有較高的服務(wù)器硬件配置，這對(duì)于成本敏感的工業(yè)企業(yè)是難以承受的；在海量數(shù)據(jù)寫入方面，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)單機(jī)寫入吞吐低，很難滿足海量時(shí)序數(shù)據(jù)的寫入壓力，分布式集群模式在工業(yè)應(yīng)用中也不現(xiàn)實(shí)；在查詢性能方面，如未人工建立索引，按時(shí)間、標(biāo)簽等多維度的海量數(shù)據(jù)聚合分析性能較差，難以滿足較高的實(shí)時(shí)性需求。相比之下，時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)利用時(shí)間遞增、維度重復(fù)、指標(biāo)平滑的特性，擁有較高數(shù)據(jù)壓縮比，通過(guò)預(yù)降精度，對(duì)歷史數(shù)據(jù)做聚合，可有效節(jié)省存儲(chǔ)空間；時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)支持海量時(shí)序數(shù)據(jù)的批量寫入，不支持?jǐn)?shù)據(jù)更新；針對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)，時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)默認(rèn)對(duì)時(shí)間建立索引，且通過(guò)緩存、routing等技術(shù)提高查詢并發(fā)，可對(duì)海量時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢和聚合分析。此外，時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)采用無(wú)鎖設(shè)計(jì)和多核技術(shù)，讓數(shù)據(jù)插入和查詢的速度比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)有了質(zhì)的飛躍[6]。

結(jié)合工業(yè)場(chǎng)景數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，綜上所述，時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)疑是工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)持久化的上佳選擇，它本身的分布式架構(gòu)，使其不再依賴昂貴的硬件，在普通的x86服務(wù)器甚至虛擬機(jī)上都可運(yùn)行，大大降低了使用成本。

2.4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本節(jié)介紹如何運(yùn)用前面介紹的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建通用的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由三層架構(gòu)構(gòu)成：設(shè)備接入層、協(xié)議解析層和應(yīng)用表示層，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1)設(shè)備接入層

當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的采集。結(jié)合2.1中所述優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)采用云化PLC軟件，與云化網(wǎng)關(guān)部署在MEC服務(wù)器中，滿足廠區(qū)數(shù)據(jù)的高性能接入、計(jì)算、傳輸需求，保障信息安全，降低傳輸成本。

2)協(xié)議解析層

作為OT和IT的分界線，工業(yè)網(wǎng)關(guān)支持豐富多樣的工業(yè)協(xié)議，將工業(yè)世界的數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議解析轉(zhuǎn)化為IT世界可用的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，向下可作為大規(guī)模分布式設(shè)備(如工業(yè)控制器、傳感器、儀器儀表、數(shù)控機(jī)床等)的接入節(jié)點(diǎn)，向上可通過(guò)以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)等多種信道通過(guò)TCP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)至工業(yè)應(yīng)用，構(gòu)建工業(yè)設(shè)備與應(yīng)用之間的橋梁。

3)應(yīng)用表示層

工業(yè)監(jiān)控應(yīng)用通過(guò)微服務(wù)實(shí)現(xiàn)前后臺(tái)分離，應(yīng)用后臺(tái)作為MQTT消息的消費(fèi)者客戶端，訂閱特定topic的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)解析模板配置的方式，無(wú)需編程開發(fā)，按照模板即可對(duì)訂閱的數(shù)據(jù)解析入時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的持久化。同時(shí)時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)配置Retention Policy，即數(shù)據(jù)保存策略，設(shè)置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間、存儲(chǔ)備份數(shù)等參數(shù)，保障不同數(shù)據(jù)可以按需保存，定期清理過(guò)期數(shù)據(jù)，防止溢出硬件存儲(chǔ)能力。應(yīng)用前臺(tái)主要有兩種模式，一種是通過(guò)AJAX輪詢等方式，實(shí)時(shí)通過(guò)圖表等方式可視化展現(xiàn)最新的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為企業(yè)決策者多維度、多形態(tài)地展示參考；另一種針對(duì)專業(yè)工程師或設(shè)備操作員，模擬產(chǎn)線構(gòu)建圖形組態(tài)，提供HMI(人機(jī)交互)界面，使得操作員可以根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題，在線通過(guò)界面遠(yuǎn)程操作并修正設(shè)備。在反控設(shè)備時(shí)，通常由應(yīng)用后臺(tái)作為HTTP RESTful請(qǐng)求的客戶端，將操作指令或配置參數(shù)封裝在請(qǐng)求體，向網(wǎng)關(guān)或者支持HTTP的設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求，用戶操作全程對(duì)設(shè)備信息無(wú)感知，所有的請(qǐng)求方式、請(qǐng)求參數(shù)以及觸發(fā)條件均在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)預(yù)先配置完成。

3 結(jié)果驗(yàn)證

本文以某大型工業(yè)企業(yè)智能皮帶糾偏應(yīng)用為驗(yàn)證背景，基于第2節(jié)中所介紹的系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建在皮帶糾偏應(yīng)用中關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的監(jiān)控應(yīng)用，分別驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和異常捕獲及云化控制能力。

如圖3所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控應(yīng)用依托于皮帶糾偏網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控流程，主要由MEC服務(wù)器中部署的組件保證應(yīng)用的正常工作及功能驗(yàn)證(圖2中所示的模塊除設(shè)備均部署在MEC內(nèi))，MEC外的組件主要用來(lái)保證設(shè)備和工控系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)的連接，流程中各模塊簡(jiǎn)介如下。

圖3 皮帶糾偏網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控流程

1)糾偏設(shè)備：由兩臺(tái)皮帶糾偏電機(jī)及傳感器組成，通過(guò)兩臺(tái)工業(yè)IO設(shè)備進(jìn)行modbus(工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，并且現(xiàn)在是工業(yè)電子設(shè)備之間常用的連接方式)信號(hào)傳輸，與工業(yè)IO通過(guò)有線連接，糾偏操作通過(guò)部署在MEC的云化PLC控制；

2)工業(yè)IO：承擔(dān)工業(yè)信號(hào)的輸入/輸出，輸入指從儀表進(jìn)入控制系統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)，輸出指從控制系統(tǒng)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參量；

3)工業(yè)交換機(jī)：承擔(dān)工業(yè)IO與DTU之間的通信，與二者均通過(guò)有線連接；

4)5GDTU：5G數(shù)據(jù)傳輸單元(5G Data Transfer Unit)，是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線終端設(shè)備，系統(tǒng)采用聯(lián)通的“先鋒者2號(hào)”產(chǎn)品，提供工業(yè)控制接口，集成通用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，可以快速為行業(yè)用戶提供5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入能力；

5)5G宏站：與MEC服務(wù)器通過(guò)光纜連接，提供其對(duì)外界的5G無(wú)線通信能力；

6)MEC：即邊緣計(jì)算服務(wù)器，部署了云化PLC(集成了網(wǎng)關(guān))、MQTT代理、監(jiān)控應(yīng)用以及時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)(采用influxDB)。

3.1 可行性驗(yàn)證

“先鋒者2號(hào)”在測(cè)試環(huán)境中IP為10.250.2.143，結(jié)合其支持端口映射的特性，將兩臺(tái)工業(yè)IO的業(yè)務(wù)端口502、503分別映射到“先鋒者2號(hào)”設(shè)備的10.250.2.143:502和10.250.2.143:503，實(shí)現(xiàn)分別控制兩臺(tái)糾偏電機(jī)。本應(yīng)用主要監(jiān)測(cè)兩個(gè)點(diǎn)位的網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延，一個(gè)是控制端(即MEC中的監(jiān)控應(yīng)用)到“先鋒者2號(hào)”的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)延(以`xianfengzhe2`表示)，另一個(gè)是控制端到糾偏設(shè)備的端到端時(shí)延(以`time_delay`表示)。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延數(shù)據(jù)的采集方式通過(guò)部署在MEC中的shell腳本，使用tcping命令定時(shí)分別ping“先鋒者2號(hào)”的100、502、503端口(日志信息如圖4所示)，其中100代表控制端到“先鋒者2號(hào)”的時(shí)延，即`xianfengzhe2`，502、503則分別代表控制端到兩臺(tái)糾偏設(shè)備的端到端時(shí)延。該shell腳本在捕獲時(shí)延數(shù)據(jù)之后，會(huì)將其拼接成如圖5的數(shù)據(jù)格式，發(fā)布到MQTT特定topic。

圖4 日志信息

圖5 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延數(shù)據(jù)

監(jiān)控應(yīng)用作為消費(fèi)者客戶端，訂閱該topic實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，并解析入influxDB時(shí)序庫(kù)，同時(shí)監(jiān)控應(yīng)用會(huì)對(duì)目標(biāo)庫(kù)進(jìn)行AJAX輪詢，一旦有數(shù)據(jù)增量，便實(shí)時(shí)同步至前臺(tái)展示，監(jiān)控效果圖如圖6所示，其中藍(lán)線表示控制端到兩臺(tái)設(shè)備通信的端到端時(shí)延(time_delay)，紅線表示控制端到“先鋒者2號(hào)”時(shí)延(xianfengzhe2)。需要注意的是，xianfengzhe2理論上應(yīng)該小于time_delay，但由于實(shí)際情況中，“先鋒者2號(hào)”為設(shè)備數(shù)據(jù)提供5G無(wú)線接入傳輸能力，而xianfengzhe2的意義則是驗(yàn)證5G網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備和終端間是否可用，即當(dāng)其有正常數(shù)值時(shí)表示5G接入網(wǎng)絡(luò)正常可用，當(dāng)其值為‘-1’時(shí)表示5G接入網(wǎng)絡(luò)連接已斷開。圖6中偶爾出現(xiàn)的xianfengzhe2>time_delay的情況是由于兩個(gè)時(shí)延數(shù)據(jù)采集的shell腳本分別獨(dú)立運(yùn)行，為了驗(yàn)證5G網(wǎng)絡(luò)可用，xianfengzhe2的獲取需要加上接收回傳響應(yīng)信息所需的時(shí)延，而time_delay是直接的單向通信時(shí)延。

圖6 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延實(shí)時(shí)監(jiān)控

由于influxDB有豐富的統(tǒng)計(jì)函數(shù)庫(kù)，同時(shí)支持以時(shí)間維度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性統(tǒng)計(jì)報(bào)表。以2021.2.21～2021.2.25期間全天實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為例，得到的統(tǒng)計(jì)信息如表2所示，設(shè)備管理者可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)得知網(wǎng)絡(luò)的狀況，進(jìn)而判斷是否會(huì)影響設(shè)備正常工作。由于“先鋒者2號(hào)”主要起了5G網(wǎng)絡(luò)接入的能力，`xianfengzhe2`字段所示時(shí)延無(wú)較大意義，只為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接是否正常，端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能是重要監(jiān)控指標(biāo)，如果網(wǎng)絡(luò)發(fā)生閃斷(通信狀態(tài)timeout，`time_delay`表示為`-1`)，可快速重連。

表2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延重要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.2 異常捕獲及云化控制能力驗(yàn)證

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延超過(guò)100ms將對(duì)皮帶糾偏產(chǎn)生滯后影響，容易導(dǎo)致生產(chǎn)事故，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大于100ms時(shí)，需要監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定策略，觸發(fā)云化PLC反控糾偏設(shè)備的糾偏開關(guān)調(diào)整為延時(shí)糾偏模式(參數(shù)為JP_MODE:02)，直到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延恢復(fù)正常，再控制糾偏開關(guān)回到正常模式(參數(shù)為JP_MODE:01)。正常模式下，現(xiàn)場(chǎng)的視頻攝像頭收集皮帶偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏判斷、物料識(shí)別和調(diào)整糾偏力度控制。高通信時(shí)延作為該場(chǎng)景下存在的影響正常糾偏的主要因素，影響圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、解析和響應(yīng)，延時(shí)糾偏模式因此被設(shè)計(jì)用來(lái)保障在時(shí)延過(guò)大時(shí)仍能確保皮帶的正常工作，其核心設(shè)計(jì)思路是暫時(shí)不根據(jù)圖像響應(yīng)判斷糾偏程度和力度，而通過(guò)機(jī)械控制的液壓桿維持皮帶穩(wěn)定，保證物料不掉落，待時(shí)延切回正常模式后，重新由糾偏開關(guān)控制糾偏電機(jī)進(jìn)行糾偏修復(fù)。

本節(jié)重點(diǎn)驗(yàn)證應(yīng)用的云化控制能力，即通過(guò)部署在MEC中的監(jiān)控應(yīng)用傳遞控制參數(shù)給同樣部署在MEC的云化PLC，進(jìn)而控制設(shè)備糾偏方式的轉(zhuǎn)變。由于云化PLC集成了支持HTTP RESTful接口訪問的云化網(wǎng)關(guān)(MEC內(nèi)網(wǎng)IP：172.16.0.21:48082)，因此在發(fā)生超高網(wǎng)絡(luò)時(shí)延時(shí)，由監(jiān)控應(yīng)用服務(wù)端向網(wǎng)關(guān)(與云化PLC集成)對(duì)應(yīng)的API PUT一個(gè)變更參數(shù)，使得云化PLC控制參數(shù)JP_MODE由01變更為02并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，通過(guò)其所在MEC依托的5G宏站向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送，位于現(xiàn)場(chǎng)的“先鋒者2號(hào)”負(fù)責(zé)接收該5G控制信號(hào)，經(jīng)由工業(yè)IO轉(zhuǎn)化為實(shí)際控制的電信號(hào)，通過(guò)工業(yè)線纜傳輸?shù)狡КF(xiàn)場(chǎng)端，伺服電機(jī)接收到電信號(hào)驅(qū)動(dòng)糾偏開關(guān)按延時(shí)糾偏模式進(jìn)行糾偏。整個(gè)響應(yīng)控制過(guò)程，用戶在用戶界面(監(jiān)控面板)是無(wú)感知的，為了方便驗(yàn)證，監(jiān)控系統(tǒng)提供了支持HTTP API訪問的測(cè)試功能。在網(wǎng)絡(luò)狀況正常時(shí)，如圖7所示，向該接口發(fā)送GET請(qǐng)求查詢當(dāng)前JP_MODE的值，可以看到響應(yīng)結(jié)果為01；在時(shí)延超過(guò)100ms時(shí)，如圖8所示，采用同樣的GET請(qǐng)求，響應(yīng)結(jié)果JP_MODE參數(shù)值變更為02。

圖7 正常網(wǎng)絡(luò)狀況下的糾偏參數(shù)

圖8 異常網(wǎng)絡(luò)狀況下的糾偏參數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文以傳統(tǒng)工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型為背景，針對(duì)設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控場(chǎng)景，基于云化控制、解析的理念提供了一套通用解決方案，并以實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景加以驗(yàn)證。該方案由5G和MEC驅(qū)動(dòng)，滿足了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，構(gòu)建了對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)多維度、多形態(tài)可視化展現(xiàn)并快速定位工控問題的能力，解決了海量工業(yè)應(yīng)用在數(shù)據(jù)維度智能化不足的問題。在可以預(yù)見的將來(lái)，隨著技術(shù)不斷成熟和場(chǎng)景的不斷優(yōu)化，云化的工業(yè)自動(dòng)化控制必將在工業(yè)智能化改造進(jìn)程中畫上濃墨重彩的一筆。