摘要：由于現(xiàn)代工業(yè)行業(yè)細分特別多，工業(yè)設備的工程信號有數(shù)百種之多，造成通訊協(xié)議成千上萬種，提高了組建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的難度，制約工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，文章提出一種基于邊緣計算網(wǎng)關(guān)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，可解決接入困難和分析困難等問題，提高工廠的信息管理水平，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化。

關(guān)鍵詞：邊緣計算；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；信息化

中圖分類號：TP393 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0065-03

1 概述

隨著市場競爭的日益激烈和制造業(yè)改革創(chuàng)新升級浪潮的推動下，傳統(tǒng)制造行業(yè)要想取得更高利潤和競爭力，單靠車間自動化生產(chǎn)和制度管理已站不穩(wěn)腳跟。制造行業(yè)急需一套全新的數(shù)據(jù)信息化為依據(jù)的科學管理理念，幫助企業(yè)提質(zhì)增效、降本節(jié)能，同時也對設備提出更高的技術(shù)要求。本研究從設備的數(shù)據(jù)信息化管理入手，設計一種基于邊緣計算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。

2 邊緣計算研究現(xiàn)狀

邊緣計算是在網(wǎng)絡邊緣執(zhí)行計算的一種新型模型，最早由美國卡內(nèi)基梅隆大學的 Satyanarayanan教授在文獻[1]中把邊緣計算描述為：“邊緣計算是一種新的計算模式， 這種模式將計算與存儲資源（例如：Cloudlet、微型數(shù)據(jù)中心或霧節(jié)點等）部署在更貼近移動設備或傳感器的網(wǎng)絡邊緣?！泵绹f恩州立大學的施巍松等人[2-3]把邊緣計算定義為：“邊緣計算是指在網(wǎng)絡邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模式，邊緣計算中邊緣的下行數(shù)據(jù)表示云服務，上行數(shù)據(jù)表示萬物互聯(lián)服務，而邊緣計算的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計算中心路徑之間的任意計算和網(wǎng)絡資源。” 邊緣計算的物理范圍見圖1所示。

當前，邊緣計算的研究主要集中在移動邊緣網(wǎng)絡、霧計算、小云（cloudlets） 、邊緣云和體系結(jié)構(gòu)等方面。美國韋恩州立大學施魏松教授是國內(nèi)外邊緣計算研究的引領(lǐng)者，他從邊緣計算基礎、邊緣計算系統(tǒng)平臺和典型應用等多個方面對邊緣計算技術(shù)的研究給予了描述；文獻[3]從融合計算、緩存、通信角度對移動邊緣網(wǎng)絡做了介紹；文獻[4]介紹邊緣計算發(fā)展歷程，總結(jié)推動邊緣計算發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，說明6種典型應用，提出急需解決的6類問題；文獻 [5]從介紹邊緣計算的概念出發(fā)，比較了當前有代表性的３個邊緣計算平臺，并通過一些應用實例來分析邊緣計算在移動應用和物聯(lián)網(wǎng)應用上的優(yōu)勢；文獻[6]討論了邊緣計算能夠提供高效的網(wǎng)絡計算體系架構(gòu)，構(gòu)建網(wǎng)絡、計算、存儲和應用核心能力為一體的邊緣開放平臺，提供高效、低時延的近端用戶服務；文獻[7]介紹了邊緣計算范式的系統(tǒng)架構(gòu)與其他計算范式的關(guān)系。然后分析了當前邊緣計算中存在的安全威脅，并針對各種安全威脅探討了相應的安全技術(shù)問題；文獻[8]介紹了邊緣計算的概念、需解決的關(guān)鍵問題和研究進展，邊緣計算發(fā)展帶來的影響以及邊緣計算帶來的機遇和發(fā)展對策；文獻[9]闡述了邊緣計算中數(shù)據(jù)安全與隱私保護的研究背景，提出以數(shù)據(jù)安全為中心的研究體系架構(gòu)；文獻[10]通過對移動邊緣計算（MEC） 網(wǎng)絡的基本原理、應用場景，以及通信和計算的研究模型的闡述，提出了針對單用戶和多用戶 MEC 系統(tǒng)的綠色節(jié)能頻譜和計算資源綜合管理方案；文獻[11]闡述了面向物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算的概念和特征、應用情況、產(chǎn)業(yè)界動態(tài)和標準化情況等；文獻[12]提出基于邊緣計算采集工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方法，通過采用蜂窩網(wǎng)絡對生產(chǎn)裝備進行網(wǎng)絡化改造；利用邊緣網(wǎng)關(guān)對采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行解析、封裝和本地處理，實現(xiàn)邊緣云對數(shù)據(jù)進行分流；文獻[14]提出數(shù)字孿生技術(shù)面向工業(yè)領(lǐng)域的互聯(lián)互通及智能化應用，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁與紐帶作用，將在工業(yè)生產(chǎn)、視頻監(jiān)控、人機交互等方面提供更加實時、智能、高效的服務。本文利用邊緣計算的優(yōu)點，提出基于邊緣計算實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。

3 邊緣計算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)整體架構(gòu)

邊緣計算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)分為設備數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡層和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺三個部分組成。在設備數(shù)據(jù)采集層中，在聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)設備中加裝邊緣計算網(wǎng)關(guān)，對工業(yè)設備運行數(shù)據(jù)進行采集、分析和處理，并通過有線局域網(wǎng)絡LAN或I/O的方式上傳到部署于客戶機房的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺。用戶可通過電腦瀏覽器或手機App實時地監(jiān)控設備數(shù)據(jù)和操作透明工廠系統(tǒng)軟件，而MES/ERP/TPM等第三方系統(tǒng)可通過局域網(wǎng)訪問工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)私有化云平臺API接口，實現(xiàn)對數(shù)字工廠的設備數(shù)據(jù)的調(diào)用；同時，可通過API接口將部分業(yè)務數(shù)據(jù)寫入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)私有化云平臺。邊緣計算工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖2所示。

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺是一套包含終端系統(tǒng)、邊緣計算網(wǎng)關(guān)、混合云平臺、手機App（需開通外網(wǎng)）、第三方JSON數(shù)據(jù)接口、客戶端、梯形圖編程軟件、云組態(tài)在內(nèi)的端云一體化設備云操作系統(tǒng)。具有在各種物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、設備云、工業(yè)4.0、自動化工程中對數(shù)據(jù)的采集、遠程控制、異地服務、遠程編程、設備分析、報警故障、大數(shù)據(jù)和云計算等方面的功能。

其中服務器采用分布式大數(shù)據(jù)架構(gòu)，支撐海量的高速工業(yè)數(shù)據(jù)的存儲、分析和處理，服務器架構(gòu)圖如圖3 所示。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺體系安全級別較高，終端硬件無對外網(wǎng)接口，App采用微信小程序、操作日志可查、云服務器采用阿里云并享受支付寶同等安全保障、通信采用強加密非對稱加密編碼協(xié)議，無任何明文通信。

3.2 私有化平臺部署

為提高數(shù)據(jù)的安全性，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺采用私有化部署到客戶本地機房，所有設備數(shù)據(jù)均通過本地局域網(wǎng)絡直接上傳到部署于客戶機房的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺并進行數(shù)據(jù)存儲。

3.3 數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基于數(shù)據(jù)對設備進行信息化管理，而數(shù)據(jù)格式繁多，本設計的設備數(shù)據(jù)采集是在每臺需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的設備上加裝邊緣計算網(wǎng)關(guān)，對不同的數(shù)據(jù)進行采集，在邊緣端分析和處理，利用設備的串口/網(wǎng)口通信或I/O方式將采集的設備數(shù)據(jù)上傳到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)私有化服務器平臺。

現(xiàn)有設備中有網(wǎng)口通信、I/O通訊接口兩種形式。

針對具有網(wǎng)口通信的設備，邊緣計算網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)口通訊的方式，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)采集聯(lián)網(wǎng)。

針對I/O通信的設備，邊緣計算網(wǎng)關(guān)，通過I/O方式采集設備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)采集聯(lián)網(wǎng)。

4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的功能

通過邊緣數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸?shù)皆破脚_實現(xiàn)邊云協(xié)調(diào)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，實現(xiàn)透明工廠、數(shù)字駕駛艙等多種功能。

4.1 透明工廠功能

透明工廠是一套面向離散制造的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，在設備聯(lián)網(wǎng)基礎上，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的數(shù)字化，實時監(jiān)控設備運行狀態(tài)、設備加工產(chǎn)量、工單進度、設備關(guān)鍵參數(shù)、設備故障告警等。透明工廠系統(tǒng)軟件主要功能模塊包含數(shù)字駕駛艙、電子看板、計劃排單、數(shù)字工位、品質(zhì)管理、能源管理、報表管理、數(shù)據(jù)管理等。解決從生產(chǎn)前的科學計劃排單，生產(chǎn)過程中的實時管控、生產(chǎn)后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以及報表數(shù)據(jù)導出。通過客觀數(shù)據(jù)為生產(chǎn)、管理提供決策依據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程瓶頸，針對性進行持續(xù)優(yōu)化，提高設備稼動率、產(chǎn)品良品率，實現(xiàn)計劃可期、效率可見、工藝可控、質(zhì)量可溯的精益生產(chǎn)目標，達到降本節(jié)能、提質(zhì)增效的目的。

4.2 數(shù)字駕駛艙功能

數(shù)字駕駛艙主要是對數(shù)字工廠生產(chǎn)情況的匯總，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的展示，讓全廠生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)清晰透明，其具體包括設備生產(chǎn)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、數(shù)字工廠稼動率、良品率、OEE匯總數(shù)據(jù)以及故障告警數(shù)據(jù)等。

4.3 電子看板功能

電子看板主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)管理，實時監(jiān)控每臺設備運行情況，有異常時會出現(xiàn)紅色、黃色告警提醒現(xiàn)場管理人員及時處理，也可以通過短信或者電話方式分級提醒。實時展示設備生產(chǎn)工單產(chǎn)量、班次產(chǎn)量、日產(chǎn)量，生產(chǎn)節(jié)拍、工單進度、工單預計完成時間和稼動率等，可實現(xiàn)跨部門數(shù)據(jù)協(xié)同，可為科學排單提供數(shù)據(jù)支撐，可為前后工序提供協(xié)同提醒，實現(xiàn)高效銜接，提高協(xié)同效率。

4.4 計劃排單功能

計劃排單模塊實時查看每臺設備工單加工進度情況，生產(chǎn)計劃人員綜合設備運行情況以及銷售訂單交付情況，把ERP工單數(shù)據(jù)與設備關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)設備加工數(shù)據(jù)與工單的關(guān)聯(lián)。主要包括工單計劃產(chǎn)量數(shù)、生產(chǎn)理論節(jié)拍、實時工單產(chǎn)量、節(jié)拍、工單進度、預計完成時間等?？梢愿鶕?jù)工單完成進度進行排序，也可實現(xiàn)插單、掛單等操作。計劃排單模塊主要是根據(jù)設備實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)科學排單，提高設備利用率。

4.5 品質(zhì)管理功能

品質(zhì)管理主要包含兩個方面，一方面是對關(guān)鍵品質(zhì)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，超閾值預警，及時解決問題，減少不良品的產(chǎn)出，還可針對在后續(xù)環(huán)節(jié)對不良品生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行追溯。另一方面針對已經(jīng)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，在質(zhì)檢環(huán)節(jié)錄入不良品數(shù)量、不良品原因，再進行統(tǒng)計分析，持續(xù)性優(yōu)化，并輸出不良品報表。

4.6 能源管理功能

能源管理主要是工廠水電氣進行能源管控，統(tǒng)計分析、實現(xiàn)設備能耗與關(guān)聯(lián)生產(chǎn)，監(jiān)控單品能耗，做到成本的精細化管控。能源管理可嵌入生產(chǎn)中監(jiān)控生產(chǎn)能耗、待機能耗等，降低總能耗、單品能耗、班次能耗、日/月能耗、待機能耗、單品能耗等，實現(xiàn)管理節(jié)能，減少能源浪費，科學節(jié)能改造，降低能耗成本。

4.7 報表管理功能

報表管理主要對生產(chǎn)管理關(guān)注的數(shù)據(jù)表格化，按日查詢、導出。報表主要圍繞OEE的三類報表，生產(chǎn)報表主要包含每個機臺生產(chǎn)產(chǎn)量、班次產(chǎn)量、工單產(chǎn)量、運行時間、停機時間和稼動率。

停機分析報表主要包含每個機臺停機的時間、停機的原因匯總，可針對性追溯，持續(xù)性改善，從而減少停機次數(shù)和停機時間。

不良品分析報表主要包含每個機臺不良品數(shù)量、不良品的原因，可針對性追溯，持續(xù)性改善，從而減少不良品率。

4.8 數(shù)據(jù)管理功能

4.8.1 數(shù)據(jù)存儲

對車間設備上傳的數(shù)據(jù)進行存儲，數(shù)據(jù)存儲時間可按照客戶需求進行設定，當?shù)竭_數(shù)據(jù)存儲的設定時間后，超期的數(shù)據(jù)將會被覆蓋。在數(shù)據(jù)有效期內(nèi)，客戶可隨時通過數(shù)據(jù)曲線查看設備歷史數(shù)據(jù)，同時第三方系統(tǒng)可通過API接口調(diào)用設備歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備歷史數(shù)據(jù)追溯。

4.8.2 數(shù)據(jù)對接

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺開放API接口供第三方系統(tǒng)（MES、ERP、TPM等系統(tǒng)）獲取數(shù)據(jù)，第三方系統(tǒng)通過HTTPS協(xié)議訪問工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)私有化平臺數(shù)據(jù)接口，第三方軟件系統(tǒng)可通過json格式主動獲取工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)私有化平臺數(shù)據(jù)，包含實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

基于邊緣計算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)可大大提升企業(yè)生產(chǎn)管理信息化水平，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的透明化。并且可作為工廠信息化的底座，后續(xù)延展與APS排程、生產(chǎn)管理系統(tǒng)MES、智能倉儲系統(tǒng)WMS等進行數(shù)據(jù)交互。實現(xiàn)生產(chǎn)透明，高效協(xié)同、提高良品率、提高機臺稼動率、降低能耗、提升信息化水平。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2022-06-20

基金項目：湖南省教育廳科學研究項目（20C0867）

作者簡介：高見芳（1975—） ，男，湖南郴州人，副教授，碩士，研究方向為信息處理。