黎 明，張云志，關(guān)大力，蔣 倩，劉建東

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)源集成是指通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)獲取自動化程度不同或控制系統(tǒng)不同的設(shè)備群的狀態(tài)信息并進行可視化的過程。

本文在對金屬熱成形件數(shù)字化車間進行異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)源集成的過程中，開展了B/S（瀏覽器/服務(wù)器模式）和C/S（客戶端/服務(wù)器模式）混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境技術(shù)、異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及制造數(shù)據(jù)源可視化技術(shù)的研究與應(yīng)用。針對金屬熱成形生產(chǎn)現(xiàn)場，存在著設(shè)備節(jié)點、人工操作節(jié)點等諸多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，分析各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及所在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的特征，建立兼容各類節(jié)點以及各類通信網(wǎng)絡(luò)類型的數(shù)據(jù)源采集平臺，實現(xiàn)制造過程數(shù)據(jù)實時采集，達到實時感知制造現(xiàn)場狀態(tài)的目的。采集得到的數(shù)據(jù)源，統(tǒng)一存儲在現(xiàn)場數(shù)據(jù)服務(wù)器中，供現(xiàn)場實時顯示以及統(tǒng)計分析使用。

1 異構(gòu)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境建立設(shè)計

1.1 C/S 和B/S 模式相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

C/S 和B/S 是當(dāng)前信息系統(tǒng)中使用很廣泛的模式，兩者各有優(yōu)劣。C/S 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在安全性好、系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)交流速度快、容易維護、各節(jié)點開發(fā)具有很強的針對性以及良好的物理隔離特性等，其劣勢在于不容易移植、升級和擴展以及維護成本高等；而B/S 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于易擴展業(yè)務(wù)功能、具有分布性特點、可以同步更新、共享性強等，其劣勢主要在于安全性差、缺乏個性化功能以及數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等[1]。

基于C/S 和B/S 的特點，針對本文研究對象異構(gòu)設(shè)備的復(fù)雜性，在過程中打破常規(guī)的單一模式設(shè)計，采用C/S 和B/S 模式相結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過IO服務(wù)器布置于現(xiàn)場，構(gòu)建C/S 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集和兩層 （第1 層為IO 服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲單元，第2 層為中心服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲單元）數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余結(jié)構(gòu)；將數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析過程移植到Web 上，構(gòu)建B/S 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析系統(tǒng)，使操作人員無須安裝專門的客戶端軟件，只需打開瀏覽器就可以查看和分析數(shù)據(jù)，這樣不僅可以提高系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全性，還可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)越性[2]。

圖1 C/S 和B/S 混合體系架構(gòu)Fig.1 C/S and B/S hybrid system architecture

1.2 數(shù)據(jù)源通道架構(gòu)設(shè)計

在C/S 和B/S 混合網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，進行了數(shù)據(jù)源通道的設(shè)計。數(shù)據(jù)源通道如圖2所示，分為MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）層、中間件層和設(shè)備層3 層結(jié)構(gòu)。

圖2 數(shù)據(jù)源通道架構(gòu)Fig.2 Data source channel architecture

（1）MES 系統(tǒng)層。由消息隊列（Message queue，MQ）實時數(shù)據(jù)采集與存儲、實時數(shù)據(jù)解析與驗證、MQ Service配置管理、車間設(shè)備監(jiān)控配置管理、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)輸出等模塊組成[3]。

（2）中間件層。接收OPC/OPC UA協(xié)議數(shù)據(jù)，可通過消息分類、緩存以及路由等機制，為上層系統(tǒng)提供包括Socket、Web socket、Web service等形式在內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)，將接收的數(shù)據(jù)以多樣化的服務(wù)提供給上層系統(tǒng)。

（3）設(shè)備層。車間設(shè)備按照輸出協(xié)議分為兩類，分別為非OPC/OPC UA 協(xié)議設(shè)備和OPC/OPC UA 協(xié)議設(shè)備。對非OPC/OPC UA 協(xié)議設(shè)備，由易控（基于C#的信息化開發(fā)平臺）作為協(xié)議轉(zhuǎn)換工具，將非OPC/OPC UA協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OPC/OPC UA 協(xié)議數(shù)據(jù)輸出。

數(shù)據(jù)流與服務(wù)節(jié)點如圖3所示。消息中間件具備跨車間設(shè)備連接能力，從而在軟件和業(yè)務(wù)層面將設(shè)備I/O服務(wù)器功能規(guī)范化。并且系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源采集模塊具備跨服務(wù)連接能力，可提高系統(tǒng)整體服務(wù)能力的靈活性。

圖3 數(shù)據(jù)流與服務(wù)節(jié)點Fig.3 Data flow and service node

1.3 數(shù)據(jù)源實時性和有效性設(shè)計

數(shù)據(jù)源實時性和有效性設(shè)計包含日志功能設(shè)計、數(shù)據(jù)處理功能設(shè)計、數(shù)據(jù)鏈傳輸設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)查詢設(shè)計等。

（1）日志記錄功能負責(zé)記錄過程中通信會話數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)和其他需要記錄的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理功能負責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)源進行處理，例如，首先對數(shù)據(jù)進行緩存處理，當(dāng)接收到來自B/S模式端的請求后，提取相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送到B/S模式端。緩沖區(qū)如同一個容器，當(dāng)容器達到一定的量級之后，也就是當(dāng)緩沖區(qū)滿后，數(shù)據(jù)整體寫入數(shù)據(jù)庫中，用于歷史記錄查詢。這樣可以使實時消息不必經(jīng)過數(shù)據(jù)庫，避免了數(shù)據(jù)庫的資源浪費。

（3）數(shù)據(jù)鏈傳輸設(shè)計是設(shè)備層、中間件層和MES 系統(tǒng)層設(shè)計的關(guān)鍵，尤其是中間件層是面向兩端的，因此需要對Socket 通信進行改進，即區(qū)分來自不同層級的連接請求，將請求消息存儲在不同層級的消息隊列中，并將消息分發(fā)給對應(yīng)層級的處理節(jié)點進行處理。接收對應(yīng)層級處理節(jié)點返回的處理結(jié)果，并根據(jù)處理結(jié)果刪除消息隊列中對應(yīng)的請求消息，完成相應(yīng)動作[4]。

（4）由于來自于現(xiàn)場異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)異同性這一特點，采用定長通信協(xié)議（25 字節(jié)/幀）結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)源結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。基于此，數(shù)據(jù)源結(jié)構(gòu)由包頭、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址、根節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址、節(jié)點狀態(tài)、物理信道、節(jié)點、傳感器類型、相同類型傳感器ID、節(jié)點命令、節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)和包尾組成[5]。

（5）數(shù)據(jù)查詢設(shè)計是數(shù)據(jù)源實時性和有效性設(shè)計的重點。目前數(shù)據(jù)源實時交互系統(tǒng)通常采用計算升級和數(shù)據(jù)降級兩種方法。計算升級方法就是利用對CPU、計算機內(nèi)存等資源的合理分配，實現(xiàn)低響應(yīng)時間內(nèi)的精確查詢；而數(shù)據(jù)降級則是利用采樣、摘要以及略圖等方法，將大數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為小數(shù)據(jù)信息，在滿足設(shè)定分析結(jié)果精度的前提下，實現(xiàn)交互級響應(yīng)時間內(nèi)的查詢。因此在項目的實施過程中，本文采用近似查詢處理算法進行數(shù)據(jù)查詢設(shè)計。對采用近似查詢處理的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行架構(gòu)，過程中只需訪問源數(shù)據(jù)的部分段內(nèi)容，并且系統(tǒng)端可隨時終止查詢，進行下一輪交互。同時隨著查詢時間和頻次的增加，查詢結(jié)果逐漸趨于精確。另外，通過對歷史查詢數(shù)據(jù)分布的分析和學(xué)習(xí)，建立起適應(yīng)性查詢[6]。

2 生產(chǎn)現(xiàn)場異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)源獲取技術(shù)研究

數(shù)據(jù)源的異構(gòu)性使得對不同數(shù)據(jù)源的訪問非常困難，需要各種不同的方式和技巧，更為重要的是，數(shù)據(jù)的異構(gòu)性嚴重影響了不同應(yīng)用系統(tǒng)之間的通信協(xié)調(diào)，限制了應(yīng)用系統(tǒng)的適用范圍。因此，需要對制造現(xiàn)場異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲訪問技術(shù)進行研究，以提供有效的訪問異構(gòu)數(shù)據(jù)源的途徑。

2.1 數(shù)據(jù)源采集和處理的策略

在實施過程中，制定一個好的數(shù)據(jù)采集和處理策略很重要。異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)采集策略包括以下3 個方面：（1）根據(jù)異構(gòu)設(shè)備的狀態(tài)，嚴格制定采集數(shù)據(jù)點的數(shù)量以及采集類型；（2）對需要采集的數(shù)據(jù)點，按照實時性，從高到低的需求程度進行分檔處理，實時性要求較高的數(shù)據(jù)點，盡量縮短數(shù)據(jù)采集周期，反之則盡量延長采集周期；（3）采集到異常數(shù)據(jù)后，首先確認所獲取的異常數(shù)據(jù)屬于哪一類別，同時對異常數(shù)據(jù)進行分析，得到異常數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，設(shè)置第1檢測時間和第2 檢測時間，然后每間隔第1 檢測時間，將得到的異常數(shù)據(jù)和對應(yīng)分析結(jié)果按照異常數(shù)據(jù)所屬類別存入至數(shù)據(jù)庫中。若在第2 檢測時間內(nèi)，數(shù)據(jù)庫中該類別的異常數(shù)據(jù)的數(shù)量大于設(shè)定數(shù)量后，發(fā)出告警消息，進行相應(yīng)的處理[7]。

2.2 數(shù)據(jù)源采集方法的研究與實現(xiàn)

由于異構(gòu)設(shè)備間存在自動化程度和控制系統(tǒng)不同的情況，導(dǎo)致各設(shè)備的通信協(xié)議也會有不同的問題，所以需要針對不同的通信協(xié)議進行研究，實現(xiàn)數(shù)據(jù)以太網(wǎng)傳送，統(tǒng)一通信方式。而對于非自動化設(shè)備，則需要根據(jù)不同的設(shè)備數(shù)據(jù)采集情況，進行基于以太網(wǎng)傳感器硬件集成的研究，合理布置具有以太網(wǎng)接口的采集模塊，實現(xiàn)機械儀表數(shù)字化通信方式傳送。

2.2.1 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究

鑒于現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動化程度以及所采用的控制系統(tǒng)不同，帶來的通信協(xié)議也不同，這就增大了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的難度。需要針對不同的通信協(xié)議進行研究，將設(shè)備控制系統(tǒng)的通信方式轉(zhuǎn)換成TCP/IP Modbus方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)以太網(wǎng)傳送，統(tǒng)一通信方式，如對采用西門子S7 300 DP控制系統(tǒng)的設(shè)備應(yīng)用DP 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，對具有RS485 通信接口的設(shè)備采用RS485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊等，實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。實際處理過程如圖4所示。

圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)換過程Fig.4 Protocol conversion process

2.2.2 實現(xiàn)機械儀表數(shù)字化數(shù)據(jù)發(fā)送

現(xiàn)場有部分需聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為非自動化設(shè)備，需要根據(jù)不同的設(shè)備數(shù)據(jù)采集情況，進行基于以太網(wǎng)傳感器硬件集成的研究，合理布置具有以太網(wǎng)接口的采集模塊，實現(xiàn)TCP/IP Modubus 通信方式傳送。另外，針對機械儀表盤數(shù)字化提取困難這一問題，通過機器視覺處理，實時讀取機械儀表盤上的指針所在刻度位置，抓取數(shù)字信息，實時反饋采集結(jié)果。

2.2.3 數(shù)據(jù)源采集系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

如圖5所示，對現(xiàn)場設(shè)備（包括自動化設(shè)備和非自動化設(shè)備）建立信息化的數(shù)據(jù)鏈接關(guān)系，搭建數(shù)據(jù)采集硬件盒CBOX 和IO 服務(wù)器，實現(xiàn)運行過程智能化采集分系統(tǒng)，即對類型不同、分布無規(guī)則、獨立運行、信息隔絕、互不關(guān)聯(lián)和監(jiān)控管理困難的各種底層設(shè)備連成線、結(jié)成網(wǎng)，并以這種結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進行車間級、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化的集成監(jiān)測與管理。由于生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備來自于不同的廠商和制造于不同的年代，而這些缺乏統(tǒng)一標準的現(xiàn)場設(shè)備存在著技術(shù)檔次以及技術(shù)規(guī)范差異，體現(xiàn)到這些設(shè)備的數(shù)據(jù)源信息鏈接上，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)源信息鏈接標準的不一致，分為以下4 類。

圖5 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集盒及機械表盤識別Fig.5 Field data acquisition box and mechanical dial identification

（1）I/O 并行通信接口。主要用于進行設(shè)備的現(xiàn)場I/O 輸入輸出控制和狀態(tài)采集。

（2）RS232/485 接口。主要用于實現(xiàn)數(shù)控加工NC 程序、設(shè)備PLC 程序和各種參數(shù)的上/下加載、現(xiàn)場設(shè)備的幾何運動控制、過程控制以及I/O 控制與狀態(tài)采集等。

（3）現(xiàn)場總線接口。主要用于實現(xiàn)數(shù)控加工NC 程序、設(shè)備PLC 程序、各種參數(shù)的上/下加載及現(xiàn)場設(shè)備的幾何運動控制、過程控制、I/O 控制與狀態(tài)采集、數(shù)字化伺服系統(tǒng)的連接等。

（4）支持因特網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口。如TCP/IP、網(wǎng)間報文協(xié)議、ICMP和APP 等的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。

3 數(shù)據(jù)源IO 服務(wù)器技術(shù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)源IO 服務(wù)器系統(tǒng)的開發(fā)是利用信息化開發(fā)平臺易控天地豐富的軟件算法資源，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，來保證數(shù)據(jù)采集處理的快速性和安全性，同時兼顧后續(xù)處理簡捷性。并在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)中，植入數(shù)據(jù)容錯和數(shù)據(jù)訪問策略，其目的在于提高采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容錯能力，由于數(shù)據(jù)在被IO 服務(wù)器系統(tǒng)采集處理之前有可能出現(xiàn)各種錯誤，IO 服務(wù)器系統(tǒng)需根據(jù)數(shù)據(jù)的特點對這些錯誤進行糾正，對于無法糾正的錯誤，及時報警并保存，以便維護糾正[8]。

本文中涉及的設(shè)備有超塑成形設(shè)備、TAV 氣體擴散爐、熱成形設(shè)備、熱扭轉(zhuǎn)設(shè)備、熱校形設(shè)備、烘焙爐、井式爐、濕噴設(shè)備、砂帶磨和打磨機器人等。

將采集的數(shù)據(jù)項分為以下4 類。Ⅰ類：設(shè)備功耗工時參數(shù)，用于功率負荷、設(shè)備利用率計算。Ⅱ類：工藝參數(shù)設(shè)定信息，用于工藝分析、報警基準值。Ⅲ類：工藝過程采集記錄，用于代替操作工手動記錄、工藝分析。Ⅳ類：設(shè)備故障及報警信息，用于設(shè)備預(yù)防性維護報警。

對聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)的采集項及采集方法如表1～3 所示。

表1 超塑成形設(shè)備數(shù)據(jù)采集項及采集方法Table 1 Data collection items and collection methods of superplastic molding equipment

4 制造數(shù)據(jù)源可視化應(yīng)用研究

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)條件下，生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)不論在數(shù)據(jù)的豐富程度，還是在反饋及時性上均有很大程度提高，通過研究和應(yīng)用現(xiàn)場監(jiān)控及生產(chǎn)看板等技術(shù)，實現(xiàn)了一系列條理清晰、主次分明、重點突出的功能。通過異構(gòu)設(shè)備工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口技術(shù)、制造現(xiàn)場異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲訪問技術(shù)的研究，突破設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性及實時性的技術(shù)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能采集數(shù)據(jù)的要求，在此基礎(chǔ)上對生產(chǎn)現(xiàn)場進行監(jiān)控；針對自動采集的設(shè)備運行參數(shù)、故障信息、派工和完工信息等制造過程數(shù)據(jù)進行分析，開發(fā)各類生產(chǎn)電子看板，實現(xiàn)制造數(shù)據(jù)源可視化（圖6），運用可視化的形式對各項數(shù)據(jù)進行展示，促進生產(chǎn)線運用系統(tǒng)的持續(xù)改進，為管理者決策的準確性和指令下達的及時性提供了依據(jù)[9]。

圖6 可視化生產(chǎn)看板Fig.6 Visual production kanban

為了增強操作人員對真實環(huán)境下各設(shè)備加工狀態(tài)的理解和體驗，在制造數(shù)據(jù)源可視化開發(fā)過程中，本文提出了采用數(shù)字孿生增強現(xiàn)實技術(shù)，用計算機建立數(shù)學(xué)模型生成設(shè)備的虛擬體，實時反映真實環(huán)境下設(shè)備的各種狀態(tài)，包括坐標位置信息、幾何軸運動信息等。

數(shù)字孿生（DT）技術(shù)是集先進人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、人機工程技術(shù)及實時并行技術(shù)等為一體的綜合數(shù)據(jù)源集成技術(shù)。設(shè)備的數(shù)字孿生模型由3 個部分組成：（1）真實環(huán)境下的物理產(chǎn)品；（2）虛擬環(huán)境下的虛擬產(chǎn)品；（3）將虛擬和真實產(chǎn)品連接起來的數(shù)據(jù)源?；跀?shù)字孿生技術(shù)的車間設(shè)備幾何外形構(gòu)建技術(shù)已較為成熟，車間層MES 的興起也引發(fā)了生產(chǎn)過程中的大量設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)被收集和維護，如何實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維構(gòu)建與生成技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點，如設(shè)備特征結(jié)構(gòu)在線三維模型編輯環(huán)境、圖像數(shù)據(jù)驅(qū)動的人機工程以及現(xiàn)場三維場景實時變化等[10]。

表2 熱成形設(shè)備數(shù)據(jù)采集項及采集方法Table 2 Data collection items and collection methods of thermoforming equipment

表3 TAV 氣體擴散爐數(shù)據(jù)采集項及采集方法Table 3 Data collection items and collection methods of TAV gas diffusion furnace

在整個實施過程中，將3D Max、LightWave 等制作的3D 標準模型文件導(dǎo)入到易控天地信息化軟件平臺中，對3D 模型或者3D 對象進行分組，將其關(guān)聯(lián)到工程中的相關(guān)變量，實現(xiàn)工程運行時的動畫效果，通過這樣的方式，搭建起虛擬環(huán)境下的設(shè)備運動仿真，實現(xiàn)人機交互的現(xiàn)場實時狀態(tài)監(jiān)控。通過三維可視化監(jiān)控頁面，能夠?qū)φ麄€車間的設(shè)備狀態(tài)（開機、關(guān)機、故障等）、關(guān)鍵的工藝參數(shù)（氣體擴散爐溫度、氣壓、真空度等）進行實時監(jiān)控，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，該設(shè)備顏色變化/閃爍，屏幕窗口中會顯示與該故障對應(yīng)的相關(guān)內(nèi)容。用戶可以通過鼠標、鍵盤等外設(shè)進行漫游瀏覽操作。系統(tǒng)界面如圖7所示。

圖7 數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用Fig.7 Application of DT technology

5 結(jié)論

結(jié)合金屬件熱加工車間異構(gòu)設(shè)備的特點和具體需求，進行數(shù)字化車間異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)源集成設(shè)計，達到實時感知制造現(xiàn)場狀態(tài)的目的，從而實現(xiàn)精細化的車間管理。本文研究并實施的多類設(shè)備入網(wǎng)和數(shù)據(jù)源采集解決方案可以用于有數(shù)控設(shè)備、PLC設(shè)備等，以及非自動化設(shè)備的入網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集分析等。

隨著《中國制造2025》規(guī)劃的實施，將深度推進智能制造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，本文開拓了車間和生產(chǎn)線上實施智能制造技術(shù)的新途徑，所提出的數(shù)字化車間異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)源集成方法在異構(gòu)車間的制造過程管控中具有較高的推廣價值。