基于三層網(wǎng)絡架構的管樁生產(chǎn)控制系統(tǒng)

陳翅剛，程良倫

(廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣州 510006)

基于三層網(wǎng)絡架構的管樁生產(chǎn)控制系統(tǒng)

陳翅剛，程良倫

(廣東工業(yè)大學 自動化學院，廣州 510006)

針對傳統(tǒng)管樁生產(chǎn)過程實時性差、數(shù)據(jù)通信速率低，數(shù)據(jù)易丟失性、系統(tǒng)不穩(wěn)定等特點，設計基于三層網(wǎng)絡架構的管樁生產(chǎn)控制系統(tǒng)。通過PLC、MCU等處理器對現(xiàn)場設備進行有效控制，應用RFID射頻、現(xiàn)場總線、數(shù)據(jù)庫等相關技術，將設備狀態(tài)與控制信息通過監(jiān)控網(wǎng)絡實現(xiàn)實時遠程監(jiān)控。通過測試和實際運行，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信速率和實時性大為提高，數(shù)據(jù)易丟失性問題消除，運行穩(wěn)定，達到了設計要求。

三層網(wǎng)絡架構; 數(shù)據(jù)通信; 控制系統(tǒng)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)[1-4]是新一代信息技術的重要組成部分,是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上通過射頻識別(RFID)[5]、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)[6]、激光掃描[7]等信息傳感設備，按約定的協(xié)議擴展和延伸上的網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)通過物與物，人與物，人與人之間進行廣闊的信息交互與通信，在國防、工業(yè)、公共安全、城市管理、智能家居、智能交通和環(huán)境監(jiān)測等領域擁有廣闊的應用前景。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的拓展和創(chuàng)新，國內(nèi)外業(yè)界人士都將發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)視為新的技術創(chuàng)新點和經(jīng)濟增長點。物聯(lián)網(wǎng)信息化已成為當代國家和企業(yè)獲取競爭優(yōu)勢不可或缺的途徑之一，特別是應用物聯(lián)網(wǎng)信息技術再造的變革為企業(yè)經(jīng)濟效益帶來巨大實惠。美國政府在2008年將物聯(lián)網(wǎng)列為未來振興美國經(jīng)濟的兩大重點之一，建立了EPCGlobal[7]物聯(lián)網(wǎng)架構，并在電力能源領域大力推廣物聯(lián)網(wǎng)終端。多年以來自動化行業(yè)對傳統(tǒng)制造業(yè)領域做了大量的工作，自動化水平有極大的提升，特別是對管樁生產(chǎn)的自動化過程；然而面對新一代智能制造的要求，現(xiàn)有的制造業(yè)水平遠遠不能滿足其信息化，管理便捷化，作業(yè)流程化的要求，必須從一個全新的戰(zhàn)略高度來構建一個安全、穩(wěn)定、可靠、實用的制造物聯(lián)網(wǎng)平臺。目前有很多關于物聯(lián)網(wǎng)在具體行業(yè)的應用報道，如文獻[8]通過對國內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究狀況的分析將物聯(lián)網(wǎng)技術融入農(nóng)業(yè)自動化、信息化生產(chǎn)中；文獻[9]從藥品領域、遠程監(jiān)護、醫(yī)療信息化、醫(yī)療設備管理等方面系統(tǒng)的論述了物聯(lián)網(wǎng)技術在醫(yī)療行業(yè)的具體應用框架。但是絕大多是處于學者研究探討階段，很少有具體應用實例。

預應力管樁[10-12]是建材行業(yè)的一個新興產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)流程繁多，數(shù)據(jù)處理量大，傳統(tǒng)系統(tǒng)存在通信速率低，實時性差、系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，經(jīng)常需要停機檢查、數(shù)據(jù)保存時間短，導致數(shù)據(jù)統(tǒng)計缺失嚴重等缺陷。

針對上述情況，采用物聯(lián)網(wǎng)的三層網(wǎng)絡架構，結合射頻識別技術、現(xiàn)場總線和數(shù)據(jù)庫等相關技術對管樁生產(chǎn)過程實行遠程控制。

1 網(wǎng)絡架構分析

分析整體管樁生產(chǎn)流程架構，面向管樁生產(chǎn)過程的制造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結構上必須包含感知層，網(wǎng)絡層，和應用層；功能上應貫穿信息采集、信息傳輸、信息集成和信息決策，最終形成綠色節(jié)能環(huán)保、界面友好、資源高度優(yōu)化配置的管樁生產(chǎn)制造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

目前基于管樁生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)終端采集存在極大的盲區(qū)，對數(shù)據(jù)的動態(tài)采集基本處于人工手抄狀態(tài)，比如管樁生產(chǎn)流程中的養(yǎng)護池溫度每隔30分鐘要人工抄寫一次溫度，下料過程同樣是每隔幾十分鐘需要人工抄寫幾種配料的重量。如此，導致無法對整個管樁生產(chǎn)信息進行實時采集與決策，系統(tǒng)內(nèi)部存在諸多信息孤島。整個生產(chǎn)流程每個工藝流程點信息孤立，并且信息流通單向，無法形成有效反饋補償控制，整體信息割裂無法形成有效的有機信息整體。

搭建面向管樁生產(chǎn)過程的制造物聯(lián)網(wǎng)架構，其目的在于有效的利用物聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)中的應用架構，形成全面感知、全方位信息聚集和決策的多任務，上下層雙向互動的實時的面向管樁生產(chǎn)過程的管樁制造物聯(lián)網(wǎng)平臺，如圖 1所示。

圖1 信息網(wǎng)絡架構

結合物聯(lián)網(wǎng)通用網(wǎng)絡架構和管樁生產(chǎn)的不同生產(chǎn)階段的具體應用要求，面向管樁生產(chǎn)過程的制造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構由感知層、網(wǎng)絡層和應用層組成。

(1)感知層

感知層位于物聯(lián)網(wǎng)的最底層，主要由傳感器等器件組成網(wǎng)絡。網(wǎng)絡通過RFID射頻技術、條型碼、工業(yè)現(xiàn)場總線、藍牙、紅外感應器等短距離傳輸技術，采集管樁生產(chǎn)內(nèi)部和外部的各類信息數(shù)據(jù)。涵蓋范圍包括管樁生產(chǎn)設備工作狀態(tài)參數(shù)(編籠設備、下料設備、張拉設備、離心設備、養(yǎng)護設備、蒸養(yǎng)設備、節(jié)拍、大屏幕設備和RFID設備)、管樁物流信息、工廠內(nèi)部車輛、工人、外來人員、外來車輛等的信息?，F(xiàn)場采集的信息通過無線傳感網(wǎng)絡相關處理器的信息預處理接入感知終端用于互動的交互操作，實現(xiàn)信息的雙向流動。

(2)網(wǎng)路層

網(wǎng)絡層技術主要用于解決各種管樁生產(chǎn)過程中的現(xiàn)場有線和無線RFID傳感器和控制信息全識別，其統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實現(xiàn)人與物、物與物的高速互聯(lián)互通，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用，易于開發(fā)應用層的中間件軟件模塊。管樁生產(chǎn)過程的網(wǎng)絡層由無線局域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)組成最終接入互聯(lián)網(wǎng)。

(3)應用層

應用層是對物品感知和控制信息的識別、控制和管理的應用。應用層則解決了管樁生產(chǎn)過程的信息處理和可視化顯示的問題。系統(tǒng)應用層結合生產(chǎn)過程中的感知信息，將計算機技術同現(xiàn)代化管理手段相結合，最大限度地提高管理效率，變被動式管理為主動式管理。

2 關鍵技術應用

2.1 EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)應用

管樁生產(chǎn)過程相對復雜、工序繁多，管樁生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)傳輸實效性顯得尤為重要。

EtherCAT協(xié)議處理直達I/O層，單一系統(tǒng)即可涵蓋所有設備的IO，傳感器等相對于傳統(tǒng)工業(yè)總線EtherCAT的傳輸速度高，有效數(shù)據(jù)率可達90%以上等特點完全滿足系統(tǒng)各方面的性能要求。一個EtherCAT數(shù)據(jù)幀包含若干子報文，每個報文都服務于一塊邏輯郵箱過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，這個內(nèi)存區(qū)域由FMMU寄存器和SM寄存器定義。EtherCAT數(shù)據(jù)幀頭位16位，其中11位為長度，1位為保留位，4位為類型。

系統(tǒng)主從站數(shù)據(jù)交換包括周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)形式，兩種方式在任何時間可以訪問該方式定義的內(nèi)存，更新數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)由Sync-Manger寄存器來定義，程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程圖

主站需要配置相應的配置文件：

幀頭定義

從站信息讀取

從站數(shù)據(jù)定義

從站數(shù)據(jù)初始化

... ...

2.2 MCU與Beckhhoff的從站通信

協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信時主機按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式給從機發(fā)送一系列的數(shù)據(jù)信息和控制命令，從機接收到主機發(fā)過來的信息后，對信息進行解碼，命令執(zhí)行后，在根據(jù)規(guī)定的方式進行應答。系統(tǒng)通過自由串行協(xié)議完成從站與主站Beckhoff的通信。圖3是MCU與Beckhoff的數(shù)據(jù)通信模式。

圖3 MCU與Beckhoff的數(shù)據(jù)通信模式

MCU提供自由串行通信支持，主機讀取其內(nèi)部寄存器Databuffer，MCU內(nèi)部自帶命令控制，主機只需發(fā)送命令，從站響應完成應答后即可完成一次正常通信，通過在Bechkoff內(nèi)編寫協(xié)議通信程序?qū)CU內(nèi)部的相應的控制寄存器進行讀寫。協(xié)議標準數(shù)據(jù)以8位寄存器的方式進行傳輸，一共可定義255種數(shù)據(jù)內(nèi)容，通信時按照先接收高位再接收低位的方式進行。根據(jù)實際需要255個命令拆分成數(shù)據(jù)格式與命令格式，部分16位的數(shù)據(jù)必須連續(xù)傳輸2次，24位的數(shù)據(jù)必須連續(xù)傳輸3次才能完成一次數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸必須按照先接收高字節(jié)后接收低字節(jié)的形式，避免數(shù)據(jù)混亂，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)格式

2.3 XML關系數(shù)據(jù)庫設計

1. XML數(shù)據(jù)讀取與保持功能設計

函數(shù)定義：

fbXmlSrvReadByName :FB_XmlSrvReadByName;

fbXmlSrvWriteByName :FB_XmlSrvWriteByName;

…

文件存放路徑：

sFilePath :T_MaxString

:='Hard DiskftpFile.xml';

數(shù)據(jù)讀取fbXmlSrvRead：

fbXmlSrvRead(pSymAddr:=ADR(value), cbSymSize:=SIZEOF(value), sFilePath:=sFilePath,sXPath:=sXPath, bExecute:=bLoad);

數(shù)據(jù)寫入fbXmlSrvWrite：

fbXmlSrvWrite(nMode:=XMLSRV_ADDMISSING, pSymAddr:=ADR(value),

cbSymSize:=SIZEOF(value), sFilePath:=sFilePath,sXPath:=sXPath, bExecute:=bSave);

2. XML文件格式與內(nèi)容定義

… …

2.4 RFID電子標簽信息過濾

使用關系模式與XML文件結合的方式可以解決電子標簽中數(shù)據(jù)格式改變的問題，描述信息的可讀寫電子標簽信息的結構不適合用簡單二維表定義，但采用這種結構需要根據(jù)電子標簽數(shù)據(jù)的格式進行變動的數(shù)據(jù)壓縮或擴展。各功能對應的信息過濾標準XML文件需要單獨設計。創(chuàng)建各個功能對應的過濾標準XML文件后，需要在數(shù)據(jù)庫中另外建立一個關系表維護特定功能與過濾標準XML文件的對應關系。

圖4 信息過濾

圖4 中顯示了RFID功能塊的過濾過程，當RFDI功能塊需要讀取或?qū)懭腚娮訕撕灁?shù)據(jù)時，必須從信息過濾表中獲取相應的XML文件的位置信息，然后RFID系統(tǒng)才可以訪問該文件的過濾信息。

2.5 與傳統(tǒng)模式對比

圖5中系列2代表本系統(tǒng)，系列1代表傳統(tǒng)模式。

圖5 效能對照圖

3 結束語

基于三層網(wǎng)絡架構的系統(tǒng)通過引入工業(yè)以太網(wǎng)技術和數(shù)據(jù)庫技術能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及數(shù)據(jù)傳輸速率高速靈活，從而能夠快速準確的實現(xiàn)管樁的下料生產(chǎn)，該系統(tǒng)的研究對于管樁生產(chǎn)中減少人工勞動，減少機器運輸時間、降低成本、提高自動化水平具有重要的理論與實際意義。

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(編輯 趙蓉)

Pipe Piles Production Control System Based on Three-layer Network Architecture

CHEN Chi-gang , CHENG Liang-lun

(Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006，China)

Being directed against the features such as the low efficiency of real-time during the production of the pile piles, low rate of data communications, data easy being lost and the instability of the system. This design is based on three-layer network architecture of the pile piles production system. The effective control of the field devices of the processing unit of PLC and MCU together with the applying to RFID，fieldbus and database such regarding technology, it realizes the real time remote monitor of the equipment status and control information via internet. Rate of the data communications and the real time efficiency has been improved greatly, the problem of losing data easily has been eliminated, also the system runs stable according to the final test and real motion,the design meets the requirements.

three-layer network architecture; data communication; control system

1001-2265(2014)06-0154-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.042

2013-10-22；

2013-11-23

陳翅剛(1989—)，男，江西永新人，廣東工業(yè)大學碩士研究生，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡的研究，(E-mail) chigangchen@qq.com。

TH16;TG65

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