針織裝備云平臺的構建技術

汪松松， 彭來湖， 沈春婭， 胡旭東

(浙江理工大學 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術重點實驗室， 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)智能化服務的基礎平臺而迅速崛起[1-3]。現(xiàn)有的針織裝備制造企業(yè)在設計裝備控制系統(tǒng)時，一般尚未提供網(wǎng)絡接口，行業(yè)上也沒有統(tǒng)一的接口標準和通信協(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)應以工業(yè)以太網(wǎng)為主，配置OPC統(tǒng)一架構(OPC UA)互聯(lián)互通協(xié)議，但是此類網(wǎng)絡布局要求高，以中小企業(yè)為主的針織生產(chǎn)無法承擔工業(yè)網(wǎng)絡的高成本[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?；诖耍疚闹饕懻撛卺樋椥袠I(yè)實現(xiàn)互聯(lián)互通，設計針織裝備網(wǎng)絡通信層的網(wǎng)絡聯(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)庫技術提供信息服務的構建技術。

1 系統(tǒng)結構設計

針織裝備云平臺主要結合針織裝備信息交互和業(yè)務功能特點進行建設，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)需要應對多機型、接入端口多樣化等問題，因此結構務必要方便布網(wǎng)，又能兼容企業(yè)現(xiàn)役設備的多種接口，且成本要求低。

1.1 系統(tǒng)結構

不失一般性，針織網(wǎng)絡必須符合ISO/OSI通用架構，網(wǎng)絡層次如表1所示。針織裝備機聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)考慮設備接入、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)處理和信息服務等基本模塊[9-10]，其網(wǎng)絡結構如圖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)結構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)關接入互聯(lián)網(wǎng)絡；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)絡公關系統(tǒng)(ERP)、關系系統(tǒng)(CRM)、辦公服務(OA)等服務功能，該方式降低了企業(yè)建網(wǎng)和維護成本。

1.2 針織裝備接入設計

現(xiàn)役的針織裝備都沒有統(tǒng)一的物理接口，僅設置有串口(RS232)、串行總線(USB)等直連接口，作為電控系統(tǒng)調(diào)試和設置用。當前有線和無線工業(yè)網(wǎng)絡模塊廣泛投入物聯(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)關轉化為互聯(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。

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)，也應配置互聯(lián)網(wǎng)轉化網(wǎng)關。

2 網(wǎng)絡層通信設計

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

2.1 網(wǎng)絡結構

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。中心節(jié)點布局有線接入企業(yè)網(wǎng)絡，最后通過外網(wǎng)接入云端。網(wǎng)絡組建如圖2所示。

圖2 機聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡結構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行統(tǒng)一轉發(fā)，并對數(shù)據(jù)通信內(nèi)容進行存儲與回放，為上層網(wǎng)站系統(tǒng)(WEB)、管理系統(tǒng)、應用程序(APP)等提供數(shù)據(jù)服務。

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)絡互聯(lián)互通協(xié)議能廣泛應用。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OPC UA為代表的重量級互聯(lián)互通技術和以消息隊列遙測傳輸(MQTT)為代表的輕量級通信技術并不能直接應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)議的基礎標配，在該云平臺設計中，在TCP基礎上設計應用層針織裝備互聯(lián)互通協(xié)議，以適應圓緯機、橫機、經(jīng)編機與云平臺服務器間的通信需求。

基于穩(wěn)定的TCP握手協(xié)議基礎，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器傳送數(shù)據(jù)包和相關即時指令，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行相互授權，通信線路心跳保活，以保障針織數(shù)據(jù)安全、通暢。

裝備數(shù)據(jù)監(jiān)測：服務器訂閱針織終端數(shù)據(jù)服務后，針織裝備按相應工作頻率實時發(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。

裝備遠程控制：數(shù)據(jù)下行管理是針織裝備遠程控制的基礎。通過設置針織裝備參數(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)對針織裝備遠程維護。

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)進行編碼，每個參數(shù)塊中留有擴展空間。在實際應用中，各企業(yè)可對操作業(yè)務進行個性化補充與裁剪，并設計規(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。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屬性及其子組件，針織裝備信息模型總體結構如圖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構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)結構表Tab.4 Order information data structureTable

3 云平臺設計

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

圖5 針織服務器集群結構Fig.5 Knitting server group structure

云平臺對上要給MES、ERP等云應用提供可靠的數(shù)據(jù)服務功能，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器和西門子、阿里物聯(lián)網(wǎng)套件等專有云，提供服務(PAAS)功能平臺和專用數(shù)據(jù)庫服務器。

針織裝備連接到云平臺，云平臺上架構數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和MES管理服務器，為企業(yè)生產(chǎn)和裝備廠家提供服務，并促進企業(yè)內(nèi)各種資源云端化、信息共享和優(yōu)化配置，以促進資源增值增效。統(tǒng)一云平臺屏蔽資源異構性，按需取用資源，使針織管理業(yè)務在云平臺上互聯(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)揮服務器多核中央處理器(CPU)的性能，針織數(shù)據(jù)采集服務器需要支持多進程多任務。開啟一個主進程和多個子進程對針織終端提供服務，主進程負責進程管理，通過套接子程序接口(socket)監(jiān)控子進程，子進程獨自監(jiān)聽網(wǎng)絡連接終端(client)并收發(fā)及處理數(shù)據(jù)，進程模型簡單，使得服務器軟件更加穩(wěn)定、高效，數(shù)據(jù)采集服務器基本結構如圖6所示。

圖6 針織裝備數(shù)據(jù)采集服務器結構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，需要服務器進行判別處理。另外，受網(wǎng)絡異構的協(xié)議轉換差異和網(wǎng)絡干擾、入侵等影響，數(shù)據(jù)預先需要清洗和轉化，針對上層企業(yè)管理MES、ERP也要進行業(yè)務預處理。

3.2 云存儲結構

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系數(shù)據(jù)。而MES、ERP等用戶應用數(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)服務部分采用關系數(shù)據(jù)庫來存儲Hadoop集群中已整理好的業(yè)務關系數(shù)據(jù)，以減少存儲重復數(shù)據(jù)，提高利用率；針對查詢功能的數(shù)據(jù)表設計時考慮查詢速度，設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)，以提高云平臺應用服務的查閱速度；歷史數(shù)據(jù)庫則主要供云平臺做大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析應用；業(yè)務類則供云平臺應用完成相關管理服務。數(shù)據(jù)表的設計做到動靜分離，實時查詢優(yōu)先調(diào)度。

圖7 針織裝備云數(shù)據(jù)庫結構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)務類表等。針織裝備關系數(shù)據(jù)庫中各實體間存在一對一(1∶1)、一對多(1∶N)的關系，主要實體-關系(E-R)圖如圖8所示。

3.3 云服務功能

典型的云服務以針織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，設計實用可靠的針織MES功能是云服務平臺開發(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

采用阿里云基礎平臺，開發(fā)針織裝備云服務數(shù)據(jù)交互與處理服務軟件，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/服務器(B/S)的MES云服務和手機系統(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)及時傳輸給云服務器并進行處理，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)，并設定為首頁，包括設備狀態(tài)(運行、停車、維護、故障、報警、關機等6大類)、裝備機號、實時產(chǎn)量/預設產(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)量進行統(tǒng)計分析，以識別影響針織生產(chǎn)的關鍵要素，獲得改進方案；設備管理則主要面向針織裝備維護人員與設備廠商，實現(xiàn)針織裝備的保養(yǎng)維護、參數(shù)設置等功能。

針織裝備終端將狀態(tài)與運行參數(shù)及時傳輸給云服務器并進行處理，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 論

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

1)提出了一種針織裝備機聯(lián)網(wǎng)結構，可應對多機型、接口多樣化等特點，采用數(shù)據(jù)網(wǎng)關，兼容企業(yè)現(xiàn)役設備的多種接口，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。

3)設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。