基于多協(xié)議物聯(lián)中間件的產(chǎn)線設(shè)備融合管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉燁 陳端迎 王剛 張國政

摘 ?要： 針對我國制造企業(yè)車間產(chǎn)線設(shè)備存在不同廠家、不同專業(yè)、不同協(xié)議的高端裝備之間，信息化應(yīng)用系統(tǒng)之間，以及高端裝備與信息化系統(tǒng)之間的集成難問題，進(jìn)行多協(xié)議物聯(lián)中間件與產(chǎn)線設(shè)備融合管控的關(guān)鍵技術(shù)研究、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、軟件代碼開發(fā)，實(shí)現(xiàn)車間信息化應(yīng)用系統(tǒng)、移動(dòng)設(shè)備、數(shù)控設(shè)備、智能設(shè)備、RFID設(shè)施、條碼設(shè)施等設(shè)備設(shè)施的聯(lián)網(wǎng)集成、數(shù)據(jù)采集、程序代碼管理、電子看板顯示等功能。在某造船企業(yè)數(shù)字化車間的成功應(yīng)用，證明基于多協(xié)議物聯(lián)中間件的產(chǎn)線設(shè)備融合管控系統(tǒng)能為數(shù)字化車間建設(shè)提供高效、可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞： 多協(xié)議物聯(lián)中間件; 異構(gòu)系統(tǒng)集成; 設(shè)備融合; 集中管控; RFID; 管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN876?34; TP311.52 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0127?05

Design and implementation of multiprotocol IoT middleware based management

and control system for production line equipments integration

LIU Ye1， CHEN Duanying1， WANG Gang2， ZHANG Guozheng1

（1. JARI Deep?Soft Technology Co.， Ltd.， Lianyungang 222006， China; 2. Shaanxi Electronic Technology Research Institute， Xian 710032， China）

Abstract： The production line equipment of manufacturing enterprise workshop is difficult to integrate the high?end equipments with different manufacturers， different specialties and different protocols， information application systems， and high?end equipments and information systems. Therefore， the key technology of multiprotocol IoT middleware and production line equipments integration management are researched， the system functions are designed， and the software code is developed. The functions of networking integration， data acquisition， procedure code management， electronic display board of workshop information application system， mobile device， CNC device， intelligent device， RFID facility and barcode facility are realized. The system was successful applied in a shipbuilding enterprise′s digital workshop， which proved that the multiprotocol Internet of Things middleware based management and control system of production line equipments integration on can provide the efficient and reliable solution for the construction of digital workshop.

Keywords： multiprotocol IoT middleware; heterogeneous system integration; equipments fusion; management and control integration; RFID; management and control system design

0 ?引 ?言

隨著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略政策的不斷深化推進(jìn)，國內(nèi)制造企業(yè)掀起了智能工廠、智能車間、數(shù)字化車間等建設(shè)熱潮。但是不少企業(yè)由于缺乏統(tǒng)一的總體規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從而產(chǎn)生不同廠家、不同專業(yè)、不同平臺(tái)、不同功能、不同協(xié)議的高端裝備之間，信息化應(yīng)用系統(tǒng)之間，以及高端裝備與信息化系統(tǒng)之間難以深度集成，造成無法對車間高端裝備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集和集中管控;信息化應(yīng)用系統(tǒng)無法數(shù)據(jù)共享、流程穿透、業(yè)務(wù)協(xié)同;上層信息化應(yīng)用系統(tǒng)無法管控底層設(shè)備，底層采集的數(shù)據(jù)無法反饋到生成信息系統(tǒng)等問題。企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和管理能力提升沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。智能工廠、智能車間、數(shù)字化車間建設(shè)需連接各現(xiàn)場設(shè)備，其間的通信涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，如信息技術(shù)SOA接口、自動(dòng)化控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、RFID等。目前，還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)能實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)車間信息化應(yīng)用系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、產(chǎn)線制造/裝配設(shè)備、在線檢測設(shè)備、物流設(shè)備等軟硬件異構(gòu)系統(tǒng)物聯(lián)通信[1]。因此針對底層通信協(xié)議開展基于多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)中間件的設(shè)備融合管控系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)和開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議、不同專業(yè)的設(shè)備物聯(lián)。

1 ?多協(xié)議物聯(lián)中間件

多協(xié)議設(shè)備物聯(lián)中間件[2]的關(guān)鍵是封裝具有可集成性與可擴(kuò)展性的協(xié)議倉庫[1]，并配備有在線協(xié)議仿真軟件、協(xié)議分析軟件和協(xié)議測試等工具。協(xié)議倉庫對內(nèi)集成可支持自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備的Modbus，RS 232，RS 485等主流通信協(xié)議和無線通信WiFi，Bluetooth，ZigBee等協(xié)議，對外集成可支持過程控制的對象鏈接嵌入技術(shù)（OPC）、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）、開放數(shù)據(jù)庫互連（ODBC）、分布組件對象模型（DCOM）、應(yīng)用程序接口（API），Web，Telet服務(wù)和TCP/IP雙機(jī)映射。同時(shí)，協(xié)議倉庫提供可配置軟件架構(gòu)，為設(shè)備接口配置相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。用戶可以根據(jù)協(xié)議倉庫提供的協(xié)議接口模塊開發(fā)軟件工具包，使協(xié)議組件標(biāo)準(zhǔn)化、可配置化，并擴(kuò)充、積累、豐富有序的協(xié)議倉庫，使得軟件集成只要面對OPC，DDE，ODBC，DCOM，API等標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，無需直接面對制造物聯(lián)裝備，從而能解決不同協(xié)議設(shè)備物聯(lián)的通信難題。多協(xié)議設(shè)備物聯(lián)中間件架構(gòu)設(shè)計(jì)[3]如圖1所示。

圖1 ?多協(xié)議設(shè)備物聯(lián)中間件架構(gòu)圖

多協(xié)議設(shè)備物聯(lián)中間件可以支持連接生產(chǎn)現(xiàn)場的各種自動(dòng)控制設(shè)備和制造執(zhí)行系統(tǒng)，采集設(shè)備、物料等制造資源信息和產(chǎn)品信息。具有高效、安全、可靠、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，靈活、精準(zhǔn)的協(xié)議解析，協(xié)議擴(kuò)充、接口定義和配置用戶化等特點(diǎn)，為智能工廠、智能車間、數(shù)字化車間提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)線設(shè)備融合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮到制造車間內(nèi)不同專業(yè)、不同協(xié)議智能設(shè)備之間采用OPC（OLE for Process Control）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家GB/T19582?2008標(biāo)準(zhǔn)，基于多協(xié)議設(shè)備物聯(lián)中間件構(gòu)建包括軟硬件設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管理、控制程序管理、集中管控、數(shù)據(jù)采集傳輸、電子看板等功能的智能設(shè)備融合管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對智能設(shè)備物聯(lián)、集中控制和數(shù)據(jù)采集，為上層的車間制造執(zhí)行層和底層的智能設(shè)備層建立連接橋梁和樞紐，使車間制造執(zhí)行系統(tǒng)對底層的智能制造/裝配設(shè)備、檢測設(shè)備、物流設(shè)備進(jìn)行全面、統(tǒng)一、實(shí)時(shí)管控。產(chǎn)線設(shè)備融合控制系統(tǒng)體系架構(gòu)[4?6]如圖2所示。

圖2 ?設(shè)備融合管控體系架構(gòu)圖

設(shè)備融合管控系統(tǒng)通過多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)中間件，對企業(yè)級、車間級、設(shè)備級的軟硬件異構(gòu)系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造相關(guān)部門業(yè)務(wù)橫向協(xié)同、縱向管控，為制造車間的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化建設(shè)提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

對不同的軟硬件異構(gòu)系統(tǒng)集成，系統(tǒng)提供不同的集成方式：

1） 集成車間信息化應(yīng)用系統(tǒng)，采用XML，Web Server等協(xié)議服務(wù)組件，集成企業(yè)級的協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)圖紙、工藝、程序代碼直接下車間到設(shè)備;集成車間級的制造執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車間作業(yè)指令直接到設(shè)備，調(diào)度、控制設(shè)備執(zhí)行產(chǎn)品制造/裝配任務(wù);同時(shí)，將產(chǎn)品制造/裝配任務(wù)執(zhí)行情況直接反饋給車間制造執(zhí)行系統(tǒng)。

2） 集成車間產(chǎn)線設(shè)備設(shè)施，系統(tǒng)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OPC Server，Modbus Server等協(xié)議服務(wù)組件，通過PLC與OPC接口總線Modbus/TCP對產(chǎn)線的移動(dòng)設(shè)備、數(shù)控設(shè)備、智能設(shè)備、傳感器、RFID設(shè)施、條碼設(shè)施等進(jìn)行物聯(lián)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、傳輸和集中控制。

3） 集成統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，采用集成的ODBC進(jìn)行集成。

2.2 ?關(guān)鍵技術(shù)

產(chǎn)線設(shè)備融合管控系統(tǒng)采用OPC技術(shù)[7]，通過PLC與OPC接口總線Modbus/TCP實(shí)現(xiàn)車間產(chǎn)線移動(dòng)設(shè)備、數(shù)控設(shè)備、智能設(shè)備、傳感器、RFID設(shè)施、條碼設(shè)施等設(shè)備設(shè)施物聯(lián)、集中管控和數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。

圖3 ?OPC DA Server技術(shù)架構(gòu)圖

OPC Server由OPC Interface Module和Communication Module兩個(gè)主要部分組成。OPC Interface Module按照OPC數(shù)據(jù)的規(guī)范訪問實(shí)現(xiàn)OPC Server與OPC Client之間的信息交互。Communication Module是OPC Server與智能設(shè)備之間的連接通道樞紐。Modbus/TCP是實(shí)施信息交換的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，為OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)與智能設(shè)備之間建立數(shù)據(jù)訪問通道。設(shè)備控制過程是當(dāng)OPC Client接收到信息化應(yīng)用系統(tǒng)對某智能設(shè)備訪問控制時(shí)，只需要通過OPC Server對訪問的設(shè)備進(jìn)行控制。

制造企業(yè)涉及多個(gè)車間多條產(chǎn)線，每條產(chǎn)線又有多套不同專業(yè)、不同功能、不同協(xié)議的異構(gòu)設(shè)備。例如，在某造船企業(yè)應(yīng)用中，有堆場自動(dòng)化物流、鋼板預(yù)處理生產(chǎn)線、肋骨拼接生產(chǎn)線、殼圈拼接生產(chǎn)線、非耐壓分段生產(chǎn)線、非耐壓板切割自動(dòng)分揀線、耐壓板切割自動(dòng)分揀線、型材切割自動(dòng)分揀線等8條自動(dòng)化線，涉及下料切割、銑邊、校平、機(jī)器人、焊接、專機(jī)等設(shè)備。需要對8條自動(dòng)化產(chǎn)線多專業(yè)、多功能、多協(xié)議設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)、統(tǒng)一調(diào)度和管控。自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)備融合控制[8?9]如圖4所示。

系統(tǒng)通過多協(xié)議物聯(lián)中間件的ONS Server解析或傳感網(wǎng)絡(luò)[10]，把MES向設(shè)備融合管控系統(tǒng)下達(dá)車間作業(yè)指令映射到指定設(shè)備，并對多產(chǎn)線、多設(shè)備融合管控，實(shí)現(xiàn)對8條自動(dòng)化產(chǎn)線多專業(yè)、多功能、多協(xié)議設(shè)備按指令精準(zhǔn)控制執(zhí)行。

3 ?系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)按照ISA?95《企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)》和軟件工程化管理CMMI（Capability Maturity Model Integration） 四級（量化管理級）要求，采用B/S+C/S架構(gòu)開發(fā)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸部分的功能模塊采用C語言+C/S技術(shù)架構(gòu)開發(fā);在程序代碼管理，設(shè)備接口、協(xié)議管理、功能配置等功能模塊采用.NET+B/S技術(shù)架構(gòu)開發(fā)。設(shè)備融合系統(tǒng)功能覆蓋了DNC?MDC，SCADA，DCS等系統(tǒng)的所有功能，還具備企業(yè)級的PDM，ERP應(yīng)用系統(tǒng)，具有較好的安全性、擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性和個(gè)性化定制等特點(diǎn)。

圖4 ?產(chǎn)線設(shè)備融合管控架構(gòu)圖

圖5 ?設(shè)備融合管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面圖

3.1 ?功能實(shí)現(xiàn)描述

1） 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控

系統(tǒng)基于多協(xié)議物聯(lián)中間件，實(shí)現(xiàn)對不同接口、不同協(xié)議、不同專業(yè)的異構(gòu)設(shè)備以及不同功能、不同架構(gòu)的異構(gòu)軟件互聯(lián)、集成和監(jiān)控，主要由服務(wù)器、客戶終端、聯(lián)網(wǎng)客戶端、聯(lián)網(wǎng)服務(wù)端、交換機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、電子看板等組成，分設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視等三個(gè)層級。設(shè)備層包括制造設(shè)備、裝配設(shè)備、在線檢測設(shè)備、物流設(shè)備、傳感器及數(shù)據(jù)采集卡等，負(fù)責(zé)輸出底層設(shè)備的信息;數(shù)據(jù)采集層是溝通底層設(shè)備層和上層監(jiān)視層的橋梁，負(fù)責(zé)從設(shè)備層獲取數(shù)據(jù)并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、匯總，同時(shí)以實(shí)時(shí)的方式顯示采集的信息，最后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)視層和車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）;監(jiān)視層（電子看板）能監(jiān)控車間產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)值。

2） 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)產(chǎn)線設(shè)備的 （RS 232/RS 485/RS 422）串口、RJ 45以太網(wǎng)接口、數(shù)據(jù)采集卡和傳感器等物聯(lián)方式，主要能提供的數(shù)據(jù)采集方法有四類：

① 以太網(wǎng)口數(shù)據(jù)采集

對于帶有RJ 45以太網(wǎng)接口的數(shù)控/智能設(shè)備，可直接通過網(wǎng)線與采集系統(tǒng)連接。因網(wǎng)口設(shè)備系統(tǒng)的開放性，采集到的數(shù)據(jù)較多，只要系統(tǒng)內(nèi)部支持，都能盡可能地采集到。可采集到的內(nèi)容有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、具體報(bào)警信息、正在執(zhí)行的程序、伺服參數(shù)、當(dāng)前坐標(biāo)信息、位移量。

② 串口數(shù)據(jù)采集

串口設(shè)備因?yàn)榻涌谠虿荒苤苯勇?lián)網(wǎng)，需要通過單串口服務(wù)器進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，可支持TCP，UDP，HTTP，DNS等協(xié)議，支持過網(wǎng)關(guān)、跨路由通信，通過設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備立即聯(lián)網(wǎng)。此方式適用于現(xiàn)有帶串口的專機(jī)，可采集到的內(nèi)容有設(shè)備電壓、電流、速度及位移量，可對質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督和追溯。

③ 數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集

此方法不受數(shù)控系統(tǒng)、設(shè)備接口限制，只要能與設(shè)備相關(guān)的I/O點(diǎn)、對應(yīng)的傳感器連接上，采用專用的采集卡即可采集到設(shè)備相關(guān)信息?？刹杉降膬?nèi)容有設(shè)備上電，設(shè)備斷電，程序加工開始，程序加工結(jié)束，設(shè)備故障，主軸功率，各種壓力、溫度等。

④ 傳感器數(shù)據(jù)采集

此方法適用于工作環(huán)境比較惡劣，需要有較好的抵抗環(huán)境干擾的能力，并保證有較高的采集精度?？刹杉降膬?nèi)容有設(shè)備的電流、電壓信號、環(huán)境溫度和濕度等。

3） 程序代碼管理

產(chǎn)線的柔性生產(chǎn)主要通過設(shè)備控制的程序代碼和工裝夾具的變換來實(shí)現(xiàn)。不同產(chǎn)品的生產(chǎn)勢必需要不同的程序代碼對制造設(shè)備、在線檢測設(shè)備、物流設(shè)備進(jìn)行程序控制。系統(tǒng)主要能提供程序代碼分類、編制、仿真、分析、版本核對、審核、有權(quán)限上傳導(dǎo)入、下載、查詢和瀏覽等功能。

4） 電子看板

電子看板是設(shè)備融合管控系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)線設(shè)備的集中可視化管理。由設(shè)備運(yùn)行/報(bào)警的監(jiān)控顯示屏、監(jiān)控報(bào)警控制模塊、聲光報(bào)警裝置和計(jì)算機(jī)在線配置模塊組成。系統(tǒng)給用戶提供電子看板顯示的內(nèi)容、報(bào)警條件和控制條件等內(nèi)容的自定義功能。

5） 系統(tǒng)集成

通過多協(xié)議物聯(lián)中間件集成的XML，ODBC，Web Server等軟件服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)接口，提供接口協(xié)議、數(shù)據(jù)交互內(nèi)容、交互方式等定義和配置功能，實(shí)現(xiàn)與企業(yè)級的BI，PLM，ERP，OA，車間級的MES，WMS等應(yīng)用系統(tǒng)無縫有機(jī)集成。

6） 系統(tǒng)管理

為確保系統(tǒng)安全、可靠和環(huán)境適應(yīng)性要求，系統(tǒng)提供設(shè)備信息、賬戶、角色、權(quán)限、安全策略、系統(tǒng)日志、數(shù)據(jù)備份、配置管理、元數(shù)據(jù)維護(hù)、菜單定義、編碼規(guī)則、預(yù)警機(jī)制、審批流程定義、主界面定義等管理功能。

3.2 ?系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要針對某造船廠數(shù)字化管子加工車間產(chǎn)線設(shè)備和上層的協(xié)同設(shè)計(jì)管理軟件（PDM）與車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）對接進(jìn)行融合管控測試。該造船廠已經(jīng)上線了PDM，MES系統(tǒng)，但是PDM的圖紙、工藝，MES的作業(yè)指令都無法直接下達(dá)到產(chǎn)線設(shè)備，產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、執(zhí)行的作業(yè)指令也無法反饋給上層的PDM，MES等系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)企業(yè)級、車間級和設(shè)備級的縱向管控，設(shè)備利用率低，生產(chǎn)過程信息反饋滯后、不透明。

通過本文系統(tǒng)的應(yīng)用，構(gòu)建了PDM，MES與產(chǎn)線設(shè)備的樞紐通道，實(shí)現(xiàn)了立庫、配送、切割、組對、焊接、轉(zhuǎn)運(yùn)、檢測等設(shè)備設(shè)施聯(lián)網(wǎng)集成、集中管控、數(shù)據(jù)采集和程序代碼統(tǒng)一管理功能。通過電子看板查看產(chǎn)線生產(chǎn)進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障等信息的關(guān)聯(lián)視圖、匯總、統(tǒng)計(jì)、分析內(nèi)容，以及向產(chǎn)線設(shè)備下達(dá)調(diào)度控制指令，實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)線生產(chǎn)任務(wù)和設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)融合管控。系統(tǒng)測試效果如圖6所示。

圖6 ?電子看板（設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)）界面截圖

4 ?結(jié) ?語

本文提出基于多協(xié)議物聯(lián)中間件的產(chǎn)線設(shè)備融合管控系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用，使其具備了對制造企業(yè)主流應(yīng)用系統(tǒng)、設(shè)備等異構(gòu)軟硬件系統(tǒng)集成功能，達(dá)到融合管控的目標(biāo)。但是系統(tǒng)實(shí)施的用戶定制化程度還很高，需要進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化，豐富協(xié)議倉庫內(nèi)容，完善接口標(biāo)準(zhǔn)和接口配置功能。

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